Small Methods:计算优化多层吸收型电磁屏蔽材料的电磁波反射率

随着5G时代到来,电磁干扰和污染问题日益严重,使用电磁屏蔽材料有助于防治电磁干扰和污染。按照屏蔽原理区分,电磁屏蔽材料可分为反射型和吸收型屏蔽材料。然而,使用反射型屏蔽材料时会产生电磁波的二次污染问题。因此,开发高性能的吸收型电磁屏蔽材料具有重要意义。具有电(磁)梯度结构的多层复合材料与自由空间的阻抗匹配可调,调控其电(磁)梯度结构有望获得高性能的吸收型屏蔽材料。但目前仍依赖以实验为主的试错法优化多层吸收型电磁屏蔽复合材料的结构和性能,效率低下。亟需发展通过理论计算优化多层吸收型电磁屏蔽复合材料结构设计的新方法。

近日,陕科大马建中教授、南昌大学何翔和多伦多大学Chul B. Park院士团队合作提出一种通过理论计算优化多层吸收型电磁屏蔽复合材料结构设计的新方法。合作团队通过修改Kraus阻抗转换方程的边界条件,获得了多层电磁屏蔽复合材料整体归一化输入阻抗和电磁波反射率的计算公式,简称为NII(Normalized input impedance)法。只需获得单层材料的电磁参数,即可通过NII法计算出多种材料组合时复合材料整体的电磁波反射率,并建立单层材料厚度与多层复合材料电磁波反射率的3D函数图像,根据计算结果的指导可直接得到最优的材料组成和相应的厚度参数,从而一步获得具备最优吸收性能的多层电磁屏蔽复合材料。使用NII法优化多层吸收型电磁屏蔽复合材料的结构,大大提高了其研发效率,为其规模化制备开辟了道路。陕科大与多伦多大学联合培养的卫林峰博士生是本文第一作者,陕科大马建中教授、南昌大学何翔和多伦多大学Chul B. Park院士为共同通讯作者。

图1 多层材料归一化输入阻抗的示意图

如图1所示,对于多层吸波材料,其归一化输入阻抗可由Kraus阻抗转换方程(公式1,2,3)得出,其中金属背板与材料在界面0处的归一化输入阻抗(Z0)为0。而对于多层屏蔽材料,其与多层吸波材料的区别在于没有金属背板,界面0处的Z0为1。因此,通过修改Kraus阻抗转换方程的边界条件,即可获得多层屏蔽材料归一化输入阻抗的表达式(公式5),进而计算出多层屏蔽材料的电磁波反射率R(公式6)。

图2 双层PVDF/MXene/CNT复合材料电磁波反射率的NII法计算值

以双层PVDF/MXene/CNT复合材料为例,获得单层PVDF/MXene和PVDF/CNT的电磁参数后,利用NII法可计算出将PVDF/MXene与PVDF/CNT组合后所得双层复合材料的电磁波反射率,并建立单层材料厚度与双层复合材料电磁波反射率的函数关系图像(如图2),由图可知,当PVDF/MXene-32.5%的厚度在1.5-2.5 mm范围内时,双层复合材料将具有最低的电磁波反射率。

图3 双层PVDF/MXene-32.5%/CNT-3.05 mm复合材料的电磁屏蔽性能与屏蔽机理

如图3所示,根据计算结果的指导,所制备的双层PVDF/MXene-32.5%/CNT-3.05 mm复合材料(PVDF/MXene-1.95 mm,PVDF/CNT-1.1 mm)的电磁波反射率和SER分别低至5.701×10-5和2,476×10-4,其屏蔽效能达到30 dB。此外,该材料在12.4-16 GHz内的电磁波反射率均低于0.1,表明其实现了吸波材料和屏蔽材料的高度集成。

文章信息:

Computational Optimizing the Electromagnetic Wave Reflectivity of Double-Layered Polymer Nanocomposites.

Wei, L., Ma, J.*, Ma, L., Zhao, C., Xu, M., Qi, Q., Zhang, W., Zhang, L., He, X.*, Park, C. B.*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202101510

原文链接:https://doi.org/10.1002/smtd.202101510