科普 | 電磁屏蔽材料發展趨勢

隨著5G技術、人工智能、物聯網、大數據的快速發展及其在無人系統、高速通信、工業互聯網、未來能源、航空航天等領域的廣泛應用，信息技術的發展水平已成為綜合國力的體現。然而，電子設備在運行過程中會對外界產生不良的電磁干擾（EMI），不僅影響附近電子設備的正常運行，還會增加相關工作人員出現頭痛、抑郁、免疫缺陷等其他疾病的風險 。因此，迫切需要高效的EMI屏蔽材料來衰減電磁波，以保護電子設備的正常運行和人體健康。在此背景下，致力于各種高性能EMI屏蔽材料的發展已成為研究的熱點。以下將介紹常見EMI屏蔽材料的優缺點：

1. 傳統的金屬材料（如銀、銅、鐵、鎳等及其合金）常被用作EMI屏蔽材料，常見的包括高導電金屬，如鋁箔、銅箔，其中表面反射是主要的損耗機制 。然而，金屬的高密度、易腐蝕和柔韌性差使其難以滿足理想的EMI屏蔽材料的要求，限制了其在小型智能電子產品中的廣泛應用。即具有重量輕、屏蔽效率高、帶寬寬、耐腐蝕性能好等特性成為了EMI屏蔽材料的研究方向。

科普 | 電磁屏蔽材料發展趨勢

2. 導電聚合物復合材料(CPC)由于其重量輕、機械柔韌性高、耐腐蝕性好、加工成本低等優點，成為了代替傳統金屬屏蔽材料的最好的解決方案之一。此外，與金屬基屏蔽材料相比，CPC表現出低表面反射，在偽裝和隱身技術等應用中更受歡迎。導電聚合物復合材料是指在聚合物基體中加入導電填料，通過一些特定的加工工藝獲得的具有EMI屏蔽性能的多相復合材料。在CPC常用導電填料主要包括金屬材料，本征導電性材料和碳材料。其中，碳材料具有質量輕、同素異形體眾多、力學性能好等特點，在CPC中得到了較為廣泛的應用。

圖2.CPC用于具有多種界面結構的EMI屏蔽，如隔離、多層/夾層、泡沫/多孔結構等。[1]

不幸的是，由于 CPC 的導電性較低，CPC 的 EMI 屏蔽效率 (SE) 通常低于金屬材料。為了實現 CPC 的高性能 EMI 屏蔽，需要大量的導電填料來形成足夠的屏蔽網絡。高含量的導電填料通常會導致機械劣化、成本增加和加工困難。況且導電聚合物復合材料的機械性能和熱穩定性差等缺點限制了它們的進一步應用。

材料的屏蔽能力微觀上依賴于電磁波（EMW）的反射和吸收。隨著屏蔽材料的不斷發展，研究熱點已經從金屬材料、本征導電聚合物發展到CPC。事實證明，導電網絡的構建與微波衰減能力密切相關。因此，CPC的EMI屏蔽從宏觀角度取決于填料的選擇和結構設計。一般來說，導電填料可分為金屬填料、碳填料和本征導電聚合物。金屬填料（Ag、Cu、Ni、LM、MXene等）可以賦予 CPC 高效的 EMI 屏蔽材料，因為它們具有極高的導電性。

然而，由于價格昂貴、密度大、不穩定等原因，在實際應用中仍然存在限制。碳填料（CNT、CB、rGO、GE、CNF等）因其密度低、導電性高而成為應用最廣泛的填料之一。本征導電聚合物（PANI、PEDOT 等）也可用作 CPC 的導電填料，用于 EMI 屏蔽。此外，導電填料的尺寸對CPC的EMI屏蔽也很重要。一般來說，二維填料在零維、一維和二維填料中表現出最優異的 EMI 屏蔽性能。

3. 聚合物基復合材料由于其低密度、耐腐蝕、具有競爭力的價格和良好的可加工性，已廣泛應用于EMI屏蔽領域。然而，大多數聚合物基體本身具有絕緣性，嚴重限制了在電子產品、新能源汽車、醫療設備、柔性電路板等對EMI屏蔽要求高的領域的應用。目前，研究人員通過將導電填料與樹脂基體復合，有效解決了聚合物基復合材料EMI屏蔽性能差的問題。同時，碳納米管、石墨烯、金屬納米線/顆粒和 MXene 已被廣泛用作聚合物基復合材料的導電填料。

然而，目前的聚合物基復合材料與金屬材料相比，存在導電率低、EMI屏蔽性能差等缺點。如何通過高效的結構設計提高聚合物基復合材料的EMI屏蔽性能已成為亟待解決的技術難點和科學問題。除了導電填料的用量和類型對聚合物基復合材料的EMI屏蔽性能有顯著影響外，復合材料的結構設計和導電填料在樹脂基體中的分布取向也同樣重要。到目前為止，關于聚合物基體 EMI 屏蔽復合材料的不同結構類型的研究很少。

4. 碳材料，如石墨烯、碳納米管 (CNT)、介孔碳、碳納米纖維 (CNF)，由于具有許多特點，包括低密度、天然豐度、低成本、優異的導電性和出色的機械性能，因此具有作為 ESM 的巨大潛力。

圖3.碳納米管復合材料的電磁屏蔽[2]

5. 與碳材料相比，二維層狀過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物（MXenes）具有突出的σ、突出的親水性和化學活性，相關研究發展極為迅速。三維 (3D) 結構中重復反射和散射的復雜界面提供了更長的導電路徑，因此更好地屏蔽了電磁波。然而，由于MXenes之間的弱相互作用和較差的凝膠化能力，很難通過MXenes的自組裝來構建具有優異機械性能的獨立3D結構。當用于 EMI 屏蔽時，MXenes 通常被應用到具有優異機械承載性能的聚合物基體中。然而，關于MXenes 在聚合物基體 EMI 屏蔽復合材料中的應用的報道較少。

圖3.碳納米管復合材料的電磁屏蔽[2]

因此，詳盡回顧MXenes在該領域的應用和研究進展，有利于促進對MXenes的深入了解，推動MXenes及其MXenes/聚合物基EMI屏蔽復合材料的進一步突破和發展。

參考文獻

1.Wang M, Tang X H, Cai J H, et al. Construction, mechanism and prospective of conductive polymer composites with multiple interfaces for electromagnetic interference shielding: a review[J]. Carbon, 2021.

2.Guan Q F, Han Z M, Yang K P, et al. Sustainable Double-Network Structural Materials for Electromagnetic Shielding[J]. Nano Letters, 2021, 21(6): 2532-2537.

3.Li Y, Tian X, Gao S P, et al. Reversible crumpling of 2D titanium carbide (MXene) nanocoatings for stretchable electromagnetic shielding and wearable wireless communication[J]. Advanced Functional Materials, 2020, 30(5): 1907451.