电子设备和无线通信系统的激增导致日常生活中的电磁辐射持续增加，这不仅会对人体健康产生潜在影响，还会对关键系统和敏感基础设施的可靠性构成威胁。因此，降低电磁辐射的潜在风险已经成为了电子设备和通信系统设计中的一项重要挑战。近年来，电磁屏蔽材料的发展范式由单一的高屏蔽效能转向对以吸收为主导的屏蔽机制的探索。然而，依赖传统“试对”实验方法需要经历较长的验证过程并付出较高开发成本，难以满足人们对新材料研发的高效率要求。而有限元分析因其对材料行为的可视化分析常在获得实验结果之后被用于材料微观结构现象的探索和解释，这种被动应用限制了有限元分析对实验设计和材料性能优化的指导作用。
上海大学丁鹏研究员团队提出一种“模拟优先策略（Simulation-First Strategy）”，在领域知识的驱动下筛选出了部分影响电磁屏蔽性能的特征并进行了参数化表达，设计了具有不同结构参数的气凝胶复合材料，提升了多重反射和散射等屏蔽机理对电磁屏蔽性能的贡献，实现了对复合材料电磁屏蔽性能的改善，构建了从领域知识到屏蔽结构再到屏蔽效能之间的“效-构-效”关系桥梁，为功能材料结构的智能设计提供了一种可行的研究方案。该工作以“Boosting the Intelligent Development of Electromagnetic Shielding Polymer Composites by Expert Knowledge”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。DOI：10.1002/adfm.202406738，文章第一作者是上海大学博士生曹文静。“模拟优先策略”旨在领域知识的驱动下通过计算模拟工具实现对材料目标性能的预测和对材料结构的优化。研究人员首先建立了与电磁屏蔽材料相关的领域知识库，筛选出球状多孔结构和多层结构作为结构设计的基础。接着通过有限元模拟软件COMSOL，设计了由不同直径和分布密度的MXene空心球及MXene片层结构组成的泡泡纸状气凝胶及其与聚乙二醇（PEG）的复合材料，并预测其电磁屏蔽性能。在X波段的测试中，复合材料的电磁屏蔽性能呈现了与模拟结果相似的火山型变化趋势，结构参数最佳的组合下的电磁屏蔽效能达83.1 dB，吸收损耗为75.1 dB。实验结果验证了这种泡泡纸状气凝胶结构的优越性，不仅屏蔽性能与模拟结果一致，还提高了材料的机械强度和储热能力。
图1.模拟优先策略助力电磁屏蔽聚合物复合材料的设计和开发。
图2.领域知识指导下用于预测聚合物复合材料电磁屏蔽性能的参数选择过程。a)在模拟优先策略的领域知识指导下的智能设计过程示意图；b)在虚拟环境中设计的MBa-bAP复合材料模型；具有不同空心球直径a的复合材料的c-e)电场强度模拟分布和c¢-e¢)能量密度模拟分布。
图3.a)MBa-bA气凝胶制备流程示意图；b)Ti3C2Tx MXene纳米片，c)空心MXene微球和d)空心MXene微球壁的TEM图像；e-g)Ti3AlC2 MAX、Ti3C2Tx MXene和MB10-0.50A气凝胶的XRD、XPS表征。
图4.MBa-bAP复合材料的电磁屏蔽性能及屏蔽机理研究。a-c)MBa-0.50AP复合材料的电磁屏蔽性能实测结果；d-e)MB10-bAP复合材料电磁屏蔽性能实测结果；f)不同泡泡直径a、密度b时的屏蔽参数；g)MBa-bAP复合材料的屏蔽机理；h)PEG与MB10-0.50AP复合材料对电场强度衰减效应的宏观尺度的有限元模拟；i)MB10-0.50AP复合材料屏蔽充电中的智能手机周围的电磁波；j)MBa-bAP复合材料与已报道的MXene基多孔材料的电磁屏蔽效能的对比图。
研究人员通过“模拟优先策略”设计了泡泡纸状气凝胶屏蔽结构，赋予了不同的结构参数并预测了其复合材料的电磁屏蔽性能；而后通过实验复现了该结构，电磁屏蔽性能的实测结果和预测结果保持了一致的变化趋势。这项研究表明，“模拟优先策略”可以智能并有效地指导具有特定结构的电磁屏蔽复合材料的设计和开发，同时还可以实现合理的性能预测并简化实验程序，从而加速新型功能材料的出现，为复合材料的发展提供了一条有前途的新途径。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202406738
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