背景介紹
電磁屏蔽（EMI）在便攜式電子設備、無線通信、航空航天、軍事和醫療設備領域至關重要，是保證設備正常運轉不可或缺的手段。隨著智慧照明和可穿戴設備的發展，迫切需要尺寸小、重量輕、柔韌性好、疏水性強、EMI性能好的材料，但是目前的EMI材料多以金屬為主，很重而且韌性差。
針對這種需求，研究者已經開發了眾多功能性導電納米複合材料或組件，如基於碳納米管（CNT）、石墨烯、過渡金屬碳化物（MXene）和金屬納米纖維的材料。其中，在EMI材料中引入微孔結構，通過增加入射電磁波的反射次數可以有效提高屏蔽效率（SE），這種做法越來越受到人們的青睞，這種材料的歸一化比SE值（SSE）甚至達到了驚人的136752 dB·cm2·g-1。
雖然微孔結構的EMI材料電磁屏蔽性能優異，但其厚度達到了毫米甚至釐米級，而且機械性能差，柔韌性不足，嚴重阻礙了實際應用。
成果介紹
基於以上分析，蘇黎世聯邦理工學院Jing Wang教授課題組設計了一種金屬包裹的聚合物納米纖維微孔膜，這種薄膜厚度只有數微米，但卻有著優異的電磁屏蔽性能：SSE達到驚人的232860 dB·cm2·g-1，2.5μm厚的薄膜SE高達60 dB，彎折1000次後SE仍能達到53 dB，遠超行業要求的20 dB。同時這種材料密度僅1.6 g·cm-3，比A4紙略重，還具有抗菌和防水功能，是一種很有應用前景的超高性能EMI屏蔽材料。
金屬包裹微孔膜的製備和表徵
圖1.（a）靜電紡絲製備尼龍微孔膜；（b）將多層微孔膜進行熱壓，使其熔融交聯；（c）熱壓微孔膜的SEM圖像，金屬包裹點在黃色圓圈內；（d）熱壓微孔膜的放大SEM圖像。
研究者首先利用靜電紡絲製備出1.2 µm和2.5 µm厚的尼龍微孔膜，將多層微孔膜在200℃、2噸壓力下熱壓20 min，使其熔融、交聯得到熱壓膜，這有利於提高薄膜的機械強度。為了更好的讓金屬包裹住微孔膜，研究者在薄膜表面聚合了一層聚多巴胺（pDA），然後將薄膜浸入含有Cu2+或者Ag+離子的溶液中，以硼烷二甲胺（DMAB）或者葡萄糖為還原劑將Cu2+或者Ag+沉積到微孔膜上，製備出金屬包裹的納米纖維薄膜。
圖2.（a）銅包裹納米纖維的SEM和AFM圖像；（b）薄膜橫截面的SEM圖像；（c）微孔膜結構示意圖；（d）微孔膜的照片，尺寸為4×7 cm2；（e）即使膜發生褶皺，LED仍會持續發光；（f）在低驅動電壓（1V）下，薄膜均勻的電熱行為（溫度範圍在22.5~31.0℃之間）；不包Cu（g）和包Cu（h）薄膜的接觸角；純聚合物納米纖維膜（i）和Cu包裹的聚合物納米纖維膜（j）對大腸桿菌的抑制性能（綠點對應活細菌，紅點對應死細菌）。
研究者對微孔膜進行了結構表徵，發現熱壓交聯後，納米纖維之間產生了結合點，被金屬包裹後，金屬納米層之間結合牢固，顯著降低了薄膜中金屬層之間的接觸電阻。pDA層的引入實現了Cu納米顆粒在纖維上的連續均勻生長，有利於金屬緊緊的包裹住納米纖維。金屬包裹前後，尼龍納米纖維的平均直徑分別為84 nm和86 nm，金屬包裹的纖維結構對於薄膜的高電導性以及高EMI性能至關重要。
薄膜的微孔結構，以及金屬和納米纖維之間的牢固結合，使得薄膜具有很高的抗機械變形能力和出色的可彎曲性。經過1000次彎曲後，薄膜電導率沒有變化，說明金屬層與尼龍納米纖維的粘合非常牢固。
薄膜的溫度分佈非常均勻，4×4 cm2的薄膜在1V的低壓下溫度可以達到30℃，非常適合用作戶外使用的柔性可穿戴電加熱器設備。包裹金屬後，薄膜接觸角從30°增加到110°，將親水膜轉變為疏水膜的同時還具有優秀的抗菌性能和透氣性。
銅包裹微孔膜的EMI性能
圖3.銅包裹微孔膜的EMI性能。（a）X波段中的EMI性能；微孔膜的（b）電導率和密度，以及（c）EMI屏蔽機理；（d）在10 GHz時，改變反應時間對薄膜EMI性能的影響；（e）X波段不同厚度薄膜的EMI性能；（f）在整個X波段範圍內，薄膜屏蔽性能的理論計算與實測值的對比；（g）在超寬頻率範圍內薄膜的EMI性能，以及1000次彎曲前後薄膜在X波段的EMI性能；（h）5.0和2.5μm厚的銀包裹微孔膜的EMI性能；（i）不同厚度的銅包裹PVDF微孔膜的EMI性能。
研究者研究了金屬包裹微孔膜的EMI性能。發現通過調節反應時間，可以改變納米纖維上的金屬含量，從而優化材料的電導率和EMI性能：金屬包裹反應1 h後，材料的電導率僅為7.18 S·cm-1，在X波段（8.2~12.4 GHz）的SE值為15 dB；反應時間延長到1.5後，薄膜厚度達到2.5 μm，材料電導率提高到7870 S·cm-1，SE高達60dB，遠遠超出了業界要求的20 dB，可以衰減99％的入射電磁波。隨著反應時間的延長，材料密度有所增加，反應2小時後材料密度僅為1.6 g·cm-3，比A4紙略重。
延長靜電紡絲的時間可以增加薄膜厚度，薄膜越厚越有利於增加入射電磁波的反射次數，有利於提高EMI性能：當薄膜厚度從1.2微米增加到5.0微米後，SET和SEA顯著增加。
研究者在各種頻率範圍內（X、Ku、Q、太赫茲波段）研究了薄膜的EMI性能，與其它材料相比，本文製備的材料在更寬的頻率範圍內均表現出優異的性能。2.5 µm厚的薄膜在經過1000次彎曲後SE仍保持53 dB，表現出優異的穩定性。
研究者還製備了Ag包裹的微孔膜，其電導率達到31200 S·cm-1，在2.5至5.0μm的厚度下SE值高達55.1至77.6 dB，但是在相同厚度下，Ag薄膜的性能與Cu薄膜類似，均高於Cu包裹的PVDF薄膜。
小結
蘇黎世聯邦理工學院Jing Wang教授課題組設計出一種質量輕、柔韌性好、超薄的金屬包裹納米纖維薄膜，可以用作EMI材料。與傳統材料相比，這種材料厚度僅2.5 μm，電導率達到7870 S·cm-1，SE更是高達60dB，遠遠超出了業界要求的20 dB，可以衰減99％的入射電磁波，而密度僅為1.6 g·cm-3，比A4值略重。經過1000次彎曲後，Cu包裹納米纖維薄膜的SE仍然高達53 dB，表現出優異的柔韌性和性能保持率。這種薄膜不僅EMI性能優異，還具有抗菌和防水等多重功能，在智慧照明和可穿戴設備中有廣泛應用。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201908496
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