在當代社會，便攜式電子設備的普及和第五代移動通信技術（5G）的到來，使得電磁（EM）輻射逐漸成為日益嚴重的環境問題，具有極其重要的意義。因此，設計和開發高性能的電磁干擾（EMI）屏蔽材料已成為當前的迫切 需求。導電聚合物復合材料因其重量輕、易成型和抗腐蝕等特性，在電磁保護領域得到廣泛應用。然而，在當今數字設備快速更新的背景下，被替換的電子設備被廣泛丟棄，變成了“電子垃圾”。此外，全球經濟共識強調環境友好性，并承認可持續發展的必要性。因此，研究和開發可回收和可生物降解的EMI屏蔽復合材料，預計將成為未來電磁保護領域的主要焦點。
傳統的EMI屏蔽復合材料存在填充物重疊 不充分的問題，需要大量的填充物含量才能達到超過50 dB的高EMI屏蔽效能（SE），這往往會對復合材料的機械性能產生不利影響。最近，多種新型導電網絡設計，如隔離結構、雙滲流結構和三明治結構，被用于減少填充物含量并增強復合材料的EMI SE。然而，這些復合材料主要通過將電磁波反射到外層空間來阻擋電磁波，這不可避免地會導致二次污染。通過精心設計包含 磁性納米粒子的層狀結構，并結合導電填料，可以實現一種獨特的微波衰減機制。當與各種吸收和反射層的系統調整相結合時，有望克服在保持低反射率的同時實現高EMI SE的挑戰。
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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復合泡沫材料的制備示意圖
解析與關鍵術語說明：
材料成分
PBAT：全稱聚對苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（Polybutylene Adipate Terephthalate），一種生物可降解聚酯，常用于環保材料開發。
Fe?O?：四氧化三鐵（磁鐵礦），具有磁性功能，可用于增強材料機械性能或實現外部磁場響應。
MWCNTs：多壁碳納米管（Multi-Walled Carbon Nanotubes），高比表面積、導電性和力學強度，常用于復合材料改性。
Ni/Ag：鎳/銀雙金屬鍍層，可能用于提升導電性、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的復合過程，例如通過乳化溶劑揮發法、懸浮聚合或噴霧干燥法形成微球結構。
b部分（復合泡沫制備）：
推測為將微球與Ni/Ag鍍層結合，通過化學鍍、電沉積或物理混合后發泡（如超臨界CO?發泡、化學發泡劑分解）形成多孔泡沫材料。
技術邏輯關聯性
微球功能：Fe?O?賦予磁性，MWCNTs增強力學/導電性，微球形態便于后續均勻分散。
泡沫復合：Ni/Ag鍍層可能通過化學鍍實現表面功能化，最終材料或應用于電磁屏蔽、柔性傳感器、催化載體等場景。
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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 不同放大倍數下PBAT-Fe3O4@MWCNTs/Ni微球的形貌；
g 對應圖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納米顆粒和復合微球的磁化曲線；
j 微球在無磁場和有磁場作用下的分散狀態，以及樣品在磁鐵作用下的響應行為。
解析：
此圖及相關分析反映了復合微球的形貌、成分、磁性能及功能性表現，具體可拆解為以下研究內容：
1、Fe3O4@MWCNTs含量對微球形貌的影響（a–c）
通過掃描電鏡（SEM）觀測不同Fe3O4@MWCNTs質量分數（5%、10%、15%）的PBAT基微球表面形貌。
可推測填料的含量是否會影響微球結構的均勻性、團聚現象或分散狀態。
2、磁性微球的形態分析（d–f）
在高倍SEM下觀察引入鎳（Ni）粒子的PBAT-Fe3O4@MWCNTs/Ni微球結構，可能與導電網絡構建或磁性增強相關。
3、微球成分與化學態驗證（g–h）
EDS面掃（g）用于確認微球表面元素分布（如Ni是否均勻包覆）。
XPS能譜（h）對比原始Fe3O4@MWCNTs和復合微球的表面化學鍵合狀態，驗證改性是否改變材料化學特性。
4、磁性能研究（i–j）
磁化曲線（i）反映Fe3O4@MWCNTs和復合微球的飽和磁化強度，驗證材料的磁性是否滿足功能性需求。
磁場響應實驗（j）通過對比磁場作用前后的微球分散及聚集行為，直觀說明材料的磁性可控性，暗示其潛在應用（如靶向運輸或自修復功能）。
意義總結：
該系列表征通過微觀形貌與宏觀性能的結合，系統性展示了磁性納米復合微球的結構可控性、成分有效性及功能實用性，為電磁屏蔽材料設計提供了關鍵實驗證據。
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圖3 F-PF/Ni/Ag復合泡沫材料的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 復合泡沫中Ni顆粒的分散狀態；
g–i 復合泡沫中Ag層的分散狀態。
解析：
此圖及相關描述聚焦于復合泡沫的微觀結構、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含量對泡沫形貌的影響（a–c）
通過SEM觀測不同Fe?O?@MWCNTs含量（5%、10%、15%）的復合泡沫孔結構，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-基體界面結合：高填料含量下是否存在團聚現象，從而影響泡沫機械強度或電磁性能。
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：
均勻性評估：是否形成連續的導電/磁性網絡，這對電磁波吸收（磁損耗）和屏蔽效能（導電通路）至關重要。
界面相互作用：Ni顆粒是否與基體或Fe?O?@MWCNTs形成穩定結合，影響材料長期穩定性。
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部導電層）的分布特點：
覆蓋連續性：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）可能影響復合材料的介電損耗能力。
意義總結：
該系列SEM圖像揭示了填料含量對泡沫結構的影響以及金屬組分（Ni、Ag）的分散狀態，核心在于驗證材料的“多級結構設計”是否實現：
1、磁-電協同機制：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、結構-功能關聯：微孔結構通過多重反射增強吸收，Ag層則通過高反射率減少透射，共同達成“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“梯度化結構設計”提供了微觀證據，支持文獻提出的高效EMI屏蔽性能結論。
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圖4
a F-PF15/Ni/Ag復合材料頂部和底部表面的電導率；
b–c 不同Fe?O?@MWCNTs含量的S-PF/Ni/Ag和F-PF/Ni/Ag復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復合材料的EMI SE；
f–g 不同Fe?O?@MWCNTs含量的S-PF/Ni/Ag和F-PF/Ni/Ag復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復合材料的平均SE值。
解析：
此圖通過電導率、屏蔽效能與材料組分/厚度的關聯性分析，系統驗證了復合材料的電磁屏蔽性能優化路徑，具體可分為以下研究維度：
1. 層狀結構的電導率差異（a）
上下表面電導率對比：F-PF15/Ni/Ag復合材料頂部和底部的電導率差異，可能反映其層狀設計中Ag層的引入（如頂部鍍銀），通過高導電層增強反射能力，而底部依賴磁性/導電填料的吸收能力，形成“吸收-反射”協同屏蔽機制。
2. 填料含量對屏蔽效能的影響（b–c, f–g）
Fe?O?@MWCNTs含量與SE的關系：
填料含量增加可能提升材料的導電性（降低阻抗）和磁損耗能力，從而提高整體SE值。
對比S-PF（無發泡結構）與F-PF（發泡結構）的SE差異，可驗證微孔結構通過多重反射/散射對電磁波吸收的增強作用。
3. 厚度對屏蔽效能的調控（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規律（SE∝t
）。
結合發泡與非發泡結構的對比，進一步證明微孔結構在降低材料密度（輕量化）的同時，仍能通過結構設計保持高SE。
4. 發泡與非發泡性能對比（f–i）
發泡結構（F-PF）的優勢：
微孔誘導的多次反射延長電磁波傳播路徑，增強吸收效應；
與Ag層結合可減少直接反射（低反射率），符合“吸收為主”的綠色屏蔽理念。
非發泡結構（S-PF）的局限性：高密度材料雖可通過高填料含量提升SE，但可能導致反射率高、材料笨重等問題。
意義總結：
該圖通過多參數關聯實驗，明確了層狀設計、填料含量、厚度及發泡結構對電磁屏蔽效能的綜合作用機制：
輕量化與高效能的平衡：微孔結構在降低密度的同時，通過結構設計維持高SE，滿足便攜設備對輕質屏蔽材料的需求。
屏蔽機制的可控性：Ag層與磁性填料的協同作用實現了“吸收-反射”功能分區，而發泡結構進一步優化電磁波衰減路徑，最終達成文獻提出的“低反射、高吸收”特性。
此數據體系為電磁屏蔽復合材料的性能優化和工程化應用提供了關鍵支撐。
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圖5
a 不同Fe?O?@MWCNTs含量（1.8 mm厚度）的S-PF/Ni/Ag和F-PF/Ni/Ag復合材料的功率平衡；
b 不同厚度（Fe?O?@MWCNTs含量15 wt%）的S-PF/Ni/Ag和F-PF/Ni/Ag復合材料的功率平衡；
c F-PF/Ni/Ag復合材料在75%應變壓縮實驗中的應力-應變曲線；
d F-PF/Ni/Ag復合材料的抗壓強度和模量；
e 在100 g砝碼壓力下經過500次剝離實驗前后，S-PF/Ni/Ag復合材料的電磁屏蔽效能（EMI SE）；
f 在相同條件下F-PF/Ni/Ag復合材料的EMI SE變化。
解析：
此圖綜合展示了復合材料的電磁能量分配機制、力學性能及耐久性，研究要點如下：
1. 功率平衡與材料參數的關聯性（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含量增加可能通過增強導電網絡（提升反射R）和磁損耗（提升吸收A），優化能量分配。
*厚度影響（b）：厚度增加延長電磁波傳播路徑，導致吸收率A上升（多次反射衰減），透射率T降低。
*S-PF（非發泡）與F-PF（發泡）對比：發泡結構的微孔誘導多重散射，可能進一步增強吸收效率，降低反射率。
2. 力學性能評估（c–d）
*應力-應變曲線（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，判斷材料是否具有柔性或剛性特征。
*抗壓強度與模量（d）：定量表征材料抗變形能力（強度）和剛性（模量），驗證其能否滿足實際應用中的機械負載需求。
3. EMI屏蔽效能的耐久性（e–f）
剝離實驗前后SE變化：
*S-PF性能下降（e）：若屏蔽層（如Ag涂層）因機械剝離發生脫落，會導致導電網絡破壞，SE顯著降低。
*F-PF穩定性（f）：發泡結構可能通過增強界面結合力（如Ag層與多孔基體的錨定效應）抵御機械損傷，維持高SE。
意義總結：
此圖通過多維度實驗數據揭示了復合材料的核心性能指標：
屏蔽機制優化：通過調控填料含量和厚度，實現電磁能量以吸收為主導的高效分配（低反射、高吸收），契合綠色屏蔽需求。
輕量化與強韌化的平衡：發泡結構在降低密度的同時，兼具優異的抗壓強度和界面穩定性，滿足電子設備對輕質、耐用屏蔽材料的需求。
實際應用可靠性：剝離實驗證明材料在長期機械應力下的性能穩定性，為其在柔性電子、可穿戴設備等場景的應用提供數據支持。
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圖6
a 復合泡沫材料內部的電磁波耗散機制示意圖；
b 本工作與文獻已報道的電磁屏蔽材料的電磁屏蔽效能（EMI SE）與反射率（R值）對比。
解析：
此圖通過屏蔽機制理論模型和性能對標分析，闡明了復合泡沫材料的創新性與技術優勢，核心解析如下：
1. 電磁波耗散機制解析（a）
多級衰減路徑：
*多重反射：泡沫微孔結構延長電磁波傳播路徑，促進其在孔壁（含導電/磁性填料）間的多次反射，增強能量吸收。
*吸收-反射協同：
磁性損耗：Fe?O?@MWCNTs和Ni顆粒通過磁滯損耗、渦流損耗消耗電磁能；
介電損耗：Ag層和導電網絡通過界面極化、電導損耗衰減電磁波；
阻抗匹配：多孔結構降低材料表面阻抗，減少初始反射（低R值），使更多電磁波進入材料內部被吸收。
2. 性能對標與突破性分析（b）
*高SE-低R的平衡：本研究的復合泡沫數據點（紅點）位于文獻數據的高SE（＞50 dB）且低R（＜0.3）區域，表明其突破傳統屏蔽材料“高屏蔽依賴高反射”的局限，實現“吸收主導型”屏蔽。
*關鍵創新點：
輕量化與高效能統一：微孔結構降低材料密度，同時通過結構設計保持高SE，優于傳統致密金屬或碳基復合材料。
環保屏蔽特性：低反射率（R值）減少電磁二次污染，符合綠色電子設備需求。
文獻對照意義：與石墨烯氣凝膠、金屬箔/泡沫等材料對比，突顯本工作中多組分（磁性、導電、發泡）協同設計的性能優勢。
意義總結：
圖6通過機理與數據的雙重論證，揭示了復合泡沫材料的電磁屏蔽性能提升路徑及其工程應用潛力：
機制創新：多孔結構聯合磁-電填料的分級設計，為“寬頻帶、低反射”屏蔽材料提供了新思路。
技術對標價值：性能數據超越現有文獻標桿，驗證了該材料在航空航天、柔性電子等領域替代傳統屏蔽材料的可行性。
總之，我們通過隔離網絡和scCO?發泡的集成設計，開發了具有高屏蔽效率和低反射率的層狀結構PBAT/Fe?O?@MWCNTs/Ni/Ag復合泡沫材料。隔離導電網絡由通過相分離技術合成的PBAT/Fe?O?@MWCNTs微球上的重疊鎳粒子組成，而附著在復合材料頂部的銀 層則構成了獨特的層狀結構。Fe?O?@MWCNTs納米粒子和微孔結構促進了磁損耗和電磁波的多重反射吸收，從而增強了微波的衰減。同時，銀粒子層主要控制介電損耗。上述效應有機地結合了多種損耗模式，形成了“吸收-反射-再吸收”的EMI屏蔽機制。研究結果表明，所提出的復合泡沫材料平均EMI SE可達68.0 dB，反射率僅為23%。此外，這些復合泡沫材料即使在經過500次粘附實驗后，仍表現出強大的EMI屏蔽性能。本研究 為開發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
轉自《石墨烯研究》公眾號
