隨著5G技術的發(fā)展,依靠電磁波作為信息載體的智能電磁設備被廣泛應用于各個領域。然而,新時代的來臨是機遇也是挑戰(zhàn)。這些智能電磁設備在給我們帶來便利的同時也造成了很多難題。一方面,電磁波的存在會干擾某些超精密儀器的正常運行;而另一方面,長期暴露在電磁輻射下也會對人體自身的健康管理造成嚴重的威脅。因此,電磁波吸收材料(簡稱吸波材料)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值,它可以通過材料自身的耗散機制將電磁波轉換為熱等其他形式能量,從而消除電磁的負面效應。如今,研究人員已開發(fā)出種類繁多的粉末型吸波劑(例如碳材料,金屬氧化物,合金及其納米混合物),并表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。但是,上述研究粉末型吸收劑均受限于樣品形式,存在吸收損耗機理單一、團聚嚴重、機械性能差、成本高等問題,難以滿足當前應用環(huán)境對新型吸波材料“輕”“柔”“寬”“強”的要求,更無法應用于其它惡劣環(huán)境。
基于此,西北工業(yè)大學吳宏景課題組報道了一種具有周期性銅基損耗單元的聚酰亞胺(PI)增強復合薄膜,這些薄膜具有適用于特定應用的可調(diào)電磁性能和優(yōu)異的環(huán)境適用性。一方面,這些周期性單元優(yōu)化了薄膜在交變電磁場中的電場分布,造成了更強的電導損耗。另一方面,每個單元中Air@Cu2-xS的分級結構和豐富的異構界面也帶來了更強極化損耗和散射衰減。這種薄膜在X波段(8-12GHz)的吸波效率達到了391.43 %·mm-1,對電磁波形成了有效地吸收。并且,該薄膜在聚酰亞胺框架的增強下表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能、熱傳導/散熱性能和環(huán)境穩(wěn)定性,有望在精密儀器、武器裝備、海水抗腐蝕等領域得到廣泛的應用。相關工作以題為“A Flexible, Mechanically Strong, and Anti-Corrosion Electromagnetic Wave Absorption Composite Film with Periodic Electroconductive Patterns”發(fā)表在了《Advanced Functional Materials》上,對多功能高效吸波體的設計具有深遠的影響。
【具有周期性結構吸波薄膜的簡易制備】
Air@Cu2-xS@PI (ACP) 薄膜的主要設計路線如下圖所示(圖1a)。在構建過程中,以含氟PI薄膜作為框架,并使用市售的銅網(wǎng)作為原材料和模板,通過表面活化、原位配位反應、硫化、浸膠、亞胺化、選擇性蝕刻等一系列操作,成功制備出具有周期性損耗單元的聚酰亞胺中空復合薄膜?;瘜W結構表征證實聚酰亞胺框架在酸性刻蝕劑中可以保持長時間穩(wěn)定,刻蝕后的薄膜繼承了聚酰亞胺柔韌的特性并由于氟離子的引入表現(xiàn)出一定的透明度(圖1b-d)。同時,由于聚酰亞胺框架的錨定作用,銅網(wǎng)本身的周期性方環(huán)結構在原位配位反應、硫化和蝕刻處理后也得以保留,經(jīng)過有限元分析證明該結構在交變電磁場下對薄膜電場分布產(chǎn)生積極影響(圖2a, b)。通過控制硫化參數(shù)進一步優(yōu)化了每個周期單元的微觀結構和組分,最終得到了由中空內(nèi)核和多孔Cu2-xS(CuS, Cu9S5)外層組成的電磁波衰減單元(圖2c-g)。
圖1. Air@Cu2-xS@PI(ACP) 薄膜的制備示意圖(a)及其化學結構和透明性表征(b-d)
圖2. ACP薄膜的組分結構表征
【ACP薄膜的電磁波吸收性能】
得益于這種周期性結構以及單個結構單元內(nèi)部多樣的衰減機制,ACP薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的電磁波吸收性能,在0.14 mm厚度下對電磁波造成了有效的衰減,吸收系數(shù)達到了391.43 %·mm-1(圖3a, b)。有限元分析結果證明,這種周期性結構的電場強度相比于無序對照樣品增強了3倍,并呈現(xiàn)出特定的空間分布,計算得到的功率損耗也證明了這種結構對電磁波衰減的增強效果(圖3c)。同時,根據(jù)密度泛函理論計算了單元內(nèi)部Cu2-xS的差分電荷密度,結果表明電荷在CuS (101)/Cu9S5 (0120)異質結面存在重新分布和聚集,這在交變電磁場中會引發(fā)顯著的界面極化行為(圖3d, e)。
圖3. ACP薄膜的電磁性能表征
【ACP薄膜的多功能性】
另外,在聚酰亞胺框架的增強下ACP薄膜的拉伸強度達到了26.9 MPa, 兼具良好的熱傳導/散熱性能。這種特殊的分級結構更是賦予了薄膜良好的抗腐蝕能力,在人造海水中浸泡21天后吸波性能基本不受影響。
圖4. ACP薄膜的多功能性表征
小結:這項工作通過微結構設計和組分優(yōu)化制備出了一種低成本、高效率、可大規(guī)模制備的電磁波吸收薄膜,為粉末型吸波劑向吸波產(chǎn)品的轉變提供了一種新的策略。
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標簽: 電磁波, 西北工業(yè)大學, 吳宏景, 聚酰亞胺
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