一种用于宽带微波吸收的超轻可压缩MWCNTs/PVDF-HFP海绵的一步可持续制备路线

《CARBON》：A One-Step Sustainable Route to Ultralight Compressible MWCNTs/PVDF-HFP Sponge for Broadband Microwave Absorption

　　一种无模板、一步相转化策略制备了超轻多壁碳纳米管/PVDF-HFP海绵。CNT/PS-15的密度为0.058 g/cm3，孔隙率为96.77%。复合海绵在50%应变下表现出37.48 kPa的抗压强度和109 kPa的杨氏模量。CNT/PS-15的总屏蔽效能达到13.21 dB，其中吸收屏蔽效能为12.69 dB。最小反射损耗为-58.91 dB，有效吸收带宽为4.2 GHz。**引言**电子设备和通信技术（包括5G/6G网络、雷达系统和先进电子设备）的空前普及，显著加剧了环境中的电磁（EM）污染[1], [2]。过量的电磁辐射会干扰敏感电子设备的可靠运行，并可能对生物体造成潜在风险。因此，开发能够高效耗散入射电磁能量的高性能电磁波吸收材料已成为紧迫的研究重点[3], [4]。在各种候选材料中，轻质三维（3D）多孔碳/聚合物结构因其低密度、高孔隙率和优异的电磁衰减能力而成为有前景的微波吸收材料。与以反射为主的电磁屏蔽材料不同，微波吸收材料将入射电磁能量在材料内部耗散，主要以热能形式，而不是将其反射回周围环境[5]。除了微波吸收外，电磁干扰（EMI）屏蔽对于保护电子设备免受有害电磁辐射也至关重要。EMI屏蔽效能量化了透过材料的电磁波的衰减，涉及反射和吸收，其中多次内部反射可能对整体屏蔽性能有所贡献。相比之下，微波吸收描述了材料吸收入射电磁能量并将其耗散（主要以热能形式）的能力。尽管这些特性不同，但吸收是构成EMI屏蔽的机制之一。以吸收为主的EMI屏蔽是可取的，因为它在衰减电磁波的同时最大限度地减少入射能量的反射。因此，反射损耗（RL）和有效吸收带宽（EAB）表征了微波吸收性能，而总EMI屏蔽效能则评估透过材料的电磁波的整体衰减[6]。这些特性对于雷达隐身、航空航天工程、无线通信和电子封装等应用非常重要。因此，设计具有强微波吸收、宽EAB、低密度和小匹配厚度的轻质材料已成为下一代电磁防护技术的主要研究焦点[7], [8]。通常，优异的吸收性能取决于两个关键因素：有效阻抗匹配和强衰减能力。有效阻抗匹配有利于入射电磁波进入吸收体，而强衰减机制则确保能量在材料内部高效耗散。因此，平衡这两个因素仍然是先进微波吸收材料设计中的主要挑战。为了满足这些要求，包括磁性金属和铁氧体在内的各类吸收材料已被广泛探索。不幸的是，由于高密度、耐腐蚀性差和阻抗失配，它们的实际应用受到限制[9]。相比之下，碳基材料因其低密度、大比表面积、优异的导电性和可调介电性能而成为有前景的候选材料[10]。其中，多壁碳纳米管（MWCNTs）具有独特的一维导电结构、高长径比、丰富的缺陷位点和优异的电子传输能力，使其成为有吸引力的介电损耗材料[11], [12]。然而，原始碳材料的过高电导率通常会导致阻抗失配，导致强烈的表面反射和有限的吸收性能。为克服这一限制，在聚合物基体中构建与导电纳米填料集成的3D多孔结构已成为电磁波传播和能量耗散的有效策略。在各种聚合物基体中，聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）与聚偏氟乙烯（PVDF）不同，因其低密度、柔韧性、化学稳定性以及由极性C-F键产生的强偶极极化而特别具有吸引力[13]。此外，多孔结构通过空气-固体界面处的多次反射和散射增强电磁波衰减，而非均质基体和填料界面产生界面极化和介电弛豫，从而实现高效能量耗散。最近的研究探索了各种多孔导电材料，包括基于碳纳米管、纤维素、三聚氰胺、聚氨酯、木材和金属有机框架的海绵，用于电磁波衰减。然而，报道的碳/聚合物海绵是使用复杂且高能耗的技术制备的，包括化学气相沉积、冷冻干燥、溶胶-凝胶法、水热/溶剂热法和模板辅助路线[14], [15], [16], [17], [18], [19]。尽管取得了这些进展，但使用一步、无模板相转化方法制备MWCNTs/PVDF-HFP海绵仍未被探索。因此，MWCNTs的掺入对这些海绵的多孔结构、机械性能、电导率和电磁性能的影响可以深入了解其结构-性能关系，并确定其在微波吸收和EMI屏蔽应用中的适用性。为填补这一研究空白，本研究提出了一种简便的一步、无模板相转化方法，用于制备轻质MWCNTs/PVDF-HFP海绵。据我们所知，先前没有研究报道通过相转化制备MWCNTs/PVDF-HFP海绵，将该技术的应用从膜制备扩展到3D多孔海绵结构。所得海绵代表了低密度、高孔隙率、良好的微波性能和良好的结构稳定性的独特组合，突出了其在电磁防护应用中的潜力，特别是以吸收为主的EMI屏蔽。**章节片段****材料**所有化学品和溶剂均为分析级，直接使用，无需进一步纯化。PVDF-HFP颗粒购自美国Sigma-Aldrich；MWCNTs购自印度Sisco Research Laboratories（SRL），纯度约95%，外径约30-50 nm，长度约10-30 μm，Type-V；N，N-二甲基甲酰胺（DMF）购自印度SRL，纯度约99.9%。去离子水（DI）由美国Millipore水净化系统获得。**轻质多孔MWCNTs/PVDF-HFP海绵的合成过程**多孔超轻复合海绵通过以下方法制备**结构与形貌分析**原始聚合物和复合海绵的XRD图谱如图3a所示。CNT/PS-0的XRD图谱显示出对应于2θ = 18.76°和27.03°的特征衍射峰，分别对应于α相的（100）和（110）晶面，表明存在半结晶结构。此外，以20.36°为中心的宽衍射带以及39.56°附近的弱峰表明存在β相，这通常与**结论**总之，通过简单、一步、可持续且无模板的方法制备了超轻多孔CNT/PS。制备的CNT/PS-15表现出互连的多孔结构，具有0.058 g/cm3的超低密度和96.77%的高孔隙率。除了轻质特性外，该海绵还表现出机械稳健性，在50%应变下的抗压强度为37.48 kPa，模量为109 kPa。多孔结构和MWCNTs的掺入有助于微波**CRediT作者贡献声明****Shilpee Chauhan:** 写作-初稿，可视化，软件，调查，正式分析，数据管理。**Pradip Kumar:** 写作-审阅与编辑，验证，监督，资金获取，正式分析，概念化。**Arun B:** 资源，数据管理。**K.C. James Raju:** 可视化，资源，正式分析**利益冲突**无利益冲突。**数据可用性**本文的大部分支持数据已包含在补充信息中。但如有需要，可根据要求提供原始数据。**竞争利益声明**作者声明，没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。**致谢**作者感谢印度博帕尔CSIR-先进材料与过程研究所所长提供的研究设施和基础设施，以支持这项工作。SC感谢印度政府科学技术部（DST）通过INSPIRE奖学金（DST/INSPIRE/03/2021/001235-IF200514，GAP-126）提供的支持。PK感谢CSIR-FTT（项目编号FTT/050609）提供的财务援助，这对Shilpee Chauhan|B. Arun|K.C.James Raju|Pradip Kumar