電子信息技術的飛速發(fā)展，使得人機交互，便攜式穿戴以及 5G 通訊等各種智能終端設備得到了廣泛的應用，不可避免地充滿了各種頻率與能量的電磁波，造成電磁污染。電磁污染會導致人體神經(jīng)系統(tǒng)疾病，精密器械的運行故障，進而帶來不可估量的損失。相比于傳統(tǒng)金屬材料，導電聚合物基復合材料（CPCs）有利于實現(xiàn)多功能化的設計，滿足不同場合的防護需求與應用的優(yōu)勢。然而，目前大量的研究工作聚焦在復合材料內(nèi)部結構調(diào)控上，而表面結構的構筑對電磁屏蔽的影響卻有較少的報道。依據(jù)經(jīng)典傳輸線屏蔽理論，具有高電導率的屏蔽材料往往有利于實現(xiàn)高的電磁屏蔽性能。此前也有研究發(fā)現(xiàn)電磁波所接觸材料表面的電導率與復合材料整體的屏蔽效能緊密相關。因此，探索具有微結構的導電表面對復合材料電磁屏蔽效能的影響以及相應電磁屏蔽機制有著重要的意義。
西南大學王明教授課題組長期從事于電磁屏蔽領域的研究，并重點圍繞聚合物基復合材料的填料構筑以及結構的多層次化設計等展開，實現(xiàn)了一系列具有不同功能與應用的多功能電磁屏蔽復合材料（Composites Science and Technology, 2022, 229, 109715; Composites Part A, 2022, 162, 107135; Polymer, 2022, 252, 124963; Composite Structures, 2022, 292, 115668; Composites Part A, 2022, 156, 106901; Chemical Engineering Journal, 2022, 430, 132949; Journal of Colloid and Interface Science, 2022, 607, 210-218; Applied Surface Science, 2021, 563, 150255; Carbon, 2021, 177, 377-402）。最近，課題組通過物理氣相濺射沉積技術對聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底進行預拉伸操作，釋放外力后，成功得到了具有可控的表面金屬銅（Cu）褶皺的夾層Cu/PDMS/Cu復合材料（圖1）。
圖1 Cu/PDMS/Cu復合材料的制備流程
通過有效的操作手段，在不同基底厚度與預拉伸的調(diào)控下得到了基本可控的表面金屬微褶皺圖案。實驗結果發(fā)現(xiàn)，基底的厚度以及預拉伸程度對表面結構有著明顯的影響。總體上，在同一厚度下隨著預拉伸程度的增加，釋放外力作用后其金屬褶皺基本上呈現(xiàn)更加密集（即褶皺波長λ更小）以及幅度更大的變化趨勢，此外在較高厚度下，不同的拉伸率所誘導褶皺的變化更為明顯。如圖2所示。
圖2 具有不同基底厚度與預拉伸誘導的表面金屬微褶皺
復合材料表面良好的導電性很大程度上賦予了較高的屏蔽效能，圖3展示了不同表面微褶皺形成后，褶皺不同程度的變化對表面導電性能以及復合材料整體在X帶（8.2~12.4 GHz）的電磁干擾屏蔽效能的影響。結果發(fā)現(xiàn)，在金屬層厚度~2.47微米下就可實現(xiàn)較為良好的微波屏蔽性能，厚度以及預拉伸程度較低時，復合材料的屏蔽性能基本上沒有明顯的變化或略微出現(xiàn)了降低。整體上隨著預拉伸率的增加屏蔽效能也隨之增加，較厚的絕緣聚合物基底對屏蔽性能的提升是有利的，例如在預拉伸30%后1.0 mm的絕緣聚合物基底誘導所形成的復合材料其屏蔽效能最高達~30.9 dB。總體上，復合材料屏蔽性能的有效提升和反射的降低主要在于比表面積的增加延長了對電磁波的作用路徑、表面的多重散射干擾、電荷的取向運動促使導電損耗的增強、強烈的界面極化以及特定幾何結構的Salisbury屏效應等共同作用。
圖3 具有不同表面金屬微褶皺的電磁干擾屏蔽性能以及電性能的變化
圖4 具有不同表面金屬微褶皺的表面電流、電場及磁場的分布變化
為了進一步評估表面金屬微褶皺對電磁波的干擾作用以及夾層復合材料整體對電磁波的衰減作用，通過相應數(shù)學模型的有效建立、優(yōu)化以及電磁仿真分析等定性的模擬出復合材料的電場、磁場以及面電流的近似分布。圖4展示了相應場的模擬結果，可以看出具有褶皺的導電表面很容易在兩褶皺峰之間由于散射干擾作用而出現(xiàn)低能量區(qū)域以及電荷密度的分散，且隨著相鄰褶皺峰的增強，低能量區(qū)域的分布更加明顯，這一結果很大程度上有利于復合材料反射的降低。此外，為了全面評估電磁波進入復合材料整個過程的衰減情況，合理地通過波導法進行相應的評估，圖5分別給出了透過表面層（S''）以及透過復合材料（S2）模擬后的相應結果，可以發(fā)現(xiàn)具有微褶皺的表面有利于微波的衰減作用，高的預拉伸下褶皺的增多與增強對微波的衰減作用更為突出，相比于單層金屬褶皺，具有夾層結構的褶皺衰減作用更為明顯。值得一提的是，同樣的結構下相比于電場的衰減，磁場的衰減變化并不是非常顯著，其很有可能是由金屬本身的非磁性所導致。總之，高導電的表面金屬微褶皺對電磁波具有明顯的干擾效果，很容易誘發(fā)表面相應場的分布變化，模擬的結果與實驗的相應變化基本一致，這次工作在一定程度上為電磁屏蔽復合材料結構的有效表面設計以及相關材料電磁場作用評估提供了良好的思路。
圖5 在8.2GHz下透過表面層以及復合材料的電場與磁場的電磁能量的相對衰減分布
相關研究成果以“Surface wrinkles enhancing electromagnetic interference shielding of copper coated polydimethylsiloxane: A simulation and experimental study”為題，發(fā)表在國際著名Top期刊《Chemical Engineering Journal》上。西南大學化學化工學院研究生何前明為本文第一作者，王明教授為通訊作者。該項研究得到了國家自然科學基金以及重慶自然基金項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140162
He Q-M, Tao J-R, Yang D, Yang Y, Wang M. Surface wrinkles enhancing electromagnetic interference shielding of copper coated polydimethylsiloxane: A simulation and experimental study. Chemical Engineering Journal 454 (2023) 140162
