新材料令电磁波辐射“闻风丧胆”

  随着电子工业的迅猛发展和电子设备的广泛应用，电磁波辐射被认为是继水污染、噪音污染、空气污染后的第四大公害。电子器件发射的高频电磁波不仅会导致电子器件的非正常运作，还能影响到人们的正常生活，甚至会威胁国家的军事机密。比如，高频电磁波辐射可以影响甚至破坏军事设备的敏感器件，使无线电通讯指挥系统、现代化武器作战平台失效或者失控。此外，电子设备发射的电磁波可能诱发某些疾病，如睡眠不足、头晕、呕吐，严重的可能诱发癌症、心血管疾病等。因此，电磁屏蔽/吸波材料的研究开发一直备受世界各国学术界和工业界的广泛关注。所谓的电磁屏蔽/吸波材料最重要的包含金属和高分子复合材料。传统的金属基电磁屏蔽材料存在密度大、结构设计困难等问题，并且应用也受到限制。可喜的是，聚合物/吸收剂复合材料具有很好的可设计性，可以部分解决金属基电磁屏蔽材料存在的技术瓶颈。其中，具有微发泡结构的聚合物基电磁屏蔽/吸波材料是近几年该领域的热点研究方向之一。理由是：泡孔结构不仅赋予电磁屏蔽/吸波材料轻质的优势，发泡过程产生的双向牵伸作用还有利于二次分散聚合物基体中的吸收剂。同时，泡孔结构的引入可以使进入材料的电磁波陷入“迷宫结构”中，从而显著地提升材料的电磁屏蔽效能，有很大效果预防材料的电磁泄漏。不过，聚合物树脂本身却并没有电磁屏蔽/吸波性能，一定要通过外加大量的吸收剂来实现，比如铁氧体类或者碳材料类等，但这些吸收剂均与聚合物基体不相容性，因此导致吸收剂不能被聚合物基体完全浸润。而对于聚合物复合材料发泡来说，大量吸收剂的添加不仅增加了基体中缺陷的数量，还增强了复合材料的刚度，而这直接引发大量的发泡剂不能用于材料的膨胀，因此，高填充聚合物复合材料发泡变得异常困难。作为大比表面的碳材料石墨烯拥有非常良好的电磁屏蔽/吸波性能。特别是采用CVD等方法制备的石墨烯性能几乎接近“完美”，与聚合物没有亲和性，且在聚合物基体中很难均匀分散。笔者所在的科研团队，通过调控氧化石墨中的可挥发物质的含量，成功实现了氧化石墨的低温常压剥离，制备了含有大量含氧基团的氧化石墨烯，并已成功申请中国发明专利。利用氧化石墨烯表面丰富的含氧基团，中科院宁波材料所的研究人员通过共混手段改善了氧化石墨烯在热塑性聚酰亚胺树脂中的分散，并通过相分离工艺成功在聚酰亚胺/氧化石墨烯复合材料中引入了均匀泡孔结构。研究人员发现，聚合物微发泡过程原位形成的拉伸作用不但有助于石墨烯的二次分散，还促进了石墨烯围绕泡孔结构可以进行取向。微发泡材料中氧化石墨烯的添加量可以高至10wt%，材料的密度为0.3g/cm3左右，材料在X波段的平均比电磁屏蔽效能为36.4dB/（g/cm3）。不过，研究人员也注意到，聚合物微发泡过程中，材料体积会增加，吸收剂体积会降低。而这直接损害了聚合物微发泡电磁屏蔽/吸波材料的效能。为了进一步解决以上问题，研究人员在石墨烯表面原位合成了纳米四氧化三铁，利用上述复合纳米材料的电磁匹配，成功制备了电磁屏蔽性能更为优异的聚酰亚胺微发泡电磁屏蔽材料，比电磁屏蔽效能由36.4 dB/（g/cm3）增加至41.5 dB/（g/cm3）。更为难得的是，复合纳米材料的电磁性能匹配特点使聚合物微发泡材料吸收更多的电磁波，而不是反射电磁波，这无疑再次降低了电磁波对环境的二次污染。未来，电子科技类产品的尺寸将越来越小、电子器件的集成度也会慢慢的高，这势必要求电子屏蔽/吸波材料朝着“质量轻、厚度薄、频段宽、吸收强”的方向发展。中科院宁波材料所研究人员利用聚合物微发泡技术成功开发了聚合物功能微发泡薄膜和功能微发泡板材材料。所使用的聚合物基体可以是高性能聚酰亚胺树脂，也可以是柔性聚氨酯热塑弹性体树脂。所开发的材料能够适用于雷达透波材料、手机电子支付吸波材料、吸波贴片、隐身结构功能一体化材料等多个新材料领域。