韩国Soo-Jin Park教授团队:微/宏观结合构制高柔性杂化环氧树脂基电磁屏蔽复合材料

随着万物互联时代的到来,柔性传感器和健康监测系统等物联网电子产品朝着轻质、可穿戴和人体友好等方向发展。由此造成的电磁波污染可能会干扰其他设备,并且对人体健康产生影响。因此,电磁波屏蔽材料具有广阔的应用前景和价值。为了减少电磁波屏蔽材料的反射损耗,我们提出了微/宏观结合策略,通过在聚酯纤维骨架上构造宏观空洞,及在杂化碳纳米填料之间构筑微观互联网络,有效提高电磁波吸收效率,实现了以电磁波吸收为主的环氧树脂基电磁屏蔽复合材料的高效制备。

Highly Flexible Fabrics/Epoxy Composites with Hybrid Carbon Nanofillers for Absorption-Dominated Electromagnetic Interference Shielding

Jong-Hoon Lee, Yoon-Sub Kim, Hea-Jin Ru, Seul-Yi Lee*, Soo-Jin Park*

Nano-Micro Letters (2022)14: 188

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00926-1

本文亮点

1. 制备了高柔性杂化碳纳米填料负载聚酯纤维/环氧树脂吸收型电磁屏蔽复合材料

2. 杂化碳纳米填料负载聚酯纤维/环氧树脂复合材料在1000次弯折循环后的电导率几乎没有变化,且断裂韧性保持在约38.5 MPa/m1/2。

3. 杂化碳纳米填料负载聚酯纤维/环氧树脂复合材料在X波段的电磁屏蔽效能约为66.8 dB/mm,吸收效率超过0.7,主要得益于聚酯纤维骨架的宏观空洞及杂化碳纳米填料的微观互联网络

内容简介

制备电磁波吸收为主的电磁屏蔽材料对于减少电磁波污染尤为重要。韩国仁荷大学的Seul-Yi Lee教授和Soo-Jin Park教授课题组,采用微/宏观结合策略,通过在聚酯纤维骨架上构造宏观空洞,及在碳纳米填料之间构筑微观互联网络,有效提高电磁波吸收效率,实现了以电磁波吸收为主的环氧树脂基电磁屏蔽复合材料的高效制备。以聚酯纤维(PF)无纺布为骨架并将其浸渍在单壁碳纳米管(SWCNT)和还原氧化石墨烯(rGO)组成的碳墨水中,浇注环氧树脂(Ep)后制备电磁波吸收为主的杂化碳纳米填料负载聚酯纤维/环氧树脂电磁屏蔽复合材料。该方法克服了仅使用聚酯纤维填充的环氧树脂复合材料的脆性问题,实现了超高电磁屏蔽和使用耐久性。揭示了电磁波吸收机理,主要归因于杂化碳纳米填料的长程电磁通路;研究了界面和电磁屏蔽效能之间的关系,由杂化碳纳米填料微尺度孔道及聚酯纤维骨架的宏观空洞构筑的多尺度孔结构增强了界面作用,促进阻抗失配、界面极化损耗和多重反射,进而提高复合材料的屏蔽效能。

图文导读

I 杂化碳纳米填料负载聚酯纤维骨架的分析表征

SEM照片(图1a-c)可以看出,SWCNT/rGO吸附在PF表面,且随着杂化碳纳米填料中SWCNT用量的增加,SWCNT出现明显团聚现象。FT-IR谱图中波数在1238 cm⁻¹和1093 cm⁻¹的特征峰分别对应于C-H键和C-O键的伸缩振动,表明在制备SWCNT/rGO杂化碳纳米材料的过程中形成了sp³杂化缺陷。拉曼光谱中D峰和G峰的比值(ID/IG)也即是碳材料中sp³杂化和sp²杂化数量之比,用于表征材料的缺陷程度。S-2/G/PF更高的ID/IG数值主要归因于SWCNT用量的增多,引入更多的缺陷。XRD谱图也证实了SWCNT/rGO制备过程中的晶型结构变化。

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图1. (a-c) G/PF、S-2/G/PF、S-4/G/PF纤维的SEM照片(比例尺:10 μm);(d) 傅里叶变换红外光谱;(e) 拉曼光谱;(f) XRD谱图。

II 杂化碳纳米填料负载聚酯纤维/环氧树脂复合材料的界面性能

PF/Ep复合材料的表面能、粘附功、平面应变断裂韧度和应变能释放率均随杂化碳纳米填料中SWCNT用量的增加先提高后降低,当SWCNT质量分数为2%时最大,主要归因于SWCNT和rGO交织构成的三维分层结构促进界面相互作用。

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图2. (a) 表面能;(b) 粘附功;(c) 平面应变断裂韧度;(d) 应变能释放率。

III 杂化碳纳米填料负载聚酯纤维/环氧树脂复合材料的电性能

PF/Ep复合材料的电导率随杂化碳纳米填料中SWCNT用量的增加先提高后降低,当SWCNT质量分数为2%时最大,为30.2 S/m。将PF/Ep复合材料反复弯折后可以看出其电导率几乎没有变化。表明优化后的SWCNT用量在复合材料中形成了完整的逾渗网络,而且SWCNT/rGO、PF骨架和Ep之间优异的界面性能保证了复合材料良好的力学性能。
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图3. (a) 电导率;(b) 循环弯折电导率。

IV 杂化碳纳米填料负载聚酯纤维/环氧树脂复合材料的电磁屏蔽性能

PF/Ep复合材料的电磁屏蔽性能随杂化碳纳米填料中SWCNT用量的增加先提高后降低,当SWCNT质量分数为2%时最大,为40.1 dB。此时吸收和反射效能分别为38.9 dB和1.2 dB,吸收系数约为0.7,表明PF/Ep复合材料的电磁屏蔽是以吸收为主。

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图4. (a) 电磁屏蔽效能;(b) 8.2 GHz下的反射效能和吸收效能;(c) 8.2 GHz下的电磁屏蔽系数能对比;(d) 电磁屏蔽效。

杂化碳纳米填料负载聚酯纤维/环氧树脂复合材料的电磁屏蔽机理

入射电磁波被材料吸收和反射,进而实现电磁波屏蔽的目的。SWCNT/rGO的高电导率有利于电磁波屏蔽性能的提升。此外,SWCNT/rGO网络的多级结构有利于电磁波的多重反射,提供更多的界面提高界面性能。而且,PF骨架的孔结构也能促进入射电磁波的损耗。

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图5. (a) 电磁波传播示意图;(b) PF骨架中的电磁波吸收示意图;(c) 电磁波在SWCNT/rGO和Ep界面处的多重反射示意图。

作者简介

7.jpgSoo-Jin Park
本文通讯作者韩国仁荷大学 教授
主要研究领域
聚合物基功能复合材料,材料界面科学,固体表面物理化学。
主要研究成果韩国仁荷大学化学系教授,发表SCI论文1200余篇,被引用37000余次,H-index学术指数是86,授权发明专利230余项。荣获2021年高被引科学家、韩国工业化学会优秀论文奖、大韩民国政府总理奖等荣誉。▍Email:sjpark@inha.ac.kr
撰稿:《纳微快报(英文)》编辑部
编辑:《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

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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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