一、研究背景：随着电子通讯行业的迅速发展，大量新兴电子电器设备涌入人类的交通、通信、家用电器等生活中的每个角落，为人类的生活提供了极大的便利。但是，它们也会产生不同频率的电磁辐射，给人们的生产生活带来不便。随着电子器件的全面普及、电子元器件的精密度和灵敏度越来越高，电磁辐射所带来的危害也越来越严重，引发了一系列的环境问题和社会问题。电磁辐射的不利影响主要体现在电子元器件之间的电磁干扰、电磁信息泄露和电磁波对人体的危害。电磁屏蔽材料，是指放入某个区域中，通过对电磁波的反射和吸收来降低电磁波的透射，从而起到防辐射的作用的材料。目前大多数电磁屏蔽材料采用金属、金属纳米线、石墨烯等，虽然实现了高屏蔽值，但大多数电磁波在材料表面被反射，造成二次污染，因此如何缓和低反射与高电磁屏蔽性能之间的矛盾，成为了研究者们探索的热点问题。
二、研究成果中北大学刘亚青、段宏基课题组报道了通过逐层浇铸法制备的电-磁梯度可控多层水性聚氨酯基电磁屏蔽复合材料，使用纳米填料为Fe3O4@rGO 和 MWCNT，构建的有序多层屏蔽网络赋予聚氨酯复合材料正电导率梯度和负磁导率梯度，入射的电磁波历经“吸收-反射-再吸收”过程，以及界面极化损耗引起的吸收过程，以至于材料具有高的电磁屏蔽效能值和较低的反射率，当电磁屏蔽SE值达到35.9 dB时，反射率仅0.27，这项工作为下一代智能电子设备吸收主导的可控电磁屏蔽材料设计制备提供了新思路。相关工作以“Multilayer WPU conductive composites with controllable electro-magnetic gradient for absorption-dominated electromagnetic interference shielding”为题发表在复合材料领域著名TOP期刊 《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》上。
三、图文速递
图1 Fe3O4@rGO/MWCNT/WPU复合材料制备方法示意图
这种Fe3O4@rGO/MWCNT/WPU复合材料的制备方法是：首先采用水热还原法制备Fe3O4@rGO分散液，经冷冻干燥后得到Fe3O4@rGO磁性复合材料，将其加入聚氨酯乳液中，超声处理得到Fe3O4@rGO/WPU分散液。MWCNT/WPU分散液的制备方法是：首先用去离子水对聚氨酯乳液进行稀释，再将MWCNT加入其中超声搅拌即可。随后采用逐层浇铸法制备Fe3O4@rGO/MWCNT/WPU复合材料，从上到下依次为Fe3O4@rGO-X1/WPU、Fe3O4@rGO-X2/WPU、Fe3O4@rGO-X3/WPU、MWCNT/WPU，X代表开始加入的GO的量。
图2 相关结构与形貌表征
通过SEM表征可以看出四层WPU复合材料紧密结合在一起，界面处没有发生断裂等缺陷，这种优秀的界面粘结得益于水性聚氨酯WPU的优异成膜性能和粘附性能，并且部分MWCNT渗入Fe3O4@rGO/WPU层，进一步加强了界面粘合。MWCNT网络也赋予材料良好的导电性，实现优异的电磁屏蔽性能。
图3 电-磁梯度测试
该复合体系的新型电-磁梯度设计值得关注，可以看出，通过调控GO和MWCNT的加入量可以调节材料的导电性，从上到下，电导率逐渐上升，磁化强度逐渐下降。
图4 电磁屏蔽性能表征
研究人员对该材料进行了电磁屏蔽性能测试，Fe3O4@rGO(20-60-100)- 60MWCNT 样品实现最优电磁屏蔽值35.9 dB，反射率仅0.27，吸收损耗占主导，可以看出这种电-磁梯度设计显著提升了材料的电磁屏蔽性能，减少了反射，避免电磁波的二次污染。通过调节GO和MWCNT的含量。可以对电磁性能进行调控。研究人员随后对电磁屏蔽机理进行了分析：由于材料阻抗匹配较好，当电磁波进入材料时， 这种有着正电导率梯度和负磁导率梯度的吸波层产生较强的介电损耗和磁损耗，并且在界面处产生界面极化，电磁波进入导电反射层时将反射回吸收层，这部分电磁波将被再次吸收，此外，MWCNT和Fe3O4@rGO产生的界面产生极化驰豫损耗，该材料由于介电损耗与磁损耗的协同作用，使其具有高电磁屏蔽值，这种新型梯度设计实现较低的反射率。
图5 电磁屏蔽机理示意图
四、研究小结通过逐层浇铸的方法制备出具有多层电-磁梯度的聚氨酯基电磁屏蔽复合材料，通过调节填料MWCNT和GO的含量可以有效调控电磁屏蔽特性，吸收层梯度的增加产生磁损耗、介电损耗，较低的反射率以及优异的电磁屏蔽性能，反射层屏蔽效能的提升促进了电磁波的再吸收和界面极化损耗作用，进一步提高了电磁屏蔽性能，降低反射率。Fe3O4@rGO/MWCNT/WPU复合材料实现最优电磁屏蔽SE值35.9 dB，反射率仅为0.27，这种独特的梯度结构设计为吸收为主导的高性能电磁屏蔽材料提供了借鉴。
五、全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X19304415
