镍纳米线与PVDF复合材料的机械轧制工艺显著提升了其导电性和电磁屏蔽性能

《Results in Engineering》：Mechanical Rolling of Nickel Nanowire-PVDF Composites Yields Enhanced Conductivity and Electromagnetic Shielding Properties

本研究采用机械滚动法对PVDF基镍纳米线复合材料进行处理，优化了纳米线浓度（40-70 wt.%）和滚动次数（4次为最佳），显著提高了导电性（最高达99 S/cm）和电磁屏蔽效率（-42 dB）。滚动促使纳米线沿剪切力方向对齐，并增强PVDF的β相结晶，形成高效吸收机制。该方法成本效益高，适用于轻质电子设备电磁屏蔽。

　　### 一种通过机械滚动实现高电导率的PVDF/镍纳米线复合材料及其电磁屏蔽性能研究

在现代电子设备的快速发展中，电磁干扰（EMI）屏蔽材料成为关注的焦点，尤其是在卫星通信和微波通信领域。传统的金属屏蔽材料虽然具有优异的屏蔽性能，但其重量和刚性限制了其在柔性电子设备中的应用。近年来，基于聚合物的复合材料因其轻质、柔韧和可定制的电学与物理化学性能，逐渐成为EMI屏蔽材料的重要研究方向。其中，聚偏氟乙烯（PVDF）因其高介电常数和良好的压电性能，被广泛用于电子器件中。然而，如何在PVDF基体中有效排列镍纳米线（NiNWs），以实现高电导率，仍然是一个重要的技术挑战。

本研究提出了一种简单且可扩展的方法，通过机械剪切力（即滚动）实现NiNWs在PVDF基体中的定向排列。该方法避免了使用强磁场进行对齐的复杂性和成本，同时保持了材料的柔性和轻量化特性。通过将不同浓度的NiNWs（40%至70%）与PVDF混合后进行溶液浇铸，再通过机械滚动进行定向排列，研究人员观察到NiNWs和PVDF晶片的有序排列。通过透射电子显微镜（TEM）和小角X射线散射（SAXS）图像的验证，表明机械滚动确实能够显著提高NiNWs的取向度和PVDF晶片的排列。

研究结果表明，定向排列的NiNWs在PVDF基体中表现出更高的电导率，与未进行机械滚动的溶液浇铸样品相比，其电导率显著提升。例如，在70% NiNWs含量的样品中，机械滚动后的电导率达到98 S/cm，而未滚动样品的电导率仅为32 S/cm。此外，机械滚动还促进了PVDF β相的形成和整体结晶度的提升，这可以通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和差示扫描量热法（DSC）分析来验证。β相的增加有助于提升材料的介电性能，从而进一步增强电磁屏蔽效果。

在电磁屏蔽性能方面，机械滚动后的样品在12至18 GHz的频率范围内表现出-42 dB的屏蔽效率，而未滚动的样品仅达到-32 dB。这一显著的提升归因于吸收主导的屏蔽机制，该机制由增强的界面极化和β相的形成共同作用。研究人员还通过分析不同浓度样品的屏蔽效果，发现机械滚动能够降低临界浓度，即在较低的NiNWs含量下即可形成导电网络，从而提升屏蔽性能。这种性能的提升为开发新型轻质、柔性且高效的EMI屏蔽材料提供了重要的参考。

在材料的微观结构方面，TEM和SEM图像进一步揭示了机械滚动对NiNWs排列和PVDF晶片取向的影响。未滚动的样品中，NiNWs呈现随机分布，而机械滚动后的样品中，NiNWs沿着滚动方向有序排列，这种排列不仅增强了电导率，还改善了材料的机械性能。此外，SAXS分析显示，机械滚动促进了PVDF晶片的取向，形成了一种定向的层状结构，这种结构有助于提高材料的结晶度和晶片排列的均匀性。

在热力学性能方面，DSC结果表明，机械滚动能够提高PVDF的结晶度，这可能与聚合物链的重排和NiNWs的加入有关。在机械滚动过程中，材料受到剪切力的作用，促使聚合物链重新排列，形成更有序的结构。这种结构的改善不仅提高了材料的导电性，还增强了其在高温下的稳定性，为实际应用提供了保障。

此外，研究人员还探讨了机械滚动对材料介电性能的影响。通过FTIR和SAXS分析，发现机械滚动显著提高了PVDF的β相含量，而β相的增加进一步提升了材料的介电常数。这种提升使得材料在高频下具有更好的介电性能，从而提高了电磁屏蔽效率。通过矢量网络分析仪（VNA）测量，研究人员发现机械滚动后的样品在介电性能方面表现优于未滚动样品，尤其是在高频区域。

在实际应用方面，机械滚动后的PVDF/NiNWs复合材料因其优异的电磁屏蔽性能和良好的物理化学特性，成为轻质电子设备的理想选择。特别是在卫星通信和微波通信领域，这种材料能够有效吸收电磁波，减少信号干扰，提高设备的稳定性。此外，机械滚动方法不仅简化了材料的制备过程，还降低了对强磁场的依赖，使其在大规模生产中更具优势。

本研究通过系统分析机械滚动对PVDF/NiNWs复合材料性能的影响，为未来开发高性能、低成本的EMI屏蔽材料提供了新的思路。同时，研究结果也为其他纳米材料在聚合物基体中的定向排列提供了借鉴，展示了机械剪切力在材料科学中的重要应用价值。