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  隨著電子設(shè)備和5G通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，電磁環(huán)境日益復(fù)雜，所帶來(lái)的信號(hào)干擾等問(wèn)題嚴(yán)重影響電子設(shè)備的正常運(yùn)行。通過(guò)電磁屏蔽材料阻隔電磁波之間的干擾是解決該問(wèn)題的有效手段。傳統(tǒng)電磁屏蔽材料往往通過(guò)提高材料導(dǎo)電性以實(shí)現(xiàn)其電磁屏蔽效能的提升，但電導(dǎo)率的提升會(huì)加劇屏蔽材料對(duì)電磁波的反射，進(jìn)一步復(fù)雜電磁環(huán)境并顯著影響受保護(hù)電子設(shè)備的工作精度與穩(wěn)定性。因此，開發(fā)兼具優(yōu)異吸波特性的超高效電磁屏蔽材料成為消除電磁波干擾的理想解決方案。然而，當(dāng)前吸波材料與電磁屏蔽材料的設(shè)計(jì)原理存在巨大差異，在復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)超高效電磁屏蔽性能與寬頻吸波特性的集成依然是極大的挑戰(zhàn)。

  為此，中北大學(xué)段宏基副教授課題組聯(lián)合中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院孫蓉、胡友根團(tuán)隊(duì)，在前期低反射特征電磁屏蔽復(fù)合材料的梯度導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10: 19143）、層狀結(jié)構(gòu)電磁梯度控制（Composites Part A 2020, 129: 105692）和非對(duì)稱導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)（J. Mater. Chem. A. 2020, 8, 9146）工作基礎(chǔ)上，提出了一種基于漸進(jìn)導(dǎo)電模塊化設(shè)計(jì)（progressive conductivity modular design）的全新策略，首次在多級(jí)結(jié)構(gòu)復(fù)合泡沫材料中實(shí)現(xiàn)了超高效電磁屏蔽性能與寬頻吸波特性的統(tǒng)一，從而為發(fā)展智能電磁響應(yīng)材料提供了嶄新的思路。

圖1 多級(jí)復(fù)合泡沫的漸進(jìn)導(dǎo)電模塊化設(shè)計(jì)組裝及其對(duì)電磁波的吸收衰減機(jī)理

  研究團(tuán)隊(duì)在定向冷凍真空干燥的基礎(chǔ)上，通過(guò)漸進(jìn)導(dǎo)電模塊化設(shè)計(jì)策略，組裝搭建了具有多級(jí)取向泡孔結(jié)構(gòu)的還原氧化石墨烯@四氧化三鐵/碳納米管/四針狀氧化鋅晶須@銀/水性聚氨酯（rGO@Fe₃O₄/CNT/T-ZnO@Ag/WPU）復(fù)合泡沫。取向泡孔結(jié)構(gòu)在降低材料密度的同時(shí)有效降低了材料的真實(shí)介電性能，改善了材料與電磁波間的阻抗匹配；磁-電漸進(jìn)式梯度設(shè)計(jì)則能夠賦予材料沿電磁波入射方向上正向的導(dǎo)電梯度，從而控制表面電阻匹配入射電磁波阻抗使其幾乎不發(fā)生反射；并能夠通過(guò)電介質(zhì)損耗與磁滯損耗匹配機(jī)制誘導(dǎo)入射電磁波在深度方向逐步衰減，借助泡孔結(jié)構(gòu)的多重界面反射吸收機(jī)制與梯度增強(qiáng)的電介質(zhì)損耗作用相耦合有效抑制電磁波的逸出，最終實(shí)現(xiàn)超高效屏蔽材料對(duì)電磁波的高效吸收。

圖2 多級(jí)復(fù)合泡沫的在X至Ku波段的電磁屏蔽性能、吸收反射特征及屏蔽機(jī)理

  得益于漸進(jìn)導(dǎo)電模塊化設(shè)計(jì)與取向泡孔結(jié)構(gòu)的有效結(jié)合，所制備的多級(jí)復(fù)合泡沫能夠?qū)崿F(xiàn)電磁波吸收、反射特性的任意調(diào)節(jié)，從而表現(xiàn)出極高的電磁屏蔽效能和優(yōu)異寬屏吸波性能：在8.2-18.0 GHz近10 GHz的頻率范圍內(nèi)的平均電磁屏蔽效能（EMI SE）超過(guò)92.3 dB，同時(shí)在整個(gè)頻段反射損耗RL均小于-10 dB，對(duì)應(yīng)的平均反射屏蔽效能（SE_R）和反射率（R）分別低至0.065 dB和0.015，并首次觀測(cè)到總屏蔽效能SET和吸收屏蔽效能SE_A在整個(gè)頻段上的重疊。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)COMSOL電磁仿真模擬建立了復(fù)合泡沫的形貌結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電梯度與電磁波衰減機(jī)理之間的關(guān)系，驗(yàn)證了漸進(jìn)導(dǎo)電模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)復(fù)合泡沫屏蔽與吸收性能統(tǒng)一的機(jī)理。這種兼具寬頻吸波和高效屏蔽特性的多級(jí)復(fù)合泡沫在應(yīng)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境時(shí)展示出巨大的發(fā)展前景。

圖3 多級(jí)復(fù)合泡沫漸進(jìn)導(dǎo)電模塊結(jié)構(gòu)建模及其電場(chǎng)分布與吸收、反射特征模擬

  該研究工作以“Integration of efficient microwave absorption and shielding in a multistage composite foam with progressive conductivity modular design” 為題發(fā)表在《Materials Horizons》期刊上。許亞?wèn)|博士為該論文第一作者，段宏基副教授和胡友根副研究員為共同通訊作者。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金（21704070, 62074154），中國(guó)博士后科學(xué)基金（2020M682983），山西省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（20210302123035，20210302123015），山西省關(guān)鍵核心技術(shù)和共性技術(shù)研發(fā)攻關(guān)專項(xiàng)項(xiàng)目（2020XXX020），廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目（2020A1515110962）對(duì)該工作的支持！

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/MH/D1MH01346G