电子设备的快速发展使电磁辐射、电磁干扰等问题日益突出，严重影响电子设备的正常运行和信息的安全传递，并危害人体健康。柔性电磁屏蔽材料可对电子设备及其所处环境进行有效防护，阻止电磁信息泄漏、切断电磁波传播途径、抑制电磁波的辐射和干扰，是解决电磁辐射和电磁干扰问题最为重要的技术手段之一。随着新一代柔性电子设备智能化、便携化以及可穿戴化的发展趋势，对电磁屏蔽材料的柔性、轻质、导热性能及力学性能等方面也提出了更高的要求，亟需研究制备新型高性能、多功能柔性电磁屏蔽复合膜。
西北工业大学化学与化工学院顾军渭教授“结构/功能高分子复合材料”（SFPC）课题组通过在纤维素、聚苯胺基体中分别引入银纳米线、 Ti3C2Tx MXene（ACS Appl Mater Interfaces, 2020, 12: 18023；Compos Sci Technol, 2019, 183: 107833）实现其电磁屏蔽性能的有效提升；以芳纶纳米纤维为增强层、 Ti3C2Tx MXene/银纳米线杂化导电填料为导电层，制备的双层结构电磁屏蔽复合膜（ACS Nano, 2020, 14: 8368）兼具良好的柔韧性、优异的力学性能、高电导率、突出的宽频电磁屏蔽性能和热管理性能等特性；并采用离子诱导自组装和真空辅助抽滤成膜工艺制备出多孔结构的Ti3C2Tx MXene/rGO电磁屏蔽复合膜（Carbon, 2021, 175: 271），有效解决二维材料的自堆叠问题，增大片层间距、增加多重反射界面、延长电磁波传输路径，实现其电磁屏蔽性能的高效提升。
最近，SFPC课题组2020级博士研究生张雅莉同学借助“静电纺丝-铺层-热压”工艺制备了上下层为Fe3O4/聚乙烯醇（PVA）复合电纺纤维、中间层为Ti3C2Tx/PVA复合电纺纤维的三明治结构电磁屏蔽复合膜。静电纺丝工艺促使Fe3O4和Ti3C2Tx沿PVA电纺纤维的径向排列，有利于增加导磁、导电以及导热通路形成的可能性。上下磁性层、中间导电层的三明治结构使电磁波在复合膜中经历“吸收-反射-再吸收”的过程，并使Fe3O4和Ti3C2Tx的有效浓度提高，增加三明治结构电磁屏蔽复合膜对电磁波的磁滞损耗，且有助于在较低Ti3C2Tx用量下迅速实现其完整导电、导热通路的高效搭建。得益于静电纺丝工艺与三明治结构的优化设计构建，当Ti3C2Tx用量为13.3 wt%且Fe3O4用量为26.7 wt%时，三明治结构电磁屏蔽复合膜在75 μm厚度下的电磁屏蔽效能（EMI SE）为40 dB，高于相同填料用量下基于共混-静电纺丝-热压工艺制备的电磁屏蔽复合膜（21 dB）；此外三明治结构电磁屏蔽复合膜还具有优异的导热性能（导热系数λ和热扩散系数α分别为2.86 W/(m·K)和2.43 mm2/s）和力学性能（拉伸强度、韧性和杨氏模量分别高达27.7 MPa、6 MJ/m3和8.27 GPa）。
图1 三明治结构电磁屏蔽复合膜的制备示意图（a）及填料表征（b-g）
图2 复合电纺纤维和三明治结构电磁屏蔽复合膜的微观形貌
图3 三明治结构电磁屏蔽复合膜的电磁屏蔽性能
图4 三明治结构电磁屏蔽复合膜的电磁屏蔽机理示意图
图5 三明治结构电磁屏蔽复合膜的导热性能
图6 三明治结构电磁屏蔽复合膜的力学性能
本工作近期以“Flexible Sandwich-Structured Electromagnetic Interference Shielding Nanocomposite Films with Excellent Thermal Conductivities”为题发表于Small（2021, 10.1002/smll.202101951.）上。第一作者为西北工业大学化学与化工学院20级博士研究生张雅莉同学，通讯作者是西北工业大学化学与化工学院顾军渭教授。本研究工作得到了国家自然科学基金（51773169和51973173）、陕西省自然科学基础计划杰出青年基金项目（2019JC-11）、高分子电磁功能材料陕西省“三秦学者”创新团队以及2021年度博士论文创新基金（CX2021107）的资助和支持。
论文信息：
Yali Zhang, Kunpeng Ruan, and Junwei Gu*. Flexible Sandwich-Structured Electromagnetic Interference Shielding Nanocomposite Films with Excellent Thermal Conductivities. Small, 2021, 10.1002/smll.202101951. 2020IF=13.281.
原文链接：
https://doi.org/10.1002/smll.202101951
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