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南航潘蕾、张浩然 AFM：具有电/磁双梯度结构的高性能电磁屏蔽与红外伪装复合薄膜

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-01-17 13:05

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近日，南京航空航天大学潘蕾教授课题组报道了一种新型的电磁干扰（EMI）屏蔽膜，由一维细菌纤维素（BC）、二维MXene纳米片和零维空心Fe₃O₄（HFO）纳米球构筑而成，具有新颖的非对称层状结构，其灵感来源于一种名为“Baklava”（蜜糖果仁千层酥）的土耳其传统甜点。该三组分复合薄膜通过逐层真空抽滤法制备而成，具有电/磁双梯度以及空心结构，显著改善了阻抗匹配，在具有高电磁屏蔽效能的同时，又可有效减少电磁波反射来带的二次污染。同时，得益于梯度结构设计，该复合薄膜还兼具优异的力学性能、焦耳热性能以及主/被动红外伪装特性。相关研究成果于2025年1月15日以“An electric-magnetic dual-gradient composite film comprising MXene, hollow Fe₃O₄ and bacterial cellulose for high-performance EMI shielding and infrared camouflage”为题发表在《Advanced Functional Materials》杂志上，南京航空航天大学博士生刘梦欣为第一作者，张浩然副教授与潘蕾教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金等项目的资助。

随着5G/6G电子通信设备的普及和军事领域的发展，电磁干扰（EMI）问题日益凸显。强烈的电磁干扰不仅扰乱电子设备的正常功能，而且对人体健康构成潜在风险。因此，迫切需要开发兼具优异力学性能与综合多功能特性的高性能EMI屏蔽材料。目前，设计和制造用于EMI屏蔽的薄膜，在保持高的总屏蔽效能的同时减少反射，仍然是一个重大挑战。

这项研究提出了一种新型EMI屏蔽膜，由细菌纤维素（BC）、MXene 和空心 Fe₃O₄（HFO）纳米球组成，具有非对称层状结构，其灵感来自传统土耳其甜点“Baklava”。通过逐层真空抽滤法精确控制每层中导电MXene和磁性HFO的含量，构筑了电/磁双梯度结构，显著改善了阻抗匹配；同时，HFO中空结构促进了电磁波的“吸收-反射-重吸收”多重损耗机制。该薄膜厚度仅为0.35 mm，EMI总屏蔽效能（SE_T）达67.6 dB，反射效能（SE_R）仅为5.1 dB，吸收系数A为0.32。此外，得益于梯度结构设计，该复合薄膜具有优异的力学性能（拉伸强度达112 MPa）、低红外发射率（0.37）、高面内热导率（3.32 W m^-1 K^-1）以及高效的焦耳热性能，从而展现出优异的被动及主动红外伪装功能，可适应多种不同的真实战场环境。该电/磁双梯度多功能EMI屏蔽复合薄膜有望在航空航天、国防及可穿戴电子设备等领域得到应用。

研究亮点：

1. 设计并制备了由导电MXene、磁性中空Fe₃O₄和细菌纤维素基体组成的非对称三组份复合膜，具有独特的电/磁双梯度结构。

2. 电/磁双梯度及空心结构显著改善了阻抗匹配，并丰富了损耗机制（包括介电损耗、磁损耗、界面损耗以及空腔中的“吸收-反射-重吸收”多重反射损耗），在提高总屏蔽效能的同时有效降低电磁波的反射。

3. 梯度及多层结构设计有效抑制了应力作用下薄膜内部裂纹的萌生与扩展，显著提高了薄膜的拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量等力学性能。

4. 该薄膜具有低红外发射率、高面内热导率和良好的电热转换性能（焦耳热），因此在较宽的温度范围内表现出优异的被动和主动红外伪装功能，能够适应多种极端环境。