Advanced Functional Materials:高性能聚酰亚胺基电磁波吸收薄膜

随着5G技术的发展,依靠电磁波作为信息载体的智能电磁设备被广泛应用于各个领域。然而,新时代的来临是机遇也是挑战。这些智能电磁设备在给我们带来便利的同时也造成了很多难题。一方面,电磁波的存在会干扰某些超精密仪器的正常运行;而另一方面,长期暴露在电磁辐射下也会对人体自身的健康管理造成严重的威胁。因此,电磁波吸收材料(简称吸波材料)的发展具有重要的现实意义和经济价值,它可以通过材料自身的耗散机制将电磁波转换为热等其他形式能量,从而消除电磁的负面效应。如今,研究人员已开发出种类繁多的粉末型吸波剂(例如碳材料,金属氧化物,合金及其纳米混合物),并表现出优异的性能。但是,上述研究粉末型吸收剂均受限于样品形式,存在吸收损耗机理单一、团聚严重、机械性能差、成本高等问题,难以满足当前应用环境对新型吸波材料“轻”“柔”“宽”“强”的要求,更无法应用于其它恶劣环境。

最近,西北工业大学吴宏景副教授课题组制备出一种具有周期性铜基损耗单元的聚酰亚胺(PI)增强复合薄膜,这些薄膜具有适用于特定应用的可调电磁性能和优异的环境适用性。研究结果表明,这些周期性单元优化了薄膜在交变电磁场中的电场分布,造成了更强的电导损耗。此外,每个单元中Air@Cu2-xS的分级结构和丰富的异构界面也带来了更强极化损耗和散射衰减。这种薄膜在X波段(8-12 GHz)的吸波效率达到了391.43 %·mm-1,对电磁波形成了有效地吸收。并且,该薄膜在聚酰亚胺框架的增强下表现出优异的机械性能、热传导/散热性能和环境稳定性,有望在精密仪器、武器装备、海水抗腐蚀等领域得到广泛的应用。

图1.吸波薄膜的制备及其吸波机理示意图

这种周期性结构以及单个结构单元内部多样的衰减机制赋予了Air@Cu2-xS@PI (ACP) 薄膜优异的电磁波吸收性能,在0.14 mm厚度下对电磁波造成了有效的衰减,吸收系数达到了391.43 %·mm-1。有限元分析结果证明,这种周期性结构的电场强度相比于无序对照样品增强了3倍,并呈现出特定的空间分布,计算得到的功率损耗也证明了这种结构对电磁波衰减的增强效果。同时,根据密度泛函理论计算了单元内部Cu2-xS的差分电荷密度,结果表明电荷在CuS (101)/Cu9S5 (0120)异质结面存在重新分布和聚集,这在交变电磁场中会引发显著的界面极化行为。

另外,在聚酰亚胺框架的增强下ACP薄膜的拉伸强度达到了26.9 MPa, 兼具良好的热传导/散热性能。这种特殊的分级结构更是赋予了薄膜良好的抗腐蚀能力,在人造海水中浸泡21天后吸波性能基本不受影响。

图2. ACP薄膜的多功能性表征

上述研究工作得到了国家自然科学基金项目的支持。

论文信息:

A Flexible, Mechanically Strong, and Anti-Corrosion Electromagnetic Wave Absorption Composite Film with Periodic Electroconductive Patterns

Zehao Zhao, Di Lan, Limin Zhang, Hongjing Wu*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202111045

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202111045