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西南大學(xué)王明教授課題組 CEJ：表面褶皺增強(qiáng)柔性復(fù)合材料電磁屏蔽效能 - 電磁模擬與實(shí)驗(yàn)研究
2023-02-04  來(lái)源：高分子科技

  電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使得人機(jī)交互，便攜式穿戴以及 5G 通訊等各種智能終端設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，不可避免地充滿了各種頻率與能量的電磁波，造成電磁污染。電磁污染會(huì)導(dǎo)致人體神經(jīng)系統(tǒng)疾病，精密器械的運(yùn)行故障，進(jìn)而帶來(lái)不可估量的損失。相比于傳統(tǒng)金屬材料，導(dǎo)電聚合物基復(fù)合材料（CPCs）有利于實(shí)現(xiàn)多功能化的設(shè)計(jì)，滿足不同場(chǎng)合的防護(hù)需求與應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。然而，目前大量的研究工作聚焦在復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)控上，而表面結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑對(duì)電磁屏蔽的影響卻有較少的報(bào)道。依據(jù)經(jīng)典傳輸線屏蔽理論，具有高電導(dǎo)率的屏蔽材料往往有利于實(shí)現(xiàn)高的電磁屏蔽性能。此前也有研究發(fā)現(xiàn)電磁波所接觸材料表面的電導(dǎo)率與復(fù)合材料整體的屏蔽效能緊密相關(guān)。因此，探索具有微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電表面對(duì)復(fù)合材料電磁屏蔽效能的影響以及相應(yīng)電磁屏蔽機(jī)制有著重要的意義。


  西南大學(xué)王明教授課題組長(zhǎng)期從事于電磁屏蔽領(lǐng)域的研究，并重點(diǎn)圍繞聚合物基復(fù)合材料的填料構(gòu)筑以及結(jié)構(gòu)的多層次化設(shè)計(jì)等展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)了一系列具有不同功能與應(yīng)用的多功能電磁屏蔽復(fù)合材料（Composites Science and Technology, 2022, 229, 109715; Composites Part A, 2022, 162, 107135; Polymer, 2022, 252, 124963; Composite Structures, 2022, 292, 115668; Composites Part A, 2022, 156, 106901; Chemical Engineering Journal, 2022, 430, 132949; Journal of Colloid and Interface Science, 2022, 607, 210-218; Applied Surface Science, 2021, 563, 150255; Carbon, 2021, 177, 377-402）。最近，課題組通過(guò)物理氣相濺射沉積技術(shù)對(duì)聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底進(jìn)行預(yù)拉伸操作，釋放外力后，成功得到了具有可控的表面金屬銅（Cu）褶皺的夾層Cu/PDMS/Cu復(fù)合材料（圖1）。 


圖1 Cu/PDMS/Cu復(fù)合材料的制備流程


  通過(guò)有效的操作手段，在不同基底厚度與預(yù)拉伸的調(diào)控下得到了基本可控的表面金屬微褶皺圖案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基底的厚度以及預(yù)拉伸程度對(duì)表面結(jié)構(gòu)有著明顯的影響。總體上，在同一厚度下隨著預(yù)拉伸程度的增加，釋放外力作用后其金屬褶皺基本上呈現(xiàn)更加密集（即褶皺波長(zhǎng)λ更。┮约胺雀蟮淖兓厔(shì)，此外在較高厚度下，不同的拉伸率所誘導(dǎo)褶皺的變化更為明顯。如圖2所示。 


圖2 具有不同基底厚度與預(yù)拉伸誘導(dǎo)的表面金屬微褶皺


  復(fù)合材料表面良好的導(dǎo)電性很大程度上賦予了較高的屏蔽效能，圖3展示了不同表面微褶皺形成后，褶皺不同程度的變化對(duì)表面導(dǎo)電性能以及復(fù)合材料整體在X帶（8.2~12.4 GHz）的電磁干擾屏蔽效能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在金屬層厚度~2.47微米下就可實(shí)現(xiàn)較為良好的微波屏蔽性能，厚度以及預(yù)拉伸程度較低時(shí)，復(fù)合材料的屏蔽性能基本上沒(méi)有明顯的變化或略微出現(xiàn)了降低。整體上隨著預(yù)拉伸率的增加屏蔽效能也隨之增加，較厚的絕緣聚合物基底對(duì)屏蔽性能的提升是有利的，例如在預(yù)拉伸30%后1.0 mm的絕緣聚合物基底誘導(dǎo)所形成的復(fù)合材料其屏蔽效能最高達(dá)~30.9 dB？傮w上，復(fù)合材料屏蔽性能的有效提升和反射的降低主要在于比表面積的增加延長(zhǎng)了對(duì)電磁波的作用路徑、表面的多重散射干擾、電荷的取向運(yùn)動(dòng)促使導(dǎo)電損耗的增強(qiáng)、強(qiáng)烈的界面極化以及特定幾何結(jié)構(gòu)的Salisbury屏效應(yīng)等共同作用。 


圖3 具有不同表面金屬微褶皺的電磁干擾屏蔽性能以及電性能的變化 


圖4 具有不同表面金屬微褶皺的表面電流、電場(chǎng)及磁場(chǎng)的分布變化


  為了進(jìn)一步評(píng)估表面金屬微褶皺對(duì)電磁波的干擾作用以及夾層復(fù)合材料整體對(duì)電磁波的衰減作用，通過(guò)相應(yīng)數(shù)學(xué)模型的有效建立、優(yōu)化以及電磁仿真分析等定性的模擬出復(fù)合材料的電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及面電流的近似分布。圖4展示了相應(yīng)場(chǎng)的模擬結(jié)果，可以看出具有褶皺的導(dǎo)電表面很容易在兩褶皺峰之間由于散射干擾作用而出現(xiàn)低能量區(qū)域以及電荷密度的分散，且隨著相鄰褶皺峰的增強(qiáng)，低能量區(qū)域的分布更加明顯，這一結(jié)果很大程度上有利于復(fù)合材料反射的降低。此外，為了全面評(píng)估電磁波進(jìn)入復(fù)合材料整個(gè)過(guò)程的衰減情況，合理地通過(guò)波導(dǎo)法進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估，圖5分別給出了透過(guò)表面層（S''）以及透過(guò)復(fù)合材料（S2）模擬后的相應(yīng)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)具有微褶皺的表面有利于微波的衰減作用，高的預(yù)拉伸下褶皺的增多與增強(qiáng)對(duì)微波的衰減作用更為突出，相比于單層金屬褶皺，具有夾層結(jié)構(gòu)的褶皺衰減作用更為明顯。值得一提的是，同樣的結(jié)構(gòu)下相比于電場(chǎng)的衰減，磁場(chǎng)的衰減變化并不是非常顯著，其很有可能是由金屬本身的非磁性所導(dǎo)致？傊邔(dǎo)電的表面金屬微褶皺對(duì)電磁波具有明顯的干擾效果，很容易誘發(fā)表面相應(yīng)場(chǎng)的分布變化，模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的相應(yīng)變化基本一致，這次工作在一定程度上為電磁屏蔽復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的有效表面設(shè)計(jì)以及相關(guān)材料電磁場(chǎng)作用評(píng)估提供了良好的思路。


圖5 在8.2GHz下透過(guò)表面層以及復(fù)合材料的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的電磁能量的相對(duì)衰減分布


  相關(guān)研究成果以“Surface wrinkles enhancing electromagnetic interference shielding of copper coated polydimethylsiloxane: A simulation and experimental study”為題，發(fā)表在國(guó)際著名Top期刊《Chemical Engineering Journal》上。西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院研究生何前明為本文第一作者，王明教授為通訊作者。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金以及重慶自然基金項(xiàng)目的資助。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140162

  He Q-M, Tao J-R, Yang D, Yang Y, Wang M. Surface wrinkles enhancing electromagnetic interference shielding of copper coated polydimethylsiloxane: A simulation and experimental study. Chemical Engineering Journal 454 (2023) 140162

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