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  近日，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院聯(lián)邦材料科學(xué)研究所（EMPA）曾志輝（Zhihui Zeng）博士研究員團(tuán)隊(duì)（通訊作者為Jing Wang教授及Gustav Nystr?m博士）設(shè)計(jì)了一種金屬包裹的聚合物納米纖維多孔膜狀結(jié)構(gòu)，這種薄膜厚度只有數(shù)微米，卻有著優(yōu)異的電磁屏蔽性能：所制備材料的厚度低達(dá)1.2μm，兼具有優(yōu)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(dá)到232860 dB·cm²·g^-1，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有報(bào)道的自支撐的屏蔽材料。材料的厚度為2.5μm時(shí)SE能達(dá)到60 dB，彎折1000次后SE的影響較小，具有優(yōu)秀的柔性。同時(shí)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(chǎn)生良好的自加熱效果，是一種很有應(yīng)用前景的多功能性超高效電磁屏蔽材料。

  隨著現(xiàn)代化電子工業(yè)的快速發(fā)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(tài)或給生物體的健康帶來(lái)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(shè)備的發(fā)展，迫切需要尺寸小、重量輕、柔韌性好、疏水性強(qiáng)、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(yōu)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(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)的宏觀構(gòu)筑體，使其具有優(yōu)秀的EMI屏蔽性能獲得了大量的關(guān)注。此外，在自支撐的EMI屏蔽材料中引入多孔狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加入射電磁波的在屏蔽材料內(nèi)的反射次數(shù)(多重反射)可以有效提高屏蔽效能（SE），這種做法越來(lái)越受到人們的青睞。然而目前雖然多孔結(jié)構(gòu)的EMI屏蔽材料電磁屏蔽性能優(yōu)異，但其厚度達(dá)到了毫米甚至厘米級(jí)，而且機(jī)械性能差，柔韌性不足，嚴(yán)重阻礙了實(shí)際應(yīng)用。

  本文研究人員基于以上現(xiàn)狀，結(jié)合靜電紡絲設(shè)備與化學(xué)鍍層，成功的制備出一種具有多孔結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)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(jié)構(gòu)對(duì)于薄膜的高電導(dǎo)性以及高EMI性能至關(guān)重要。薄膜的多孔結(jié)構(gòu)，以及金屬和聚合物纖維之間的牢固結(jié)合，使得薄膜具有很高的抗機(jī)械變形能力和出色的可彎曲性。經(jīng)過(guò)1000次彎曲后，薄膜電導(dǎo)率沒(méi)有變化，說(shuō)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(dá)到30℃，非常適合用作戶外使用的柔性可穿戴電加熱器設(shè)備。包裹金屬后，薄膜接觸角從30°增加到110°，將親水膜轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷さ耐瑫r(shí)還具有優(yōu)秀的抗菌性能和透氣性。

圖1. 高交聯(lián)的金屬包裹纖維多孔膜。（a-c）微觀結(jié)構(gòu)圖，（d）數(shù)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(diǎn)對(duì)應(yīng)活細(xì)菌，紅點(diǎn)對(duì)應(yīng)死細(xì)菌）。

圖2. 高交聯(lián)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(shí)間導(dǎo)致的X波段EMI屏蔽性能及電導(dǎo)率和密度，（d）X波段不同厚度薄膜的EMI屏蔽性能；（e）屏蔽機(jī)理示意圖，（f）不同厚度下實(shí)際測(cè)試與理論計(jì)算的屏蔽性能比較，（g）在超寬頻率范圍內(nèi)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(lián)邦理工學(xué)院聯(lián)邦材料科學(xué)研究所曾志輝博士團(tuán)隊(duì)，通訊作者為Jing Wang教授及Gustav Nystr?m博士，設(shè)計(jì)出一種質(zhì)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(dá)到1.2 μm，電導(dǎo)率達(dá)到7870 S·cm^-1，SE更是高達(dá)60dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了業(yè)界要求的20 dB，而密度僅為1.6 g·cm^-3。經(jīng)過(guò)1000次彎曲后，電導(dǎo)率及屏蔽性能影響較小，表現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性和性能保持率。這種薄膜不僅EMI屏蔽性能優(yōu)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(shè)備中有廣泛應(yīng)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(lái)，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院聯(lián)邦材料研究所曾志輝博士在多孔結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽材料的設(shè)計(jì)、制備、構(gòu)筑及應(yīng)用領(lǐng)域的研究不斷取得新的進(jìn)展。通過(guò)探索對(duì)不同導(dǎo)電納米材料及高分子聚合物的制備工藝，開發(fā)了一系列多孔結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽材料，為該領(lǐng)域的研究提供了許多參考。這些相關(guān)的研究工作發(fā)表在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., ACS Nano, Small, ACS AMI, Carbon等著名國(guó)際前沿期刊，SCI論文引用900余次。