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西北工業(yè)大學(xué)吳宏景團(tuán)隊(duì)《AFM》: 一種柔韌、抗腐蝕的聚酰亞胺增強(qiáng)復(fù)合電磁波吸收薄膜

2022-01-05 16:18:50 作者：高分子科學(xué)前沿來(lái)源：高分子科學(xué)前沿分享至：

隨著5G技術(shù)的發(fā)展，依靠電磁波作為信息載體的智能電磁設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。然而，新時(shí)代的來(lái)臨是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。這些智能電磁設(shè)備在給我們帶來(lái)便利的同時(shí)也造成了很多難題。一方面，電磁波的存在會(huì)干擾某些超精密儀器的正常運(yùn)行；而另一方面，長(zhǎng)期暴露在電磁輻射下也會(huì)對(duì)人體自身的健康管理造成嚴(yán)重的威脅。因此，電磁波吸收材料（簡(jiǎn)稱吸波材料）的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，它可以通過(guò)材料自身的耗散機(jī)制將電磁波轉(zhuǎn)換為熱等其他形式能量，從而消除電磁的負(fù)面效應(yīng)。如今，研究人員已開(kāi)發(fā)出種類(lèi)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(jī)理單一、團(tuán)聚嚴(yán)重、機(jī)械性能差、成本高等問(wèn)題，難以滿足當(dāng)前應(yīng)用環(huán)境對(duì)新型吸波材料“輕”“柔”“寬”“強(qiáng)”的要求，更無(wú)法應(yīng)用于其它惡劣環(huán)境。

基于此，西北工業(yè)大學(xué)吳宏景課題組報(bào)道了一種具有周期性銅基損耗單元的聚酰亞胺（PI）增強(qiáng)復(fù)合薄膜，這些薄膜具有適用于特定應(yīng)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(chǎng)中的電場(chǎng)分布，造成了更強(qiáng)的電導(dǎo)損耗。另一方面，每個(gè)單元中Air@Cu2-xS的分級(jí)結(jié)構(gòu)和豐富的異構(gòu)界面也帶來(lái)了更強(qiáng)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(dá)到了391.43 %·mm-1，對(duì)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(qiáng)下表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能、熱傳導(dǎo)/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(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。相關(guān)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(duì)多功能高效吸波體的設(shè)計(jì)具有深遠(yuǎn)的影響。

【具有周期性結(jié)構(gòu)吸波薄膜的簡(jiǎn)易制備】

Air@Cu2-xS@PI （ACP）薄膜的主要設(shè)計(jì)路線如下圖所示（圖1a）。在構(gòu)建過(guò)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(guò)表面活化、原位配位反應(yīng)、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(fù)合薄膜。化學(xué)結(jié)構(gòu)表征證實(shí)聚酰亞胺框架在酸性刻蝕劑中可以保持長(zhǎng)時(shí)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(shí)，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(jié)構(gòu)在原位配位反應(yīng)、硫化和蝕刻處理后也得以保留，經(jīng)過(guò)有限元分析證明該結(jié)構(gòu)在交變電磁場(chǎng)下對(duì)薄膜電場(chǎng)分布產(chǎn)生積極影響（圖2a, b）。通過(guò)控制硫化參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化了每個(gè)周期單元的微觀結(jié)構(gòu)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(xué)結(jié)構(gòu)和透明性表征（b-d）

圖2. ACP薄膜的組分結(jié)構(gòu)表征

【ACP薄膜的電磁波吸收性能】

得益于這種周期性結(jié)構(gòu)以及單個(gè)結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部多樣的衰減機(jī)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(duì)電磁波造成了有效的衰減，吸收系數(shù)達(dá)到了391.43 %·mm-1（圖3a, b）。有限元分析結(jié)果證明，這種周期性結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)強(qiáng)度相比于無(wú)序?qū)φ諛悠吩鰪?qiáng)了3倍，并呈現(xiàn)出特定的空間分布，計(jì)算得到的功率損耗也證明了這種結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波衰減的增強(qiáng)效果（圖3c）。同時(shí)，根據(jù)密度泛函理論計(jì)算了單元內(nèi)部Cu2-xS的差分電荷密度，結(jié)果表明電荷在CuS （101）/Cu9S5 （0120）異質(zhì)結(jié)面存在重新分布和聚集，這在交變電磁場(chǎng)中會(huì)引發(fā)顯著的界面極化行為（圖3d, e）。