中科院煤化所陳成猛團隊J.Mater.Chem.A：用于超寬頻電磁屏蔽的多壁碳納米管/銀納米線薄膜

youyoucao 2年前 (2021-11-09) 1837瀏覽

1. 引言

隨著高頻，高速第五代通信技術的出現，民用電子設備成指數增長，產生的電磁污染日益嚴重，而傳統材料體系已逼近性能極限，覆蓋頻段急需拓展。選取合適的新材料進行恰當的結構設計，是消除電磁污染、制備“輕質量，薄厚度，寬頻段，多環境適應性”屏蔽材料的重要手段。

2. 成果簡介

近日，中國科學院山西煤炭化學研究所姜東研究員與陳成猛研究員（共同通訊作者）等人通過層層自組裝的方法利用多壁碳納米管 (MWCNT) 和銀納米線 (Ag NW) 構建夾層薄膜(12 μm)。在超寬帶（4-40 GHz）中，總屏蔽效能均高于45 dB，最高在10 GHz高達72 dB。這種出色的屏蔽性能可歸因于交替插層的Ag NWs/MWCNTs結構設計，其中具有高電導率的 Ag NWs提供歐姆損耗，而具有豐富缺陷的MWCNTs貢獻極化損耗。這種結構改善了薄膜整體的阻抗匹配，并通過MWCNTs層和Ag NWs層之間的宏觀界面增強了多次反射吸收，貢獻界面極化。此外，DFT 計算驗證了 Ag/C 微界面的存在會導致電荷分布不均勻，從而導致偶極極化。考慮到實際應用，該薄膜在復雜環境（熱、冷、彎曲）下仍保持優異的電磁屏蔽性能和散熱性能。這項工作為開發超寬帶電磁屏蔽材料以應對復雜多變工作環境提供了更加新穎的解決方案。

該成果以題為“Electromagnetic Interference Shielding Material for Super-broadband: Ultrathin, Sandwich Structure Multi-Walled Carbon Nanotube/Silver Nanowire Film”在J.Mater.Chem.A期刊發表，文章第一作者為中國科學院山西煤炭化學研究所研究生王正。

3. 圖文導讀

圖1. (a)?Ag/C復合膜的制備示意圖。(b)碳納米管溶液、銀納米線溶液和混合溶液的Zeta電位。(c-d)Ag NWs的掃描電子顯微鏡圖像。 (e) (f) Ag NWs和(h)MWCNTs的透射電鏡圖像和 高分辨率透射電鏡圖像。(g)Ag NW的選取電子衍射圖像。

圖2. (a)Ag NWs薄膜、(b) MWCNTs薄膜 (c) Ag/C-PM薄膜和 (d) Ag/C-7L薄膜的表面掃描電子顯微鏡圖像。 (e) Ag/C-7L薄膜的截面掃描電子顯微鏡圖像。 (f)高放大倍數下截面掃描電子顯微鏡圖像和 (g-i) Ag/C-7L薄膜的元素分布圖。

圖3. (a)?所有樣品的XRD光譜和 (b)多壁碳納米管的拉曼光譜。 (c)所有薄膜的XPS光譜。 (d) Ag 3d峰的高分辨率XPS光譜。

圖4. (a)?X波段復合材料的SET。 (b)X波段復合材料的SET、SEA和SER。 (c)所有薄膜的吸收系數(A)和(d)透射系數(T)。 (e) Ag/C-7L 薄膜在C波段、X波段、Ku波段、K波段和Ka波段的屏蔽性能。

圖5. 七層薄膜與同類工作的性能對比圖。

圖6. 分級屏蔽機制示意圖。

圖7?（a）Ag（111）/MWCNT邊界處電子云密度不對稱分布模型圖的側視圖和（b）主視圖。 (c) Ag(111)/MWCNT微界面的態密度分布(PDOS)。 （d）Ag（200）/MWCNT差分電荷密度分布圖的側視圖和（e）主視圖。 (f) Ag(200)/MWCNT微界面的態密度分布（PDOS）。

圖8?(a) Ag/C-7L 薄膜在1000次彎曲前后的歸一化電阻變化情況。 七層薄膜在極端條件下的屏蔽性能保持，包括 (b)1000次彎曲過程、(c)100°C 高溫和(d)液氮中超低溫處理后的變化。

圖9?(a)5G蘋果手機天線的分布。(b-d) Ag/C-7L薄膜覆蓋前后的數碼照片。 (e) 示意圖處信號被完全屏蔽。(f-i)cpu運行工作時間（30、60、90、120、150、180 和 210 秒）內樣品的紅外熱成像圖像。

4. 小結

通過層層自組裝技術，以銀納米線和短多壁碳納米管為原材料，制備了一種多功能混合薄膜。隨著層數的增加，薄膜的電導率和電磁屏蔽性能也相應增加，七層薄膜的屏蔽性能最好，在?4-40 GHz?的超寬頻帶中，性能均高于45 dB，在10?GHz 時最高達到72?dB。這種優異的性能可以歸功于交替的夾層結構設計，這種結構可以增強多重反射吸收。同時，DFT計算驗證了碳/銀微界面提供的偶極子極化現象。此外，在26-40?GHz范圍內，經1000次彎曲后，性能由61?dB下降到60?dB，在濕度為80% 、溫度100 ℃下，性能由45?dB下降到38?dB，在5G手機散熱試驗中，總溫度相同時間內平均下降3 ℃，因此，該多層膜在復雜工作環境下的性能保持和導熱散熱應用均具有很大潛力。

5. 文獻鏈接

Electromagnetic Interference Shielding Material for Super-broadband: Ultrathin, Sandwich Structure Multi-Walled Carbon Nanotube/Silver Nanowire Film

DOI: 10.1039/D1TA08106C

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