自1836年法拉第关于金属罩屏蔽电场的报告以来，导电材料广泛地应用于屏蔽电磁辐射。从理论上讲，导电材料的屏蔽性能主要依赖内部自由电子与电磁波相互作用而产生电磁屏蔽效果。然而，这种传统导电型电磁屏蔽材料在封装电子设备时需要绝缘设计以避免短路问题，这在一定程度上使封装结构更加复杂。因此，开发具有本征绝缘特性的高效电磁屏蔽材料有助于推动电子器件的小型化和集成化发展。
据此，北京化工大学于中振/张好斌教授团队提出了绝缘电磁屏蔽结构理论模型，打破了传统观念中电绝缘材料难以具备高效电磁屏蔽性能的局限，为绝缘电磁屏蔽聚合物复合材料的设计与应用开辟了全新道路。相关成果以“Insulating electromagnetic-shielding silicone compound enables direct potting electronics”为题发表在《Science》上。论文的第一作者是博士生周新峰，张好斌教授为通讯作者。闵芃讲师、刘越博士、金蒙博士和于中振教授为本文的共同作者。团队首先基于对聚合物复合材料电磁屏蔽性能实验值和理论值之间的偏差分析，发现除连续导电网络之外，复合材料内部由离散导电填料（极板）与聚合物基体（介电层）所组成的微电容结构对其电磁屏蔽性能的贡献。随后基于偶极辐射和平面波传播理论，建立了微电容结构绝缘电磁屏蔽结构理论模型，揭示绝缘复合材料与电磁波作用机制。该微电容电磁屏蔽结构理论模型的提出为绝缘电磁屏蔽材料的设计与性能调控提供了理论指导。图1 （A）聚合物复合材料电磁屏蔽性能实验值和理论值之间的偏差;（B）复合材料内填料的分散状态；（C）微电容结构的绝缘电磁屏蔽机理模型。
基于该理论模型，研究团队提出“非逾渗密实化”和“介电优化”策略，在硅橡胶/液态金属复合体系中引入小尺寸表面氧化的液态金属微米颗粒和高介电BaTiO3纳米颗粒，实现了高电绝缘性和优异电磁屏蔽性能的集成。外界电磁波激发离散液态金属颗粒中的载流子周期性振荡形成局部“微电流”以反射和衰减电磁波。同时，介电层中的偶极子发生偏转和极化以损耗电磁波。此外，BaTiO3可以优化介电层中的声子传导，从而减少界面热阻，优化热传导通路。所制备复合材料可用于直接灌封电子设备，有效解决电磁兼容和过热问题。因此，该材料简化了封装流程，为解决困扰电子设备向集成化和小型化发展的电磁信号串扰和散热难问题提供了新思路。图2 （A）电磁屏蔽性能、热导率和电阻率对比；（B）复合材料封装电脑CPU和主板示意图；（C）复合材料的近场屏蔽性能；（D）复合材料对主板的散热性能。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp6581
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