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大連工業(yè)翟尚儒教授&釜山國立Chang-Sik Ha教授 JMCA封面綜述：海洋多糖基電磁波吸收/屏蔽材料設(shè)計(jì)理念、結(jié)構(gòu)及性能研究進(jìn)展
2022-09-02  來源：高分子科技

  便攜式電子設(shè)備和5G通信技術(shù)的飛速發(fā)展以及我國國防事業(yè)的重大戰(zhàn)略需求推動(dòng)著多功能型電磁響應(yīng)材料在軍事和民用領(lǐng)域的快速發(fā)展。近年來，對于其設(shè)計(jì)原理的深入探索及制備方面的技術(shù)難點(diǎn)攻克不但緩解了日益嚴(yán)重的電磁污染問題，更為國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)嵸|(zhì)性應(yīng)用提升做出了貢獻(xiàn)。然而，傳統(tǒng)的電磁響應(yīng)材料受到其自身較為單一的電磁衰減機(jī)制的限制，較難實(shí)現(xiàn)電磁衰減性能的進(jìn)一步提升。當(dāng)前，基于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和綠色能源理念，廣大研究人員已將目光轉(zhuǎn)向了對環(huán)保型多功能電磁響應(yīng)材料的開發(fā)和利用，以實(shí)現(xiàn)較薄厚度下的電磁波的寬頻段、多頻段的強(qiáng)吸收以及電磁衰減機(jī)制的完善。



  近日，大連工業(yè)大學(xué)翟尚儒教授和韓國釜山國立大學(xué)Chang-Sik Ha教授在國際期刊Journal of Materials Chemistry A上發(fā)表了題為“Marine polysaccharide-based electromagnetic absorbing/shielding materials: design principles, structure, and properties”的綜述性工作并被評選作期刊的Back Cover。這項(xiàng)工作圍繞海洋多糖基電磁波吸收和電磁干擾屏蔽材料的最新研究進(jìn)展，對其電磁衰減機(jī)制、制備方法以及衰減特性做出了詳盡的總結(jié)性論述，并結(jié)合當(dāng)代科技水平和需求對未來海洋多糖基電磁波吸收和電磁干擾屏蔽材料的發(fā)展前景和方向做出了預(yù)測，為電磁響應(yīng)材料設(shè)計(jì)思路的優(yōu)化和高效利用提供了理論性探討。該工作第一作者為大連工業(yè)大學(xué)在讀博士生王洪瀚，通訊作者為翟尚儒教授和Chang-Sik Ha教授。



1.基于海洋多糖的電磁波吸收和電磁干擾屏蔽材料的研究進(jìn)展：


  （1）電磁響應(yīng)材料廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域以提高軍事實(shí)力、通訊技術(shù)以及緩解電磁污染問題；
  （2）面對化石能源緊缺和污染嚴(yán)重的現(xiàn)狀，生物質(zhì)材料憑借其固有的獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)被視作制備電磁響應(yīng)材料的天然模板，為制備低成本、無污染的高性能材料提供了新的途徑；
  （3）海洋多糖作為生物質(zhì)材料的主要來源之一，在電磁波吸收和電磁干擾屏蔽領(lǐng)域均取得了較大進(jìn)展。其優(yōu)勢在于結(jié)合生物質(zhì)和氣凝膠的獨(dú)特優(yōu)勢來調(diào)節(jié)電磁響應(yīng)材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率之間的平衡，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和衰減常數(shù)的協(xié)同作用機(jī)制；
  （4）該工作通過闡述海洋多糖基電磁波吸收和電磁干擾屏蔽材料的設(shè)計(jì)原則、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及總結(jié)這些材料的發(fā)展前景和面臨的挑戰(zhàn)，為生物質(zhì)基電磁響應(yīng)功能材料設(shè)計(jì)合成和性能強(qiáng)化研究提供了借鑒。


海洋多糖在電磁波吸收和電磁干擾屏蔽領(lǐng)域的應(yīng)用


2.基于海洋多糖的電磁波吸收和電磁干擾屏蔽材料的電磁衰減機(jī)制：


  （1）電磁波吸收機(jī)理：電磁波的產(chǎn)生、傳播和衰減；電磁參數(shù)；性能表征；影響因素；

 


海洋多糖基材料的電磁波吸收機(jī)理


  （2）電磁干擾屏蔽機(jī)理；

 

海洋多糖基材料的電磁干擾屏蔽機(jī)理


3.海洋多糖基電磁波吸收材料：


  （1）海藻多糖及其衍生物：海藻多糖基氣凝膠；海藻多糖基衍生碳/磁性粒子復(fù)合氣凝膠；海藻多糖基衍生碳/磁性粒子復(fù)合氣凝膠的電導(dǎo)率調(diào)控；雜原子摻雜的海藻多糖衍生碳基氣凝膠；
  （2）殼聚糖基氣凝膠；
  （3）其他海洋多糖衍生碳基吸收劑。


  海洋多糖基材料在電磁波吸收領(lǐng)域的深入研究，為構(gòu)建磁/介復(fù)合多重?fù)p耗機(jī)制提供了一種綠色、有應(yīng)用前景的環(huán)境友好型策略。該路線有效地克服了單一磁性材料密度過大、易腐蝕、有效吸收帶寬較窄、制備工藝復(fù)雜、單一介電材料阻抗不匹配等缺點(diǎn)。此外，有關(guān)組分和微觀結(jié)構(gòu)的雙重調(diào)節(jié)機(jī)制有效作用于阻抗匹配和衰減常數(shù)，有助于實(shí)現(xiàn)電磁波吸收性能的突破。


  然而，大多數(shù)海洋多糖基電磁波吸收材料的吸收頻段集中在中高頻區(qū)，其微觀多孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也很難得以控制。此外，磁性粒子尺度的不可控性導(dǎo)致碳骨架的形成受到抑制，且很難最大程度地發(fā)揮磁損耗的優(yōu)勢。雜原子摻雜是拓寬有效吸收頻段的有效途徑。未來應(yīng)重點(diǎn)研究基于海洋多糖的低頻電磁波吸收，探索更多類型的雜原子摻雜工程，促進(jìn)海洋多糖基電磁波吸收材料的集成和高效開發(fā)。


4.海洋多糖基電磁干擾屏蔽材料：


  （1）海洋多糖/MXene復(fù)合基氣凝膠；
  （2）海洋多糖/導(dǎo)電填料復(fù)合基氣凝膠；


  用導(dǎo)電材料取代傳統(tǒng)的金屬材料，通過提高導(dǎo)電性和減小厚度來制備輕質(zhì)多功能海洋多糖基電磁干擾屏蔽材料是一種有效的策略。海洋多糖為一系列導(dǎo)電材料提供了穩(wěn)定的化學(xué)環(huán)境和強(qiáng)大的結(jié)合力，協(xié)助導(dǎo)電材料構(gòu)建多層反射結(jié)構(gòu)。然而，原材料的可燃性和腐蝕性，制備過程中所需的苛刻的反應(yīng)條件，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有機(jī)和酸性廢水，以及一些對人類健康、設(shè)備和環(huán)境構(gòu)成威脅的因素，應(yīng)該引起研究人員關(guān)注。此外，具有不同的表面化學(xué)性質(zhì)和可調(diào)節(jié)電導(dǎo)率的多功能海洋多糖基電磁干擾屏蔽材料也是未來的研究熱點(diǎn)。


5.結(jié)論和展望


  海洋多糖作為一類代表性的天然高分子生物質(zhì)，在電磁波吸收和電磁干擾屏蔽領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。從目前的研究現(xiàn)狀來看，盡管在其化學(xué)成分的可調(diào)性、微觀結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性以及優(yōu)異性能的開發(fā)等方面取得了一些進(jìn)展，但海洋多糖基電磁響應(yīng)材料仍面臨諸多挑戰(zhàn)，分別從以下四個(gè)方面做出了前瞻性預(yù)測。


  （1）當(dāng)下迫切需要開發(fā)一些可控手段和策略來優(yōu)化海洋多糖材料的多孔微觀結(jié)構(gòu)，有助于海洋多糖基電磁響應(yīng)材料的功能成分設(shè)計(jì)；
  （2）應(yīng)采用更有效的高科技手段探索海洋多糖基電磁響應(yīng)材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子特性，以預(yù)測其電磁參數(shù)和衰減機(jī)制；
  （3）在后續(xù)的研究中，應(yīng)將海洋多糖獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與具有不同電磁特性的材料相結(jié)合，設(shè)計(jì)出各種具有頻段調(diào)節(jié)功能的高性能電磁響應(yīng)材料；
  （4）通過多學(xué)科交叉策略結(jié)合科學(xué)計(jì)算和理論模型來分析和驗(yàn)證電磁衰減機(jī)制，以便準(zhǔn)確預(yù)測海洋多糖基電磁響應(yīng)材料的未來發(fā)展前景。



  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D2TA03529D

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