通过梯度结构设计实现纳米工程芳纶/碳-PEEK复合材料的协同电磁屏蔽效果和抗冲击性能

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Synergistic EMI shielding and impact resistance in nano-engineered aramid/carbon-PEEK composites via gradient architecture design

本研究提出分层双尺度解耦策略，宏观层面通过芳纶纤维（AF）与碳纤维（CF）的不对称分布优化力学与电磁屏蔽协同性，微观层面构建MXene/PEI-CB界面层增强电磁吸收，实现38.04 dB屏蔽效能及冲击强度提升102.25%，有效解决传统材料中机械强度与电磁屏蔽的固有矛盾。

　　本研究旨在解决电磁干扰（EMI）屏蔽与冲击阻力之间的固有矛盾。随着现代电子技术的快速发展，电子设备的广泛应用使得电磁干扰问题日益严重，这不仅威胁到设备的正常运行，还可能对人类健康产生不利影响。特别是在航空航天电子舱、军事应用、植入式医疗器械和新能源汽车电池包等高端领域，对高性能EMI屏蔽材料的需求不断上升。然而，在实际应用中，机械冲击无处不在，成为直接影响EMI屏蔽性能的关键因素。传统材料在面对突发性机械冲击时，往往会出现性能退化甚至失效，从而增加安全隐患。因此，开发兼具轻质、高柔性以及卓越冲击抵抗能力的先进EMI屏蔽材料显得尤为重要。

虽然金属材料因良好的导电性被广泛用于EMI屏蔽，但其高密度和易腐蚀的特性限制了其在许多场景中的应用。相比之下，纤维增强聚合物复合材料因其低密度、设计灵活性和化学稳定性而受到学术界和工业界的广泛关注。这些材料在EMI屏蔽领域展现出巨大的潜力。其中，聚醚醚酮（PEEK）因其出色的热稳定性、化学耐腐蚀性和机械性能，被认为是相关应用领域的重要候选材料。

常用的增强纤维包括碳纤维（CF）、芳纶纤维（AF）和玻璃纤维（GF）。碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）以其优异的导电性和高模量，常被用于EMI屏蔽材料的开发。然而，尽管CF具有较高的拉伸强度，其剪切强度较低，且表现出明显的脆性。因此，在低速冲击载荷下，CFRP极易发生脆性断裂和局部损伤，从而限制了其广泛应用。相较之下，芳纶纤维增强聚合物复合材料（AFRP）具有较低的密度、适中的机械性能和出色的冲击抵抗能力。然而，AF的电绝缘性限制了其在EMI屏蔽中的应用效果。为了同时满足优异的冲击阻力和有效的EMI屏蔽性能，一种可行的策略是将两种不同的纤维进行复合，并将其引入PEEK基体中。理论上，这种方法有望实现双重性能目标，为该领域的进一步研究和开发提供有前景的解决方案。

然而，CF和AF与PEEK基体之间的界面特性仍存在挑战。CF表面光滑，具有惰性、稳定且非极性的结构。此外，苯环的立体阻碍以及分子间氢键的存在导致AF具有较高的结晶度。这些特性使得CF和AF与PEEK基体之间的界面结合力较弱，因为PEEK本身缺乏反应性官能团。弱的界面相互作用导致应力传递效率低下，从而限制了PEEK基复合材料的整体机械性能。为此，研究者们已经探索了多种界面改性方法，如等离子体处理、尺寸剂改性、纳米相构建等。

在我们之前的研究中，我们开发了针对性的界面改性策略，以改善CF/PEEK和AF/PEEK复合材料中界面结合力较弱的问题。对于AF，我们设计了一种新型的混合尺寸剂，由热塑性聚酰亚胺（PI）、羧基化碳纳米管（CNT-COOH）和芳纶纳米纤维（ANFs）组成。这种方法显著增强了AF与PEEK基体之间的界面结合强度和应力传递效率，为制造具有卓越冲击抵抗能力的多功能复合材料奠定了坚实的界面工程基础。对于CF，我们在其表面构建了一种跨维度的结构，由MXene纳米片和聚乙烯亚胺正电碳黑（PEI-CB）粒子自组装而成，以同时提升界面相互作用和EMI屏蔽性能。然而，研究发现，在相同的纳米粒子浓度下，CF/PEEK复合材料的界面性能和EMI屏蔽效果无法同步优化，这表明存在一种固有的性能权衡。

为了克服这一矛盾，本研究提出了一种基于层合结构设计的空间解耦策略。通过构建功能性梯度结构，实现了机械承载能力和电磁衰减的协同优化。为了系统评估层合结构对EMI屏蔽性能的影响，本研究首先对两种结构配置进行了比较分析：对称结构的MCM/PEEK和非对称结构的CM/PEEK复合材料。在X波段范围内，通过研究电磁波在复合材料对侧表面以不同方向入射时的屏蔽行为，系统比较和分析了这两种结构的屏蔽效果。实验结果表明，通过合理设计层合结构，可以有效降低反射率并提升波吸收能力，从而增强EMI屏蔽性能。

此外，为了进一步提升材料的冲击阻力，本研究将改性后的AF层引入选定的结构中，以优化整体阻抗匹配，并为导电CF层提供保护。这种整合不仅有助于系统研究层合结构设计与EMI屏蔽性能之间的关系，还能够更全面地评估材料在不同条件下的综合性能。为了严格评估界面改性对材料性能的影响，我们还建立了一个对照组，其结构与实验组相同，但未进行界面改性（AC/PEEK）。通过一系列全面的测试，包括冲击阻力测试和矢量网络分析仪测量，我们能够分离出结构设计和界面工程对多功能性能提升的具体贡献。

本研究的核心创新点在于提出了一种梯度功能化的分层设计和双界面协同改性策略。这种策略通过在复合材料中引入功能性分区结构，实现了优异的EMI屏蔽性能（EMI屏蔽效果达到38.04 dB，对应99.9843%的能量衰减）和显著的冲击阻力（在8 J冲击载荷下，峰值载荷增加了102.25%）。其中，AF被用于外层，以增强材料的冲击抵抗能力；而CF则被用于内层，以提供优异的EMI屏蔽效果。这种分层设计不仅有效地将低导电性的冲击层与高导电性的屏蔽层在空间上分离，还避免了界面改性过程中可能出现的浓度冲突问题。

通过这种策略，研究团队成功地突破了传统材料在机械强度和EMI屏蔽性能之间的性能权衡，为开发适用于极端服役环境的轻质、结构-功能一体化的电磁防护材料提供了新的思路。这种材料不仅能够有效应对电磁干扰，还能够在遭受机械冲击时保持结构完整性，从而确保其在实际应用中的稳定性和可靠性。此外，本研究还为未来在复合材料设计和界面工程领域的发展提供了重要的理论支持和技术参考，有望推动相关技术在航空航天、军事和医疗等领域的应用。

在材料选择方面，本研究使用了50 μm厚的PEEK树脂薄膜，由长春吉林大学超工程塑料（JUSEP）研究所提供。芳纶纤维由哈尔滨玻璃纤维增强塑料研究所（HFRPI）供应。碳纤维（T300-3K）是日本东丽工业株式会社制造的平纹织物。热塑性聚酰亚胺（PI）粉末（Matrimid-5218，分子量为40,000）来自东莞展阳聚合物材料有限公司。此外，Meldrum's acid（纯度为98%）由上海阿拉丁公司提供。这些材料的选择不仅考虑了其在EMI屏蔽和冲击阻力方面的性能，还兼顾了成本效益和可加工性。

通过实验，研究团队发现，将改性后的AF层与CF层进行合理的空间分布，能够有效提升复合材料的综合性能。这种设计不仅优化了材料的电磁屏蔽效果，还显著增强了其在冲击载荷下的表现。具体而言，实验组材料在8 J冲击载荷下表现出比对照组更高的峰值载荷，且损伤区域明显减小。这表明，通过分层设计和界面改性，可以有效分散和吸收冲击能量，从而提高材料的耐冲击能力。

此外，本研究还探讨了不同结构配置对EMI屏蔽性能的影响。通过对比对称结构和非对称结构的屏蔽效果，研究团队发现，非对称结构在提升屏蔽性能方面更具优势。这种结构设计使得电磁波在材料中能够更有效地被吸收和反射，从而实现更高的屏蔽效果。同时，通过引入改性后的AF层，材料的阻抗匹配得到了优化，进一步增强了其对电磁波的衰减能力。

在实验方法上，研究团队采用了多种先进的技术手段。例如，通过矢量网络分析仪测量，可以精确评估材料的EMI屏蔽性能。此外，通过冲击阻力测试，能够全面了解材料在遭受机械冲击时的表现。这些测试不仅提供了定量的数据支持，还为材料的性能优化提供了方向性的指导。通过这些实验，研究团队能够深入分析不同结构设计和界面改性策略对材料性能的具体影响，并据此调整和优化材料的制备工艺。

综上所述，本研究通过创新性的分层设计和双界面协同改性策略，成功克服了传统材料在机械强度和EMI屏蔽性能之间的性能权衡问题。这种材料不仅具有优异的电磁屏蔽能力，还表现出出色的冲击阻力，为开发适用于极端环境的多功能复合材料提供了新的解决方案。未来，这种材料有望在航空航天、军事和医疗等领域得到广泛应用，为相关技术的发展和应用提供重要的支撑。