NML综述:柔性电磁屏蔽材料的设计策略及多功能化研究进展

电子设备的大量使用和5G通信技术的快速发展造成了严重的电磁辐射污染。电磁辐射会通过破坏人类的中枢神经系统导致睡眠紊乱、学习障碍、认知异常等问题,因此,探索高性能的电磁干扰(EMI)屏蔽材料来解决电磁污染问题已迫在眉睫。具有高柔性的EMI屏蔽材料展现出良好的应用前景,本文综述了柔性EMI屏蔽材料的最新研究进展,深入讨论了相关屏蔽机理,并提出了“绿色EMI屏蔽”指数这一新颖概念。

Recent Advances in Design Strategies and Multifunctionality of Flexible Electromagnetic Interference Shielding Materials

Junye Cheng , Chuanbing Li , Yingfei Xiong , Huibin Zhang , Hassan Raza , Sana Ullah , Jinyi Wu , Guangping Zheng , Qi Cao* , Deqing Zhang , Qingbin Zheng*, Renchao Che*

Nano-Micro Letters (2022)14: 80

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00823-7

本文亮点

1. 总结了柔性EMI屏蔽材料的最新发展动向

2. 概述了EMI屏蔽机理和“绿色屏蔽”指数(gs)的最新概念

3.介绍了柔性EMI屏蔽材料在导热、超疏水、高透明、传感等多功能化应用

4.讨论了柔性EMI屏蔽材料面临的挑战和未来设计策略
内容简介

随着5G通信技术的快速发展,电磁辐射愈加严重,为屏蔽电子设备产生的EMI,迫切需要开发相应的高性能EMI屏蔽材料。具有低密度、高耐腐蚀性、机械稳定性的EMI屏蔽材料在实际应用中越来越受欢迎。随着柔性可穿戴电子产品的快速发展,相应的EMI屏蔽材料除了具有优异屏蔽性能外,还应具有可观的机械柔韧性。迄今为止,研究人员已开发出多种轻质、多功能的柔性EMI屏蔽材料,这些材料通过吸收或反射入射电磁波(EMW)避免其穿透屏蔽层,能有效减少电磁辐射的侵入。

香港中文大学(深圳)郑庆彬助理教授、东南大学曹祺副教授、复旦大学车仁超教授等人在本综述中,重点介绍了用于先进柔性电子设备的各种柔性EMI屏蔽材料,分析了EMI屏蔽机理以及EMI屏蔽效率与EMI屏蔽吸收/反射分量之间的关系,进一步提出了对屏蔽材料的结构设计方案。此外,本综述还总结了柔性EMI屏蔽材料在多功能化集成领域的最近案例,并提出了对先进柔性屏蔽材料的未来展望。

图文导读

柔性EMI屏蔽材料的构建策略

1.本征柔性EMI屏蔽基体

本征柔性EMI屏蔽基体不仅具有突出的EMI屏蔽能力,而且具有良好的柔性。高度多孔的三维网络由于其独特的物理特性有望成为EMI屏蔽材料的候选者。

1.1 基于石墨烯和碳纳米管的多功能碳基体(气凝胶、海绵、薄膜、泡沫等)

石墨烯气凝胶因其轻质、极高的导电性和机械稳定性以及独特的三维微孔结构被用作柔性屏蔽材料。可通过裁剪石墨烯气凝胶的微观结构来改善电磁损耗。例如压缩后气凝胶的微观结构由胞状转变为层状,对EMW的耗散起关键作用。

图1.石墨烯气凝胶微观结构的改变会导致电磁屏蔽性能的改变:从G-film转变为G-foam后在8.2 – 12.5 GHz频率范围内总屏蔽效应(SET)、吸收的屏蔽效应(SEA)均显著提高。

1.2 从MXene薄膜到泡沫的有效组装

MXene是一种层状结构的二维材料,具有优异的机械稳定性、表面可调控性和优越的导电性,其在柔性EMI屏蔽材料领域具有广泛前景。例如,将MXene纳米片组装成MXene薄膜,再转化为MXene泡沫后,MXene泡沫的电导率随着其厚度的增加而降低。具有“蛋盒”结构的MXene薄膜由于内部孔隙丰富,可促进入射EMW的界面极化和多重反射从而强化对EMW吸收。

图2.(a) MXene泡沫的制备示意图;(b-e) MXene泡沫的SEM图;(f) 具有“蛋盒”结构的CCM @空隙@ MXene(CVMF)薄膜的制备示意图;(g) EMI屏蔽性能对比;(h) EMWs通过CVMF传播的示意图。

II 构建介电-磁协同的柔性屏蔽结构

2.1 基于柔性纳米碳基体的介电网络-磁性填料协同的强吸收屏蔽材料

2.1.1 压实率对CNTs海绵EMI屏蔽性能的影响

通过观察不同压实率下CNTs基海绵的形态发现,随着压实度的增加,CNTs基海绵的孔径逐渐减小,密度逐渐增大,有利于形成更致密的CNTs网络,提高屏蔽效应(SE)。此外,这些CNTs海绵还可与聚合物结合直接用作高效EMI屏蔽涂层。

图3. (a) 不同压实比CNTs海绵的制备工艺图;(b-e) 不同压实比下CNTs海绵的SEM图;(f) CNTs海绵照片;(g) CNTs海绵的SEM图;(h) CNTs海绵在X波段的EMI屏蔽效应;(i) 不同厚度CNT海绵的平均SET、SER、SEA;(j) CNT/PDMS纳米复合材料的制备示意图。

2.1.2 组分间相互作用对EMW吸收屏蔽的影响

CNTs和石墨烯泡沫的结合能在保持柔性的同时有效屏蔽电磁波。将聚二甲基硅氧烷(PDMS)、CNTs、石墨烯泡沫(GF)相结合,不同组分之间的相互作用会影响对EMW的屏蔽能力。
图4. (a-e) GF/PDMS复合材料SEM图;(f) 石墨烯层SEM图;(g) GF/CNT/PDMS杂化复合材料EMI屏蔽的示意图;(h) CNTs/还原氧化石墨烯(RGO)泡沫复合材料的EMI屏蔽机理图;(i,j) RGO和CNTs/RGO泡沫复合材料的SET、SEA、SER;(k) CNTs/RGO泡沫复合材料的SET、导电性和密度;(l) RGO和CNTs/RGO泡沫复合材料的平均SEA和SER。

2.1.3 嵌入磁性材料或低介电常数的纳米材料

碳基复合材料中,本征碳成分往往受到高介电常数的限制,导致阻抗失配。可通过在碳材料中嵌入或杂化磁性粒子或低介电常数的纳米材料,促进碳材料的电磁耦合,平衡其失配的阻抗。此外,CNTs的形貌会影响其电导率、多层结构、本征节点等特性,空隙中的多重散射又会促进绿色EMI屏蔽效应。
图5. (a) CN-x复合材料制备图;(b) 复合材料的SET;(c) CN-3.0复合材料的SER、SEA、SET;(d) WS2-rGO结构的TEM图;(e)WS2-rGO和rGO的SE。
图6. (a) 银线包覆碳(Ag@C)芯-壳杂化海绵制备示意图; (b-c) 不同厚度和SET的Ag@C-1000海绵的EMI屏蔽性能。

2.2 高导电MXene中嵌入聚合物和掺杂离子

将MXene与聚合物、碳材料等基体结合,其复合物可在实现高柔性的同时,充分发挥MXene的电磁耗散能力。
图7. (a)双层ANF MXene/AgNW纳米复合纸制备示意图; (b)双层纳米复合纸的EMI屏蔽机理; (c) Ti₂CTₓ/聚乙烯醇(PVA)复合泡沫和薄膜的制备示意图; (d) MXene/PVA复合材料的EMI屏蔽机理; (e,f) Ti₂CTₓPVA 的EMI屏蔽性能。

2.3 机械支撑基体强化聚合物基柔性复合材料性能

聚合物由于良好的柔性、耐腐蚀性、轻质、价格低廉等优点,被广泛用于EMI屏蔽,但大多数聚合物的力学性能和导电性较差,限制了其应用。研究表明,可通过填充法将聚合物与高导电和高强度的填料混合,以获得具有优异EMI屏蔽性能的复合材料。
图8. (a) CuxS/PAN纳米纤维毡制备示意图; (b) SEM和AFM图像; (c)毡膜截面的SEM图; (d)胞膜示意图和微观结构图。
图9. (a) GF/PEDOT:PSS复合材料的制备流程; 涂覆PEDOT:PSS涂层前(b,c)后(d)的GFs的SEM和TEM图; (e) EMI屏蔽机理示意图; (f-i) PIPD-g-PDDA/Au₆复合材料的SEM图; PIPD-gPDDA/Au₆复合材料在3 MPa压力下压制2 h的SEM图; 金网在压制过程中的变化。
III 柔性屏蔽材料的多功能化
多功能化是EMI屏蔽材料的未来发展趋势。例如,柔性电子设备的散热会影响器件的可靠性和使用寿命,其耐水性会影响设备的安全使用,因此急需开发具有高导热性和超疏水性的柔性EMI屏蔽材料。

图10. (a) 多功能柔性AgNWs/纤维素膜示意图; (b) 焦耳加热性能; (c) 未涂硅酮(右)和涂有硅酮(左)的M型纺织品和的水接触角测量; (d) 有机硅涂层M织物的I–V曲线;(e) 防水处理对EMI屏蔽性能稳定性的影响。

图11. (a) AgNF的制备示意图; (b) 吹塑纺丝原理; (c) 纤维膜照片; (d) 弯曲AgNF膜及其部分放大区域的SEM图; (e) Fe₃O₄@Ti₃C₂TX/GF/PDMS复合材料制备示意图; (f) 用于压力传感测量的设备图片(左图)、石墨烯基复合材料(右图); (g) GF/PDMS和Fe₃O ₄@Ti₃C ₂TX/GF/PDMS复合材料的相对电阻随施加压力的变化曲线。

V
I 总结与展望

本文在全面阐释EMI屏蔽机理、屏蔽吸收与反射分量关系的基础上,综述了近年来柔性EMI屏蔽材料的最新研究进展,并对柔性电磁屏蔽材料的结构设计与多功能化拓展作了具体讨论。例如,通过改变柔性材料的结构与性质,调节其内部导电网络可以提高其EMI屏蔽效能;向复合物中添加具有高导电性或磁性的纳米填料可以进一步提高其导电性、吸收屏蔽分量和机械强度。

总得来说,尽管当前研究者们已经开发出了各种各样的屏蔽材料,关于柔性电磁屏蔽材料的研究仍然任重而道远,寻找更多具有高吸收低反射的材料,开发以吸收为主的绿色EMI屏蔽机制与材料仍然是一项艰巨的任务。

作者简介

郑庆彬
本文通讯作者
香港中文大学(深圳) 助理教授
主要研究领域
纳米碳材料与集成器件的先进制造加工及其在机械、电子、航空航天、医学等领域的应用,如多功能复合材料、柔性显示、柔性传感和柔性电磁屏蔽等。

个人简介

2011年博士毕业于香港科技大学机械及航空航天学系,2019年加入香港中文大学(深圳)理工学院担任助理教授,校长青年学者。在此之前郑教授曾任德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所“洪堡学者”及香港科技大学机械及航空航天学系研究助理教授,曾获德国“洪堡学者”及香港科技大学高等研究院“青年学人”等荣誉并入选国际先进材料学会(IAAM)会士。作为独立PI承担或完成国家海外高层次青年人才项目,国家自然科学基金,广东省自然科学基金,香港研究资助局优配研究金(HK-RGC GRF),及德国洪堡基金(Alexander von Humboldt-Stiftung)等项目,取得了一系列重要研究成果,已在Progress in Materials Science, Materials Today等本领域顶级期刊发表文章80余篇,论文总计被引用7000余次,H-index为45。
个人主页:
https://myweb.cuhk.edu.cn/zhengqingbin/Home/Index

曹祺

本文通讯作者

东南大学 副教授
主要研究领域
生物质与有机固废资源化、微波吸收与屏蔽材料、环境催化材料。

主要研究成果

日本东京大学博士,东南大学能源与环境学院副教授/硕士生导师。先后获得德国亥姆霍兹学会、中国国家留学基金委、日本科学技术振兴机构资助,赴欧洲和日本开展学术研究。承担国家自然科学基金等各级纵向课题/子课题7项、企业横向课题若干项,发表SCI期刊论文46篇(含一作/通讯23篇),出版专著章节1章,累计被引用>2500次,其中一作/通讯作者发表论文期刊累计影响因子>300。

Email:qicao@seu.edu.cn

▍个人主页:
https://power.seu.edu.cn/cq/list.htm

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2021JCR影响因子为 23.655,学科排名Q1区前5%,中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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