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  近日，瑞士聯邦理工學院聯邦材料科學研究所（EMPA）曾志輝（Zhihui Zeng）博士研究員團隊（通訊作者為Jing Wang教授及Gustav Nystr?m博士）設計了一種金屬包裹的聚合物納米纖維多孔膜狀結構，這種薄膜厚度只有數微米，卻有著優異的電磁屏蔽性能：所制備材料的厚度低達1.2μm，兼具有優秀的屏蔽效能（SE）, 歸一化后的比屏蔽效能SSE(材料屏蔽效能除以材料的厚度及密度)能達到232860 dB·cm²·g^-1，遠高于現有報道的自支撐的屏蔽材料。材料的厚度為2.5μm時SE能達到60 dB，彎折1000次后SE的影響較小，具有優秀的柔性。同時這種材料密度僅1.6 g·cm^-3，還具有抗菌、防水、透氣及在低電壓（1V）下產生良好的自加熱效果，是一種很有應用前景的多功能性超高效電磁屏蔽材料。

  隨著現代化電子工業的快速發展，電磁干擾（EMI）或輻射能夠影響電子器件本身的正常工作狀態或給生物體的健康帶來潛在的威脅，制備具有高EMI 屏蔽性能的電磁屏蔽材料迫為緊需。特別是隨著智慧照明和可穿戴設備的發展，迫切需要尺寸小、重量輕、柔韌性好、疏水性強、EMI屏蔽性能好的材料。基于納米材料（碳納米材料、MXene或金屬納米材料）優異的力、電性能及所具有的小尺寸大比表面積特征，有效的設計納米結構的宏觀構筑體，使其具有優秀的EMI屏蔽性能獲得了大量的關注。此外，在自支撐的EMI屏蔽材料中引入多孔狀結構，通過增加入射電磁波的在屏蔽材料內的反射次數(多重反射)可以有效提高屏蔽效能（SE），這種做法越來越受到人們的青睞。然而目前雖然多孔結構的EMI屏蔽材料電磁屏蔽性能優異，但其厚度達到了毫米甚至厘米級，而且機械性能差，柔韌性不足，嚴重阻礙了實際應用。

  本文研究人員基于以上現狀，結合靜電紡絲設備與化學鍍層，成功的制備出一種具有多孔結構的高導電性能的薄膜材料，用于電磁屏蔽性能。所使用的金屬納米纖維包括銅及銀納米纖維，所使用的聚合物包括尼龍納米纖維及PVDF微米纖維。其中，金屬包裹前后，尼龍納米纖維的平均直徑分別為84 nm和86 nm，金屬包裹的纖維結構對于薄膜的高電導性以及高EMI性能至關重要。薄膜的多孔結構，以及金屬和聚合物纖維之間的牢固結合，使得薄膜具有很高的抗機械變形能力和出色的可彎曲性。經過1000次彎曲后，薄膜電導率沒有變化，說明金屬層與尼龍納米纖維的粘合非常牢固。薄膜的溫度分布非常均勻，4×4 cm²的薄膜在1V的低壓下溫度可以達到30℃，非常適合用作戶外使用的柔性可穿戴電加熱器設備。包裹金屬后，薄膜接觸角從30°增加到110°，將親水膜轉變為疏水膜的同時還具有優秀的抗菌性能和透氣性。

圖1. 高交聯的金屬包裹纖維多孔膜。（a-c）微觀結構圖，（d）數碼圖片，（e-f）自加熱效果，金屬包裹前后（g-h）水接觸角及(i-j)抗菌效果（綠點對應活細菌，紅點對應死細菌）。

圖2. 高交聯的金屬包裹纖維多孔膜的EMI屏蔽性能。（a-c）X波段中的不同銅鍍層時間導致的X波段EMI屏蔽性能及電導率和密度，（d）X波段不同厚度薄膜的EMI屏蔽性能；（e）屏蔽機理示意圖，（f）不同厚度下實際測試與理論計算的屏蔽性能比較，（g）在超寬頻率范圍內薄膜的EMI性能，以及1000次彎曲前后薄膜在X波段的EMI性能；（h）5.0和2.5μm厚的銀包裹微孔膜的EMI性能；（i）不同厚度的銅包裹PVDF微孔膜的EMI性能。

圖3.金屬包裹多孔膜的EMI性能比較。（a）不同密度下材料SE/d的性能，（b）不同厚度下材料SSE性能。

  瑞士聯邦理工學院聯邦材料科學研究所曾志輝博士團隊，通訊作者為Jing Wang教授及Gustav Nystr?m博士，設計出一種質量輕、柔韌性好、超薄的金屬包裹納米纖維多孔狀薄膜，用于高效的EMI屏蔽材料。這種自支撐的材料厚度可達到1.2 μm，電導率達到7870 S·cm^-1，SE更是高達60dB，遠遠超出了業界要求的20 dB，而密度僅為1.6 g·cm^-3。經過1000次彎曲后，電導率及屏蔽性能影響較小，表現出優異的柔韌性和性能保持率。這種薄膜不僅EMI屏蔽性能優異，還具有抗菌、防水、透氣及低電壓下自加熱等多重功能特性，在智能及可穿戴設備中有廣泛應用。

  論文鏈接：Zhihui Zeng, Fuze Jiang, Yang Yue, Daxin Han, Luchan Lin, Shanyu Zhao, Yi-Bo Zhao, Zhengyuan Pan, Congju Li, Gustav Nystr?m,* and Jing Wang,*;  Flexible and Ultrathin Waterproof Cellular Membranes Based on High-Conjunction Metal-Wrapped Polymer Nanofibers for Electromagnetic Interference Shielding, Advanced Materials, 2020, 1908496.

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201908496

作者介紹：

  近年來，瑞士聯邦理工學院聯邦材料研究所曾志輝博士在多孔結構的電磁屏蔽材料的設計、制備、構筑及應用領域的研究不斷取得新的進展。通過探索對不同導電納米材料及高分子聚合物的制備工藝，開發了一系列多孔結構的電磁屏蔽材料，為該領域的研究提供了許多參考。這些相關的研究工作發表在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., ACS Nano, Small, ACS AMI, Carbon等著名國際前沿期刊，SCI論文引用900余次。