具有表面晶格和共振腔结构的微波屏蔽镀银聚合物复合材料

《Journal of Materials Science & Technology》:Microwave shielding silver-plating polymer composites with surface lattice and resonant cavity structures

【字体: 时间:2025年08月22日 来源:Journal of Materials Science & Technology 14.3

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  本研究通过表面结构和共振腔设计提升导电聚合物复合材料的电磁屏蔽性能,采用3D打印和化学银镀工艺制备样品,优化参数后材料在4-12.4GHz频段屏蔽效果显著,为新型材料开发提供参考。

  
江科|刘江涛|郑宇晨|张凯|雷晓娟|王明
中国重庆市西南大学化学与化学工程学院高级跨学科研究学院,邮编400715

引言

电子信息技术的快速发展极大地便利了人们的生活,但同时也导致了环境中杂散电磁波(EMWs)的增多,从而产生了电磁干扰(EMI)辐射污染[[1], [2], [3], [4], [5]]。这种污染不仅威胁着各种电子信息设备的稳定运行,长期暴露于此类污染中还可能对人体健康构成风险[[6], [7], [8], [9]]。因此,人们采用了EMI屏蔽材料来阻挡EMI辐射[[10], [11], [12]]。
在各种屏蔽材料中,导电聚合物复合材料(CPCs)因其低密度、低成本、优异的耐腐蚀性、良好的机械性能以及易于加工的优点而被广泛使用。CPCs还表现出可调且高效的电磁屏蔽性能[[13], [14], [15]]。通过设计不同的结构,如多层结构[[16], [17], [18]]、发泡结构[[19], [20], [21]]和隔离结构[[22], [23], [24]],可以利用聚合物基体的易加工性来提升电磁屏蔽性能。这些结构增加了电磁波的传播路径,从而实现能量衰减[[25], [26], [27]]。然而,现有的研究主要集中在CPCs内部的结构设计上,而关于通过表面结构设计来增强CPCs电磁屏蔽性能的研究相对较少[[28], [29], [30]]。利用3D打印技术可以方便高效地定制CPCs的表面结构[[31], [32], [33]]。此外,当材料结构包含亚波长尺度的空隙时,可能会产生共振效应,进一步提高CPCs的电磁屏蔽效率[[34], [35], [36]]。例如,江等人[[37]]使用3D打印的ABS模具在多壁碳纳米管(MWCNT)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料上制备了一种具有次级锯齿形(ZZ)结构的凹凸(SC)微阵列,该SC-ZZ-MWCNT/PDMS复合材料在4.0–12.4 GHz频率范围内表现出比平面样品更优越的电磁屏蔽性能。
目前,光固化3D打印技术凭借其出色的打印精度,已成为构建规则晶格结构的理想选择[[38], [39], [40], [41], [42], [43]]。其中,新兴的液晶显示光固化3D打印技术不仅具有低成本、高精度和快速打印等优点,还无需昂贵的导光装置,为多种应用提供了巨大潜力[[44], [45], [46], [47]]。然而,光敏树脂通常是绝缘的,而电导率是影响材料电磁屏蔽性能的关键参数之一[[48], [49], [50], [51]]。当电磁波传播到高导电材料表面时,导电表面会对电磁波产生强烈反射,材料内部的导电损耗会进一步减弱电磁波[[52], [53], [54]]。因此,提高复合材料的表面电导率可以提升其电磁屏蔽效果[[15]]。一种有效的提高电导率的方法是化学镀银(Ag)工艺,该工艺在材料表面形成一层银层作为导电路径[[55], [56], [57], [58]]。由于银具有优异的电导率,即使是很薄的银层也能使复合材料表现出极高的电导率[[59], [60], [61]]。
在本研究中,将表面晶格结构引入CPCs中以创建额外的界面,并构建了表面共振腔结构以产生共振效应。采用光固化3D打印机和化学镀银方法制备了具有表面晶格和共振腔结构的样品。通过电磁仿真和实验研究,探讨了晶格边长、晶格密度和晶格高度等尺寸参数以及不同共振腔对样品电磁屏蔽性能的影响。结果表明,与平面样品相比,表面晶格和共振腔结构显著提升了复合材料的电磁屏蔽性能。这项研究进一步优化了CPCs的表面结构设计,为开发新型表面结构电磁波屏蔽材料提供了宝贵的见解。

部分内容摘录

材料

紫外敏感树脂(固化波长:405 nm)购自深圳市AnyCubic科技有限公司。氢氧化钠(NaOH,AR级,99%)购自重庆川东化工(集团)有限公司。盐酸多巴胺(DA,AR级,98%)购自上海阿拉丁生化科技有限公司。三羟甲基氨基甲烷盐酸盐(Tris,AR级,99%)购自上海豫源生物科技有限公司。硝酸银(AgNO3,AR级,>99.5%)购自重庆...

具有表面晶格和共振腔结构的样品的仿真结果

图2展示了具有不同导电率、晶格尺寸和晶格密度的样品的电磁屏蔽性能和反射系数的仿真结果。随着导电率的增加,表面晶格结构的电磁屏蔽性能更优(约54 dB),当导电率达到1000 S/m时,其电磁波屏蔽效果(EMW SE)值约为46 dB,如图所示

结论

本研究通过电磁仿真和实验验证,探讨了具有表面晶格和共振腔结构的CPCs的电磁屏蔽性能及其机制,重点研究了晶格参数和共振腔频率变化的影响。采用光固化3D打印技术和化学镀银方法成功制备了规则结构的样品模型。与平面样品相比...

CRediT作者贡献声明

江科:撰写——初稿撰写、软件开发、方法论设计、数据整理。刘江涛:方法论设计、实验研究、数据整理。郑宇晨:方法论设计、实验研究、数据整理。张凯:数据整理、概念构思。雷晓娟:数据整理、概念构思。王明:撰写——审稿与编辑、监督工作、方法论设计、资金争取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金(项目编号:52173264)、中央高校基本科研业务费(项目编号:SWU-KF25028和SWU-XDJH202314)、重庆市自然科学基金(项目编号:cstc2024ycjh-bgzxm0005)以及国家重点实验室开放课题(项目编号:LSL2416)的财政支持。同时,我们也感谢西南大学分析测试中心提供的SEM测试服务。
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