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  隨著現(xiàn)代電子通訊設(shè)備的持續(xù)發(fā)展以及電子器件的不斷集成化和小型化，電磁屏蔽材料在確保電子設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，減少電磁輻射對(duì)人體的傷害等方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。然而，商業(yè)化的金屬屏蔽材料易被腐蝕、密度較大；已報(bào)道的導(dǎo)電高分子復(fù)合材料又受到電導(dǎo)率較低，不耐極端環(huán)境條件等限制，難以滿足航天航空領(lǐng)域中電子器件對(duì)于電磁屏蔽材料的要求。因此，研發(fā)一種兼具輕量化、耐高低溫、耐熱沖擊且低成本的電磁屏蔽材料對(duì)確保航天航空電子器件的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

  復(fù)旦大學(xué)專用材料與裝備技術(shù)研究院葉明新/沈劍鋒團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于應(yīng)用在航天航空領(lǐng)域高性能復(fù)合材料的研究。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，葉明新/沈劍鋒課題組在前期聚酰亞胺（PI）氣凝膠相關(guān)研究工作（Nature Communications, 2021, 12(1): 4092）的基礎(chǔ)上，提出了一種有望規(guī)模化的“浸漬熱壓”工藝，研發(fā)了一種極端條件下仍具有優(yōu)異力學(xué)性能和電磁屏蔽性能的層狀多孔高性能PI/Ti₃C₂T_x復(fù)合薄膜材料。

  相比于需要大量導(dǎo)電組分的傳統(tǒng)共混法制備的導(dǎo)電復(fù)合材料，該研究在單定向結(jié)構(gòu)PI彈性氣凝膠的有序孔道中，通過(guò)浸漬法吸附一層二維導(dǎo)電Ti₃C₂T_x納米片，然后通過(guò)“真空熱壓”和“釋壓回彈”在薄膜內(nèi)部構(gòu)建層狀多孔的微結(jié)構(gòu)（圖1）。在熱壓過(guò)程中，未被Ti₃C₂T_x納米片覆蓋的孔道內(nèi)壁，在高溫和壓力作用下相互連接；被Ti₃C₂T_x納米片覆蓋的孔道內(nèi)壁，在壓力釋放后，由于氣凝膠良好的彈性，孔道輕微回彈，從而在薄膜內(nèi)部形成層狀多孔的微結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖1：PI/Ti₃C₂T_x復(fù)合薄膜材料的設(shè)計(jì)與制備流程。

圖2：PI/Ti₃C₂T_x復(fù)合薄膜材料的層狀多孔微結(jié)構(gòu)與形成機(jī)理示意圖。

  得益于PI本身優(yōu)良的力學(xué)性能和耐熱/寒性能以及獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，PI/Ti₃C₂T_x復(fù)合薄膜展現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和電磁屏蔽性能。該薄膜材料密度僅為0.39 g/cm³，在-100 ℃，25 ℃和250 ℃條件下，拉伸強(qiáng)度均保持大于120 MPa；且從-70 ℃升溫到250 ℃時(shí)，復(fù)合薄膜的尺寸變化僅為0.5%，展現(xiàn)了輕量化的特性和良好的力學(xué)穩(wěn)定性（圖3）。由于孔道內(nèi)部連續(xù)化的導(dǎo)電通路，在Ti₃C₂T_x納米片含量?jī)H為2.0 vol%時(shí)，其電導(dǎo)率就可達(dá)1.6×10³ S/cm。得益于這種層狀多孔結(jié)構(gòu)和連續(xù)化的導(dǎo)電通路，在薄膜厚度為90 μm時(shí)，其絕對(duì)電磁屏蔽效能可達(dá)15, 527 dB cm² g^-1, 實(shí)現(xiàn)了“少量導(dǎo)電填料高屏蔽效能”的設(shè)計(jì)思路。更重要的是，在濕熱、火燒、250 ℃高溫、-196 ℃低溫、溫差為446 ℃的快速循環(huán)熱沖擊等惡劣條件下處理后，仍能保持上述優(yōu)異的電磁屏蔽性能，在應(yīng)用環(huán)境惡劣的深空探索中展現(xiàn)出應(yīng)用潛能。

圖3：PI/Ti₃C₂T_x復(fù)合薄膜的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性。

圖4：PI/Ti₃C₂T_x復(fù)合薄膜電磁屏蔽性能與惡劣環(huán)境下的電磁屏蔽性能穩(wěn)定性測(cè)試

  以上相關(guān)成果以 “Hierarchically Porous Polyimide/Ti₃C₂T_x Film with Stable Electromagnetic Interference Shielding after Resisting Harsh Conditions”為題發(fā)表于Science Advances (2021; 7 : eabj1663) 。復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系博士研究生程揚(yáng)為第一作者；復(fù)旦大學(xué)專用材料與裝備技術(shù)研究院葉明新教授和沈劍鋒教授為通訊作者。復(fù)旦大學(xué)聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位合作參與了該項(xiàng)研究工作。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj1663