在當(dāng)代社會(huì)，便攜式電子設(shè)備的普及和第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）的到來(lái)，使得電磁（EM）輻射逐漸成為日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，具有極其重要的意義。因此，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)高性能的電磁干擾（EMI）屏蔽材料已成為當(dāng)前的迫切 需求。導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料因其重量輕、易成型和抗腐蝕等特性，在電磁保護(hù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，在當(dāng)今數(shù)字設(shè)備快速更新的背景下，被替換的電子設(shè)備被廣泛丟棄，變成了“電子垃圾”。此外，全球經(jīng)濟(jì)共識(shí)強(qiáng)調(diào)環(huán)境友好性，并承認(rèn)可持續(xù)發(fā)展的必要性。因此，研究和開(kāi)發(fā)可回收和可生物降解的EMI屏蔽復(fù)合材料，預(yù)計(jì)將成為未來(lái)電磁保護(hù)領(lǐng)域的主要焦點(diǎn)。
傳統(tǒng)的EMI屏蔽復(fù)合材料存在填充物重疊 不充分的問(wèn)題，需要大量的填充物含量才能達(dá)到超過(guò)50 dB的高EMI屏蔽效能（SE），這往往會(huì)對(duì)復(fù)合材料的機(jī)械性能產(chǎn)生不利影響。最近，多種新型導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，如隔離結(jié)構(gòu)、雙滲流結(jié)構(gòu)和三明治結(jié)構(gòu)，被用于減少填充物含量并增強(qiáng)復(fù)合材料的EMI SE。然而，這些復(fù)合材料主要通過(guò)將電磁波反射到外層空間來(lái)阻擋電磁波，這不可避免地會(huì)導(dǎo)致二次污染。通過(guò)精心設(shè)計(jì)包含 磁性納米粒子的層狀結(jié)構(gòu)，并結(jié)合導(dǎo)電填料，可以實(shí)現(xiàn)一種獨(dú)特的微波衰減機(jī)制。當(dāng)與各種吸收和反射層的系統(tǒng)調(diào)整相結(jié)合時(shí)，有望克服在保持低反射率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高EMI SE的挑戰(zhàn)。
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圖1 a PBAT-Fe?O?@MWCNTs微球的合成示意圖；b PBAT-Fe?O?@MWCNTs/Ni/Ag復(fù)合泡沫材料的制備示意圖
解析與關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)說(shuō)明：
材料成分
PBAT：全稱聚對(duì)苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（Polybutylene Adipate Terephthalate），一種生物可降解聚酯，常用于環(huán)保材料開(kāi)發(fā)。
Fe?O?：四氧化三鐵（磁鐵礦），具有磁性功能，可用于增強(qiáng)材料機(jī)械性能或?qū)崿F(xiàn)外部磁場(chǎng)響應(yīng)。
MWCNTs：多壁碳納米管（Multi-Walled Carbon Nanotubes），高比表面積、導(dǎo)電性和力學(xué)強(qiáng)度，常用于復(fù)合材料改性。
Ni/Ag：鎳/銀雙金屬鍍層，可能用于提升導(dǎo)電性、抗菌性或催化性能。
工藝流程解析
a部分（微球合成）：
可能涉及聚合物載體（PBAT）與Fe?O?@MWCNTs的復(fù)合過(guò)程，例如通過(guò)乳化溶劑揮發(fā)法、懸浮聚合或噴霧干燥法形成微球結(jié)構(gòu)。
b部分（復(fù)合泡沫制備）：
推測(cè)為將微球與Ni/Ag鍍層結(jié)合，通過(guò)化學(xué)鍍、電沉積或物理混合后發(fā)泡（如超臨界CO?發(fā)泡、化學(xué)發(fā)泡劑分解）形成多孔泡沫材料。
技術(shù)邏輯關(guān)聯(lián)性
微球功能：Fe?O?賦予磁性，MWCNTs增強(qiáng)力學(xué)/導(dǎo)電性，微球形態(tài)便于后續(xù)均勻分散。
泡沫復(fù)合：Ni/Ag鍍層可能通過(guò)化學(xué)鍍實(shí)現(xiàn)表面功能化，最終材料或應(yīng)用于電磁屏蔽、柔性傳感器、催化載體等場(chǎng)景。
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圖2 PBAT-Fe3O4@MWCNTs微球的SEM圖像：
a 含5 wt% Fe3O4@MWCNTs；
b 含10 wt% Fe3O4@MWCNTs；
c 含15 wt% Fe3O4@MWCNTs；
d–f 不同放大倍數(shù)下PBAT-Fe3O4@MWCNTs/Ni微球的形貌；
g 對(duì)應(yīng)圖d的微球EDS能譜面掃；
h Fe3O4@MWCNTs納米顆粒和PBAT-Fe3O4@MWCNTs/Ni微球的XPS能譜；
i Fe3O4@MWCNTs納米顆粒和復(fù)合微球的磁化曲線；
j 微球在無(wú)磁場(chǎng)和有磁場(chǎng)作用下的分散狀態(tài)，以及樣品在磁鐵作用下的響應(yīng)行為。
解析：
此圖及相關(guān)分析反映了復(fù)合微球的形貌、成分、磁性能及功能性表現(xiàn)，具體可拆解為以下研究?jī)?nèi)容：
1、Fe3O4@MWCNTs含量對(duì)微球形貌的影響（a–c）
通過(guò)掃描電鏡（SEM）觀測(cè)不同F(xiàn)e3O4@MWCNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)（5%、10%、15%）的PBAT基微球表面形貌。
可推測(cè)填料的含量是否會(huì)影響微球結(jié)構(gòu)的均勻性、團(tuán)聚現(xiàn)象或分散狀態(tài)。
2、磁性微球的形態(tài)分析（d–f）
在高倍SEM下觀察引入鎳（Ni）粒子的PBAT-Fe3O4@MWCNTs/Ni微球結(jié)構(gòu)，可能與導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建或磁性增強(qiáng)相關(guān)。
3、微球成分與化學(xué)態(tài)驗(yàn)證（g–h）
EDS面掃（g）用于確認(rèn)微球表面元素分布（如Ni是否均勻包覆）。
XPS能譜（h）對(duì)比原始Fe3O4@MWCNTs和復(fù)合微球的表面化學(xué)鍵合狀態(tài)，驗(yàn)證改性是否改變材料化學(xué)特性。
4、磁性能研究（i–j）
磁化曲線（i）反映Fe3O4@MWCNTs和復(fù)合微球的飽和磁化強(qiáng)度，驗(yàn)證材料的磁性是否滿足功能性需求。
磁場(chǎng)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)（j）通過(guò)對(duì)比磁場(chǎng)作用前后的微球分散及聚集行為，直觀說(shuō)明材料的磁性可控性，暗示其潛在應(yīng)用（如靶向運(yùn)輸或自修復(fù)功能）。
意義總結(jié)：
該系列表征通過(guò)微觀形貌與宏觀性能的結(jié)合，系統(tǒng)性展示了磁性納米復(fù)合微球的結(jié)構(gòu)可控性、成分有效性及功能實(shí)用性，為電磁屏蔽材料設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
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圖3 F-PF/Ni/Ag復(fù)合泡沫材料的SEM圖像：
a 含5 wt% Fe?O?@MWCNTs；
b 含10 wt% Fe?O?@MWCNTs；
c 含15 wt% Fe?O?@MWCNTs；
d–f 復(fù)合泡沫中Ni顆粒的分散狀態(tài)；
g–i 復(fù)合泡沫中Ag層的分散狀態(tài)。
解析：
此圖及相關(guān)描述聚焦于復(fù)合泡沫的微觀結(jié)構(gòu)、填料分布及金屬層的界面特性，具體可分為以下研究維度：
1、Fe?O?@MWCNTs含量對(duì)泡沫形貌的影響（a–c）
通過(guò)SEM觀測(cè)不同F(xiàn)e?O?@MWCNTs含量（5%、10%、15%）的復(fù)合泡沫孔結(jié)構(gòu)，可能涉及：
微孔均勻性：填料含量是否影響泡孔尺寸、分布密度及連通性。
填料-基體界面結(jié)合：高填料含量下是否存在團(tuán)聚現(xiàn)象，從而影響泡沫機(jī)械強(qiáng)度或電磁性能。
2、Ni顆粒的分散特性（d–f）
展示Ni顆粒在泡沫基體中的分散狀態(tài)：
均勻性評(píng)估：是否形成連續(xù)的導(dǎo)電/磁性網(wǎng)絡(luò)，這對(duì)電磁波吸收（磁損耗）和屏蔽效能（導(dǎo)電通路）至關(guān)重要。
界面相互作用：Ni顆粒是否與基體或Fe?O?@MWCNTs形成穩(wěn)定結(jié)合，影響材料長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
3、Ag層的分布與覆蓋效果（g–i）
表征Ag層（可能為表面鍍層或內(nèi)部導(dǎo)電層）的分布特點(diǎn)：
覆蓋連續(xù)性：Ag層是否完整覆蓋泡沫表面，決定了其作為反射層的有效性（高電導(dǎo)率可反射電磁波）。
厚度與形貌：Ag層的厚度和微觀形貌（如顆粒大小、堆疊方式）可能影響復(fù)合材料的介電損耗能力。
意義總結(jié)：
該系列SEM圖像揭示了填料含量對(duì)泡沫結(jié)構(gòu)的影響以及金屬組分（Ni、Ag）的分散狀態(tài)，核心在于驗(yàn)證材料的“多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”是否實(shí)現(xiàn)：
1、磁-電協(xié)同機(jī)制：Fe?O?@MWCNTs與Ni提供磁損耗，Ag層提供介電損耗，形成多層次電磁波衰減路徑。
2、結(jié)構(gòu)-功能關(guān)聯(lián)：微孔結(jié)構(gòu)通過(guò)多重反射增強(qiáng)吸收，Ag層則通過(guò)高反射率減少透射，共同達(dá)成“吸收為主、反射為輔”的低反射屏蔽特性。
此類分析為電磁屏蔽材料中“梯度化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”提供了微觀證據(jù)，支持文獻(xiàn)提出的高效EMI屏蔽性能結(jié)論。
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圖4
a F-PF15/Ni/Ag復(fù)合材料頂部和底部表面的電導(dǎo)率；
b–c 不同F(xiàn)e?O?@MWCNTs含量的S-PF/Ni/Ag和F-PF/Ni/Ag復(fù)合材料的電磁屏蔽效能（EMI SE）；
d–e 不同厚度的S-PF/Ni/Ag和F-PF/Ni/Ag復(fù)合材料的EMI SE；
f–g 不同F(xiàn)e?O?@MWCNTs含量的S-PF/Ni/Ag和F-PF/Ni/Ag復(fù)合材料的平均屏蔽效能值（SE）；
h–i 不同厚度的S-PF/Ni/Ag和F-PF/Ni/Ag復(fù)合材料的平均SE值。
解析：
此圖通過(guò)電導(dǎo)率、屏蔽效能與材料組分/厚度的關(guān)聯(lián)性分析，系統(tǒng)驗(yàn)證了復(fù)合材料的電磁屏蔽性能優(yōu)化路徑，具體可分為以下研究維度：
1. 層狀結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率差異（a）
上下表面電導(dǎo)率對(duì)比：F-PF15/Ni/Ag復(fù)合材料頂部和底部的電導(dǎo)率差異，可能反映其層狀設(shè)計(jì)中Ag層的引入（如頂部鍍銀），通過(guò)高導(dǎo)電層增強(qiáng)反射能力，而底部依賴磁性/導(dǎo)電填料的吸收能力，形成“吸收-反射”協(xié)同屏蔽機(jī)制。
2. 填料含量對(duì)屏蔽效能的影響（b–c, f–g）
Fe?O?@MWCNTs含量與SE的關(guān)系：
填料含量增加可能提升材料的導(dǎo)電性（降低阻抗）和磁損耗能力，從而提高整體SE值。
對(duì)比S-PF（無(wú)發(fā)泡結(jié)構(gòu)）與F-PF（發(fā)泡結(jié)構(gòu)）的SE差異，可驗(yàn)證微孔結(jié)構(gòu)通過(guò)多重反射/散射對(duì)電磁波吸收的增強(qiáng)作用。
3. 厚度對(duì)屏蔽效能的調(diào)控（d–e, h–i）
厚度依賴性：SE隨厚度增加而上升，符合電磁波在材料中衰減的指數(shù)規(guī)律（SE∝t
）。
結(jié)合發(fā)泡與非發(fā)泡結(jié)構(gòu)的對(duì)比，進(jìn)一步證明微孔結(jié)構(gòu)在降低材料密度（輕量化）的同時(shí)，仍能通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保持高SE。
4. 發(fā)泡與非發(fā)泡性能對(duì)比（f–i）
發(fā)泡結(jié)構(gòu)（F-PF）的優(yōu)勢(shì)：
微孔誘導(dǎo)的多次反射延長(zhǎng)電磁波傳播路徑，增強(qiáng)吸收效應(yīng)；
與Ag層結(jié)合可減少直接反射（低反射率），符合“吸收為主”的綠色屏蔽理念。
非發(fā)泡結(jié)構(gòu)（S-PF）的局限性：高密度材料雖可通過(guò)高填料含量提升SE，但可能導(dǎo)致反射率高、材料笨重等問(wèn)題。
意義總結(jié)：
該圖通過(guò)多參數(shù)關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)，明確了層狀設(shè)計(jì)、填料含量、厚度及發(fā)泡結(jié)構(gòu)對(duì)電磁屏蔽效能的綜合作用機(jī)制：
輕量化與高效能的平衡：微孔結(jié)構(gòu)在降低密度的同時(shí)，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)維持高SE，滿足便攜設(shè)備對(duì)輕質(zhì)屏蔽材料的需求。
屏蔽機(jī)制的可控性：Ag層與磁性填料的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)了“吸收-反射”功能分區(qū)，而發(fā)泡結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化電磁波衰減路徑，最終達(dá)成文獻(xiàn)提出的“低反射、高吸收”特性。
此數(shù)據(jù)體系為電磁屏蔽復(fù)合材料的性能優(yōu)化和工程化應(yīng)用提供了關(guān)鍵支撐。
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圖5
a 不同F(xiàn)e?O?@MWCNTs含量（1.8 mm厚度）的S-PF/Ni/Ag和F-PF/Ni/Ag復(fù)合材料的功率平衡；
b 不同厚度（Fe?O?@MWCNTs含量15 wt%）的S-PF/Ni/Ag和F-PF/Ni/Ag復(fù)合材料的功率平衡；
c F-PF/Ni/Ag復(fù)合材料在75%應(yīng)變壓縮實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；
d F-PF/Ni/Ag復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和模量；
e 在100 g砝碼壓力下經(jīng)過(guò)500次剝離實(shí)驗(yàn)前后，S-PF/Ni/Ag復(fù)合材料的電磁屏蔽效能（EMI SE）；
f 在相同條件下F-PF/Ni/Ag復(fù)合材料的EMI SE變化。
解析：
此圖綜合展示了復(fù)合材料的電磁能量分配機(jī)制、力學(xué)性能及耐久性，研究要點(diǎn)如下：
1. 功率平衡與材料參數(shù)的關(guān)聯(lián)性（a–b）
*功率平衡（Power Balance）：反映電磁波入射能量（Pinc）在材料中被吸收（A）、反射（R）和透射（T）的占比，即A+R+T=100%。
*填料含量影響（a）：Fe?O?@MWCNTs含量增加可能通過(guò)增強(qiáng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（提升反射R）和磁損耗（提升吸收A），優(yōu)化能量分配。
*厚度影響（b）：厚度增加延長(zhǎng)電磁波傳播路徑，導(dǎo)致吸收率A上升（多次反射衰減），透射率T降低。
*S-PF（非發(fā)泡）與F-PF（發(fā)泡）對(duì)比：發(fā)泡結(jié)構(gòu)的微孔誘導(dǎo)多重散射，可能進(jìn)一步增強(qiáng)吸收效率，降低反射率。
2. 力學(xué)性能評(píng)估（c–d）
*應(yīng)力-應(yīng)變曲線（c）：曲線形狀反映材料的壓縮形變行為，例如彈性階段、塑性屈服或斷裂點(diǎn)，判斷材料是否具有柔性或剛性特征。
*抗壓強(qiáng)度與模量（d）：定量表征材料抗變形能力（強(qiáng)度）和剛性（模量），驗(yàn)證其能否滿足實(shí)際應(yīng)用中的機(jī)械負(fù)載需求。
3. EMI屏蔽效能的耐久性（e–f）
剝離實(shí)驗(yàn)前后SE變化：
*S-PF性能下降（e）：若屏蔽層（如Ag涂層）因機(jī)械剝離發(fā)生脫落，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)破壞，SE顯著降低。
*F-PF穩(wěn)定性（f）：發(fā)泡結(jié)構(gòu)可能通過(guò)增強(qiáng)界面結(jié)合力（如Ag層與多孔基體的錨定效應(yīng)）抵御機(jī)械損傷，維持高SE。
意義總結(jié)：
此圖通過(guò)多維度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示了復(fù)合材料的核心性能指標(biāo)：
屏蔽機(jī)制優(yōu)化：通過(guò)調(diào)控填料含量和厚度，實(shí)現(xiàn)電磁能量以吸收為主導(dǎo)的高效分配（低反射、高吸收），契合綠色屏蔽需求。
輕量化與強(qiáng)韌化的平衡：發(fā)泡結(jié)構(gòu)在降低密度的同時(shí)，兼具優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度和界面穩(wěn)定性，滿足電子設(shè)備對(duì)輕質(zhì)、耐用屏蔽材料的需求。
實(shí)際應(yīng)用可靠性：剝離實(shí)驗(yàn)證明材料在長(zhǎng)期機(jī)械應(yīng)力下的性能穩(wěn)定性，為其在柔性電子、可穿戴設(shè)備等場(chǎng)景的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。
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圖6
a 復(fù)合泡沫材料內(nèi)部的電磁波耗散機(jī)制示意圖；
b 本工作與文獻(xiàn)已報(bào)道的電磁屏蔽材料的電磁屏蔽效能（EMI SE）與反射率（R值）對(duì)比。
解析：
此圖通過(guò)屏蔽機(jī)制理論模型和性能對(duì)標(biāo)分析，闡明了復(fù)合泡沫材料的創(chuàng)新性與技術(shù)優(yōu)勢(shì)，核心解析如下：
1. 電磁波耗散機(jī)制解析（a）
多級(jí)衰減路徑：
*多重反射：泡沫微孔結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)電磁波傳播路徑，促進(jìn)其在孔壁（含導(dǎo)電/磁性填料）間的多次反射，增強(qiáng)能量吸收。
*吸收-反射協(xié)同：
磁性損耗：Fe?O?@MWCNTs和Ni顆粒通過(guò)磁滯損耗、渦流損耗消耗電磁能；
介電損耗：Ag層和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)通過(guò)界面極化、電導(dǎo)損耗衰減電磁波；
阻抗匹配：多孔結(jié)構(gòu)降低材料表面阻抗，減少初始反射（低R值），使更多電磁波進(jìn)入材料內(nèi)部被吸收。
2. 性能對(duì)標(biāo)與突破性分析（b）
*高SE-低R的平衡：本研究的復(fù)合泡沫數(shù)據(jù)點(diǎn)（紅點(diǎn)）位于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的高SE（＞50 dB）且低R（＜0.3）區(qū)域，表明其突破傳統(tǒng)屏蔽材料“高屏蔽依賴高反射”的局限，實(shí)現(xiàn)“吸收主導(dǎo)型”屏蔽。
*關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)：
輕量化與高效能統(tǒng)一：微孔結(jié)構(gòu)降低材料密度，同時(shí)通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保持高SE，優(yōu)于傳統(tǒng)致密金屬或碳基復(fù)合材料。
環(huán)保屏蔽特性：低反射率（R值）減少電磁二次污染，符合綠色電子設(shè)備需求。
文獻(xiàn)對(duì)照意義：與石墨烯氣凝膠、金屬箔/泡沫等材料對(duì)比，突顯本工作中多組分（磁性、導(dǎo)電、發(fā)泡）協(xié)同設(shè)計(jì)的性能優(yōu)勢(shì)。
意義總結(jié)：
圖6通過(guò)機(jī)理與數(shù)據(jù)的雙重論證，揭示了復(fù)合泡沫材料的電磁屏蔽性能提升路徑及其工程應(yīng)用潛力：
機(jī)制創(chuàng)新：多孔結(jié)構(gòu)聯(lián)合磁-電填料的分級(jí)設(shè)計(jì)，為“寬頻帶、低反射”屏蔽材料提供了新思路。
技術(shù)對(duì)標(biāo)價(jià)值：性能數(shù)據(jù)超越現(xiàn)有文獻(xiàn)標(biāo)桿，驗(yàn)證了該材料在航空航天、柔性電子等領(lǐng)域替代傳統(tǒng)屏蔽材料的可行性。
總之，我們通過(guò)隔離網(wǎng)絡(luò)和scCO?發(fā)泡的集成設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了具有高屏蔽效率和低反射率的層狀結(jié)構(gòu)PBAT/Fe?O?@MWCNTs/Ni/Ag復(fù)合泡沫材料。隔離導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)由通過(guò)相分離技術(shù)合成的PBAT/Fe?O?@MWCNTs微球上的重疊鎳粒子組成，而附著在復(fù)合材料頂部的銀 層則構(gòu)成了獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)。Fe?O?@MWCNTs納米粒子和微孔結(jié)構(gòu)促進(jìn)了磁損耗和電磁波的多重反射吸收，從而增強(qiáng)了微波的衰減。同時(shí)，銀粒子層主要控制介電損耗。上述效應(yīng)有機(jī)地結(jié)合了多種損耗模式，形成了“吸收-反射-再吸收”的EMI屏蔽機(jī)制。研究結(jié)果表明，所提出的復(fù)合泡沫材料平均EMI SE可達(dá)68.0 dB，反射率僅為23%。此外，這些復(fù)合泡沫材料即使在經(jīng)過(guò)500次粘附實(shí)驗(yàn)后，仍表現(xiàn)出強(qiáng)大的EMI屏蔽性能。本研究 為開(kāi)發(fā)具有可靠高吸收率和高效EMI SE性能的EMI屏蔽材料提供了一種巧妙的策略。https://doi.org/10.1007/s40820-023-01246-8
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
