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极端条件下具有优异电磁屏蔽性能的层状多孔高性能薄膜材料

随着现代电子通讯设备的持续发展以及电子器件的不断集成化和小型化,电磁屏蔽材料在确保电子设备稳定运行,减少电磁辐射对人体伤害等方面发挥着越来越重要的作用。然而,商业化的金属屏蔽材料易被腐蚀、密度较大;已报道的导电高分子复合材料又受到电导率低、不耐极端环境条件等限制,难以满足航天航空领域中电子器件对于电磁屏蔽材料的需求。因此,研发兼具轻量化、耐高低温、耐热冲击且低成本的电磁屏蔽材料对航天航空用电子器件的稳定运行具有重要意义。

复旦大学专用材料与装备技术研究院叶明新/沈剑锋团队长期致力于航天航空领域高性能复合材料的研究。近日,课题组报道了一种极端条件下仍具有优异力学性能和电磁屏蔽性能的层状多孔高性能薄膜材料。相关成果以《在极端环境下保持稳定电磁屏蔽性能的层状多孔聚酰亚胺/Ti3C2TX薄膜》“Hierarchically Porous Polyimide/Ti3C2TX Film with Stable Electromagnetic Interference Shielding after Resisting Harsh Conditions”为题发表于《科学-进展》(Science Advances)。

层状多孔结构聚酰亚胺/Ti3C2TX复合电磁屏蔽薄膜:(A)设计与制备过程,(B)力学性能,(C)常温下电磁屏蔽性能与机理(D)恶劣条件下电磁屏蔽性能。

相比于需要大量导电组分的传统共混法所制备的导电复合材料,该研究提出了一种通过“浸渍热压”工艺实现有望规模化生产的极低导电组分含量下保持高电导率的电磁屏蔽薄膜材料。在单定向结构聚酰亚胺弹性气凝胶的有序孔道中,通过浸渍法吸附一层二维导电Ti3C2TX纳米片,然后通过“真空热压”和“释压回弹”在薄膜内部构建层状多孔的微结构。该薄膜材料密度仅0.39 g/cm3,且在-100℃,25℃和250℃条件下,拉伸强度均保持大于120 MPa,展现了轻量化的特性和良好的力学性能。由于孔道内部连续化的导电通路,在Ti3C2TX纳米片含量仅为2.0 vol%时,其电导率就可达1.6×103 S/cm。得益于这种层状多孔结构和连续化的导电通路,在薄膜厚度为90μm时,其绝对电磁屏蔽效能可达15,527 dB cm3 g-1,实现了“少量导电填料高屏蔽效能”的设计思路。更重要的是,在湿热、火烧、250℃高温、-196℃低温、温差为446℃的快速循环热冲击等恶劣条件下处理后,仍能保持上述优异的电磁屏蔽性能,在应用环境恶劣的深空探测中展现出巨大的应用潜能。

复旦大学专用材料与装备技术研究院为论文第一单位;复旦大学材料科学系博士研究生程扬为第一作者;复旦大学专用材料与装备技术研究院教授叶明新和沈剑锋为通讯作者。复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室、东华大学纤维材料改性国家重点实验室等单位合作参与了该项研究工作。研究工作得到了国家自然科学基金的支持。

来源:复旦大学 《纳微快报(英文)》

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