具有电磁特性的多功能聚合物复合材料的开发，用于5G技术应用

《Polymer Engineering & Science》：Development of Multifunctional Polymeric Composites With Electromagnetic Properties for 5G Technology Applications

电磁屏蔽轻质材料开发研究 摘要：为解决5G通信和电子设备电磁干扰问题，本研究开发了PLA/MWCNT和TPU/MWCNT导电聚合物复合材料。通过熔融混合和压缩成型工艺，当MWCNT添加量达12%时，PLA基复合材料电导率达10?3 S/cm，电磁屏蔽效能（EMI SE）超过60 dB（3.5-6 GHz），显著优于TPU基复合材料（最高50 dB）。SEM显示PLA/MWCNT中纳米管分散更均匀，形成连续导电网络，而TPU基材料分散性较差。该研究为5G设备、航空航天等领域的轻质高效EMI屏蔽材料提供了新方案。

　　随着科技的快速发展，便携式电子设备和电子系统的广泛应用使得电磁辐射源的密度显著增加。这一现象引发了对电磁污染和设备间电磁干扰（EMI）的广泛关注，因为这些干扰可能会影响设备的正常运行，甚至对人类健康产生潜在影响。传统的金属材料虽然在EMI屏蔽方面表现出色，但由于其高密度、易腐蚀、加工难度大以及主要依赖反射机制屏蔽电磁波，逐渐暴露出一些局限性。因此，寻找一种既轻便又高效的替代材料成为当前研究的重要方向。

在这一背景下，导电聚合物复合材料（CPCs）因其优异的电气性能和轻质特性，成为一种备受关注的解决方案。这些材料不仅能够有效吸收和屏蔽电磁波，还能提供良好的机械性能，适用于各种高科技领域，包括电子设备、5G通信系统以及航空航天应用。多壁碳纳米管（MWCNTs）作为一类具有优异导电性和机械性能的纳米填料，被广泛用于增强聚合物的导电能力。本研究通过熔融共混和压缩成型的方法，开发了基于聚乳酸（PLA）和热塑性聚氨酯（TPU）的MWCNT复合材料，并对其流变学、电导率和电磁屏蔽性能进行了系统分析。

研究结果表明，当MWCNTs的含量达到3%时，流变学分析显示其在PLA和TPU基体中开始形成有效的分散。PLA/MWCNT复合材料在12%的填料含量下表现出显著的导电性，其电导率达到了约10?3 S/cm，而TPU/MWCNT复合材料即使在相同的填料含量下，其导电性仍然较低。这一差异可能与MWCNTs在TPU基体中的分散效率较低有关。此外，随着MWCNTs含量的增加，电磁屏蔽效果（EMI SE）也呈现出上升趋势，PLA/MWCNT复合材料在3.5–6 GHz范围内达到了超过60 dB的屏蔽效果，而TPU/MWCNT复合材料则达到了约50 dB。这表明PLA基体能够更有效地促进导电网络的形成，从而实现更强的电磁屏蔽性能。

为了验证这些性能，研究团队利用3D打印技术制造了一个PLA/MWCNT（12%）的屏蔽箱，并在消声室中进行了测试。测试结果表明，在5.9 GHz频率下，屏蔽效果达到了40 dB以上；而在3.5 GHz频率下，屏蔽效果在10到15 dB之间，这说明PLA/MWCNT复合材料在实际应用中表现出良好的屏蔽性能。扫描电子显微镜（SEM）分析进一步支持了上述结论，揭示了PLA/MWCNT复合材料中MWCNTs具有更均匀的分布，而TPU/MWCNT复合材料则显示出更多的聚集现象，这可能是导致其屏蔽效果不如PLA的原因之一。

本研究还总结了近年来在导电聚合物复合材料用于EMI屏蔽方面的研究成果。例如，Xie等人通过熔融共混方法开发了PLA/碳纤维/MWCNT复合材料，其屏蔽效果达到了58 dB，覆盖了8.2–12.4 GHz的频率范围。Wu等人利用FDM（熔融沉积成型）技术制备了MWCNT/PLA/TPU复合材料，其屏蔽效果为31.21 dB，覆盖了2–18 GHz的频率范围。da Silva等人研究了PLA/MWCNT复合材料在不同热处理条件下的性能变化，发现其屏蔽效果在8.2–18 GHz范围内达到了22 dB。You等人通过FDM和压缩成型相结合的方法，制备了TPU/CNT复合材料，其屏蔽效果为52 dB，覆盖了8.2–12.4 GHz的频率范围。Shi等人利用选择性分布策略制备了PLA/石墨烯复合材料，其屏蔽效果达到了80.28 dB，覆盖了8.2–12.4 GHz的频率范围。Dong等人通过FDM技术制备了PLA/TPU/CNT复合材料，其屏蔽效果为46.63 dB，覆盖了13.2–18 GHz的频率范围。这些研究表明，导电聚合物复合材料在EMI屏蔽方面具有广泛的应用前景，特别是在5G通信系统和高端电子设备中。

在实验方法方面，研究团队首先对PLA和TPU材料进行了真空干燥处理，以去除其中的水分。随后，将不同含量的MWCNTs（0%至12%）与PLA或TPU混合，使用Haake Polylab QC RHEOMIX 600内部混合器进行熔融共混。混合后，通过压缩成型制备了用于性能测试的样品。为了进一步研究材料的导电性，研究团队采用了四点探针法和两点法相结合的方式进行测试，确保了测量结果的准确性。此外，为了评估电磁屏蔽效果，研究团队使用了Keysight E5071C ENA网络分析仪和PE96622-WR-187波导，通过测量S??和S??参数计算出屏蔽效果。最后，通过SEM对材料的微观结构进行了分析，确认了MWCNTs在PLA基体中的均匀分散情况。

本研究的主要发现包括：PLA/MWCNT复合材料在3%的MWCNTs含量时开始形成有效的导电网络，随着填料含量的增加，其导电性和屏蔽效果显著提升。在12%的MWCNTs含量下，PLA/MWCNT复合材料的电导率达到10?3 S/cm，而TPU/MWCNT复合材料则未能达到这一水平。SEM分析进一步支持了这些结果，显示PLA/MWCNT复合材料中MWCNTs的分布更加均匀，而TPU/MWCNT复合材料中存在较多的聚集现象。此外，消声室测试结果表明，PLA/MWCNT（12%）复合材料在5.9 GHz和3.5 GHz频率下分别表现出超过40 dB和10–15 dB的屏蔽效果，这表明其在实际应用中具有良好的屏蔽性能。

本研究的结果不仅展示了PLA/MWCNT复合材料在EMI屏蔽方面的优越性能，还强调了其作为可持续、高性能材料的潜力。PLA基体能够有效促进MWCNTs的分散，从而形成连续的导电网络，提高材料的导电性和屏蔽效果。相比之下，TPU基体由于其结构特性，未能达到同样的效果。这些发现为未来开发更高效的EMI屏蔽材料提供了重要的理论支持和实验依据，尤其是在5G通信系统和航空航天领域，这些材料的应用前景十分广阔。