隨著現代電子通訊設備的持續發展以及電子器件的不斷集成化和小型化,電磁屏蔽材料在確保電子設備穩定運行,減少電磁輻射對人體的傷害等方面發揮越來越重要的作用。然而,商業化的金屬屏蔽材料易被腐蝕、密度較大;已報道的導電高分子復合材料又受到電導率較低,不耐極端環境條件等限制,難以滿足航天航空領域中電子器件對于電磁屏蔽材料的要求。因此,研發一種兼具輕量化、耐高低溫、耐熱沖擊且低成本的電磁屏蔽材料對確保航天航空電子器件的穩定運行具有重要意義。
復旦大學專用材料與裝備技術研究院葉明新/沈劍鋒團隊長期致力于應用在航天航空領域高性能復合材料的研究。針對上述挑戰,葉明新/沈劍鋒課題組在前期聚酰亞胺(PI)氣凝膠相關研究工作(Nature Communications, 2021, 12(1): 4092)的基礎上,提出了一種有望規模化的“浸漬熱壓”工藝,研發了一種極端條件下仍具有優異力學性能和電磁屏蔽性能的層狀多孔高性能PI/Ti3C2Tx復合薄膜材料。
相比于需要大量導電組分的傳統共混法制備的導電復合材料,該研究在單定向結構PI彈性氣凝膠的有序孔道中,通過浸漬法吸附一層二維導電Ti3C2Tx納米片,然后通過“真空熱壓”和“釋壓回彈”在薄膜內部構建層狀多孔的微結構(圖1)。在熱壓過程中,未被Ti3C2Tx納米片覆蓋的孔道內壁,在高溫和壓力作用下相互連接;被Ti3C2Tx納米片覆蓋的孔道內壁,在壓力釋放后,由于氣凝膠良好的彈性,孔道輕微回彈,從而在薄膜內部形成層狀多孔的微結構(圖2)。
圖1:PI/Ti3C2Tx復合薄膜材料的設計與制備流程。
圖2:PI/Ti3C2Tx復合薄膜材料的層狀多孔微結構與形成機理示意圖。
得益于PI本身優良的力學性能和耐熱/寒性能以及獨特的微結構設計,PI/Ti3C2Tx復合薄膜展現出良好的力學性能和電磁屏蔽性能。該薄膜材料密度僅為0.39 g/cm3,在-100 ℃,25 ℃和250 ℃條件下,拉伸強度均保持大于120 MPa;且從-70 ℃升溫到250 ℃時,復合薄膜的尺寸變化僅為0.5%,展現了輕量化的特性和良好的力學穩定性(圖3)。由于孔道內部連續化的導電通路,在Ti3C2Tx納米片含量僅為2.0 vol%時,其電導率就可達1.6×103 S/cm。得益于這種層狀多孔結構和連續化的導電通路,在薄膜厚度為90 μm時,其絕對電磁屏蔽效能可達15, 527 dB cm2 g-1, 實現了“少量導電填料高屏蔽效能”的設計思路。更重要的是,在濕熱、火燒、250 ℃高溫、-196 ℃低溫、溫差為446 ℃的快速循環熱沖擊等惡劣條件下處理后,仍能保持上述優異的電磁屏蔽性能,在應用環境惡劣的深空探索中展現出應用潛能。
圖3:PI/Ti3C2Tx復合薄膜的力學性能和尺寸穩定性。
圖4:PI/Ti3C2Tx復合薄膜電磁屏蔽性能與惡劣環境下的電磁屏蔽性能穩定性測試
以上相關成果以 “Hierarchically Porous Polyimide/Ti3C2Tx Film with Stable Electromagnetic Interference Shielding after Resisting Harsh Conditions”為題發表于Science Advances (2021; 7 : eabj1663) 。復旦大學材料科學系博士研究生程揚為第一作者;復旦大學專用材料與裝備技術研究院葉明新教授和沈劍鋒教授為通訊作者。復旦大學聚合物分子工程國家重點實驗室、東華大學纖維材料改性國家重點實驗室等單位合作參與了該項研究工作。
原文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj1663
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