在当代社会，便携式电子设备的普及和第五代移动通信技术（5G）的到来，使得电磁（EM）辐射逐渐成为日益严重的环境问题，具有极其重要的意义。因此，设计和开发高性能的电磁干扰（EMI）屏蔽材料已成为当前的迫切 需求。导电聚合物复合材料因其重量轻、易成型和抗腐蚀等特性，在电磁保护领域得到广泛应用。然而，在当今数字设备快速更新的背景下，被替换的电子设备被广泛丢弃，变成了“电子垃圾”。此外，全球经济共识强调环境友好性，并承认可持续发展的必要性。因此，研究和开发可回收和可生物降解的EMI屏蔽复合材料，预计将成为未来电磁保护领域的主要焦点。
      传统的EMI屏蔽复合材料存在填充物重叠 不充分的问题，需要大量的填充物含量才能达到超过50 dB的高EMI屏蔽效能（SE），这往往会对复合材料的机械性能产生不利影响。最近，多种新型导电网络设计，如隔离结构、双渗流结构和三明治结构，被用于减少填充物含量并增强复合材料的EMI SE。然而，这些复合材料主要通过将电磁波反射到外层空间来阻挡电磁波，这不可避免地会导致二次污染。通过精心设计包含 磁性纳米粒子的层状结构，并结合导电填料，可以实现一种独特的微波衰减机制。当与各种吸收和反射层的系统调整相结合时，有望克服在保持低反射率的同时实现高EMI SE的挑战。
 
 
图1 a PBAT-Fe₃O₄@MWCNTs微球的合成示意图；b PBAT-Fe₃O₄@MWCNTs/Ni/Ag复合泡沫材料的制备示意图
解析与关键术语说明：
材料成分
PBAT：全称聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（Polybutylene Adipate Terephthalate），一种生物可降解聚酯，常用于环保材料开发。
Fe₃O₄：四氧化三铁（磁铁矿），具有磁性功能，可用于增强材料机械性能或实现外部磁场响应。
MWCNTs：多壁碳纳米管（Multi-Walled Carbon Nanotubes），高比表面积、导电性和力学强度，常用于复合材料改性。
Ni/Ag：镍/银双金属镀层，可能用于提升导电性、抗菌性或催化性能。
工艺流程解析
a部分（微球合成）：
可能涉及聚合物载体（PBAT）与Fe₃O₄@MWCNTs的复合过程，例如通过乳化溶剂挥发法、悬浮聚合或喷雾干燥法形成微球结构。
b部分（复合泡沫制备）：
推测为将微球与Ni/Ag镀层结合，通过化学镀、电沉积或物理混合后发泡（如超临界CO₂发泡、化学发泡剂分解）形成多孔泡沫材料。
技术逻辑关联性
微球功能：Fe₃O₄赋予磁性，MWCNTs增强力学/导电性，微球形态便于后续均匀分散。
泡沫复合：Ni/Ag镀层可能通过化学镀实现表面功能化，最终材料或应用于电磁屏蔽、柔性传感器、催化载体等场景。
 
 
图2 PBAT-Fe3O4@MWCNTs微球的SEM图像：
a 含5 wt% Fe3O4@MWCNTs；
b 含10 wt% Fe3O4@MWCNTs；
c 含15 wt% Fe3O4@MWCNTs；
d–f 不同放大倍数下PBAT-Fe3O4@MWCNTs/Ni微球的形貌；
g 对应图d的微球EDS能谱面扫；
h Fe3O4@MWCNTs纳米颗粒和PBAT-Fe3O4@MWCNTs/Ni微球的XPS能谱；
i Fe3O4@MWCNTs纳米颗粒和复合微球的磁化曲线；
j 微球在无磁场和有磁场作用下的分散状态，以及样品在磁铁作用下的响应行为。
解析：
此图及相关分析反映了复合微球的形貌、成分、磁性能及功能性表现，具体可拆解为以下研究内容：
1、Fe3O4@MWCNTs含量对微球形貌的影响（a–c）
通过扫描电镜（SEM）观测不同Fe3O4@MWCNTs质量分数（5%、10%、15%）的PBAT基微球表面形貌。
可推测填料的含量是否会影响微球结构的均匀性、团聚现象或分散状态。
2、磁性微球的形态分析（d–f） 
在高倍SEM下观察引入镍（Ni）粒子的PBAT-Fe3O4@MWCNTs/Ni微球结构，可能与导电网络构建或磁性增强相关。
3、微球成分与化学态验证（g–h）
EDS面扫（g）用于确认微球表面元素分布（如Ni是否均匀包覆）。
XPS能谱（h）对比原始Fe3O4@MWCNTs和复合微球的表面化学键合状态，验证改性是否改变材料化学特性。
4、磁性能研究（i–j）
磁化曲线（i）反映Fe3O4@MWCNTs和复合微球的饱和磁化强度，验证材料的磁性是否满足功能性需求。
磁场响应实验（j）通过对比磁场作用前后的微球分散及聚集行为，直观说明材料的磁性可控性，暗示其潜在应用（如靶向运输或自修复功能）。
意义总结：
该系列表征通过微观形貌与宏观性能的结合，系统性展示了磁性纳米复合微球的结构可控性、成分有效性及功能实用性，为电磁屏蔽材料设计提供了关键实验证据。
 
 
图3 F-PF/Ni/Ag复合泡沫材料的SEM图像：
a 含5 wt% Fe₃O₄@MWCNTs；
b 含10 wt% Fe₃O₄@MWCNTs；
c 含15 wt% Fe₃O₄@MWCNTs；
d–f 复合泡沫中Ni颗粒的分散状态；
g–i 复合泡沫中Ag层的分散状态。
解析：
此图及相关描述聚焦于复合泡沫的微观结构、填料分布及金属层的界面特性，具体可分为以下研究维度：
1、Fe₃O₄@MWCNTs含量对泡沫形貌的影响（a–c）
通过SEM观测不同Fe₃O₄@MWCNTs含量（5%、10%、15%）的复合泡沫孔结构，可能涉及：
微孔均匀性：填料含量是否影响泡孔尺寸、分布密度及连通性。
填料-基体界面结合：高填料含量下是否存在团聚现象，从而影响泡沫机械强度或电磁性能。
2、Ni颗粒的分散特性（d–f）
展示Ni颗粒在泡沫基体中的分散状态：
均匀性评估：是否形成连续的导电/磁性网络，这对电磁波吸收（磁损耗）和屏蔽效能（导电通路）至关重要。
界面相互作用：Ni颗粒是否与基体或Fe₃O₄@MWCNTs形成稳定结合，影响材料长期稳定性。
3、Ag层的分布与覆盖效果（g–i）
表征Ag层（可能为表面镀层或内部导电层）的分布特点：
覆盖连续性：Ag层是否完整覆盖泡沫表面，决定了其作为反射层的有效性（高电导率可反射电磁波）。
厚度与形貌：Ag层的厚度和微观形貌（如颗粒大小、堆叠方式）可能影响复合材料的介电损耗能力。
意义总结：
该系列SEM图像揭示了填料含量对泡沫结构的影响以及金属组分（Ni、Ag）的分散状态，核心在于验证材料的“多级结构设计”是否实现：
1、磁-电协同机制：Fe₃O₄@MWCNTs与Ni提供磁损耗，Ag层提供介电损耗，形成多层次电磁波衰减路径。
2、结构-功能关联：微孔结构通过多重反射增强吸收，Ag层则通过高反射率减少透射，共同达成“吸收为主、反射为辅”的低反射屏蔽特性。
此类分析为电磁屏蔽材料中“梯度化结构设计”提供了微观证据，支持文献提出的高效EMI屏蔽性能结论。
 
 
图4
a F-PF15/Ni/Ag复合材料顶部和底部表面的电导率；
b–c 不同Fe₃O₄@MWCNTs含量的S-PF/Ni/Ag和F-PF/Ni/Ag复合材料的电磁屏蔽效能（EMI SE）；
d–e 不同厚度的S-PF/Ni/Ag和F-PF/Ni/Ag复合材料的EMI SE；
f–g 不同Fe₃O₄@MWCNTs含量的S-PF/Ni/Ag和F-PF/Ni/Ag复合材料的平均屏蔽效能值（SE）；
h–i 不同厚度的S-PF/Ni/Ag和F-PF/Ni/Ag复合材料的平均SE值。
解析：
此图通过电导率、屏蔽效能与材料组分/厚度的关联性分析，系统验证了复合材料的电磁屏蔽性能优化路径，具体可分为以下研究维度：
1. 层状结构的电导率差异（a）
上下表面电导率对比：F-PF15/Ni/Ag复合材料顶部和底部的电导率差异，可能反映其层状设计中Ag层的引入（如顶部镀银），通过高导电层增强反射能力，而底部依赖磁性/导电填料的吸收能力，形成“吸收-反射”协同屏蔽机制。
2. 填料含量对屏蔽效能的影响（b–c, f–g）
Fe₃O₄@MWCNTs含量与SE的关系：
填料含量增加可能提升材料的导电性（降低阻抗）和磁损耗能力，从而提高整体SE值。
对比S-PF（无发泡结构）与F-PF（发泡结构）的SE差异，可验证微孔结构通过多重反射/散射对电磁波吸收的增强作用。
3. 厚度对屏蔽效能的调控（d–e, h–i）
厚度依赖性：SE随厚度增加而上升，符合电磁波在材料中衰减的指数规律（SE∝t ）。
结合发泡与非发泡结构的对比，进一步证明微孔结构在降低材料密度（轻量化）的同时，仍能通过结构设计保持高SE。
4. 发泡与非发泡性能对比（f–i）
发泡结构（F-PF）的优势：
微孔诱导的多次反射延长电磁波传播路径，增强吸收效应；
与Ag层结合可减少直接反射（低反射率），符合“吸收为主”的绿色屏蔽理念。
非发泡结构（S-PF）的局限性：高密度材料虽可通过高填料含量提升SE，但可能导致反射率高、材料笨重等问题。
意义总结：
该图通过多参数关联实验，明确了层状设计、填料含量、厚度及发泡结构对电磁屏蔽效能的综合作用机制：
轻量化与高效能的平衡：微孔结构在降低密度的同时，通过结构设计维持高SE，满足便携设备对轻质屏蔽材料的需求。
屏蔽机制的可控性：Ag层与磁性填料的协同作用实现了“吸收-反射”功能分区，而发泡结构进一步优化电磁波衰减路径，最终达成文献提出的“低反射、高吸收”特性。
此数据体系为电磁屏蔽复合材料的性能优化和工程化应用提供了关键支撑。
 
 
图5 
a 不同Fe₃O₄@MWCNTs含量（1.8 mm厚度）的S-PF/Ni/Ag和F-PF/Ni/Ag复合材料的功率平衡；
b 不同厚度（Fe₃O₄@MWCNTs含量15 wt%）的S-PF/Ni/Ag和F-PF/Ni/Ag复合材料的功率平衡；
c F-PF/Ni/Ag复合材料在75%应变压缩实验中的应力-应变曲线；
d F-PF/Ni/Ag复合材料的抗压强度和模量；
e 在100 g砝码压力下经过500次剥离实验前后，S-PF/Ni/Ag复合材料的电磁屏蔽效能（EMI SE）；
f 在相同条件下F-PF/Ni/Ag复合材料的EMI SE变化。
解析：
此图综合展示了复合材料的电磁能量分配机制、力学性能及耐久性，研究要点如下： 
1. 功率平衡与材料参数的关联性（a–b）
*功率平衡（Power Balance）：反映电磁波入射能量（Pinc）在材料中被吸收（A）、反射（R）和透射（T）的占比，即A+R+T=100%。
*填料含量影响（a）：Fe₃O₄@MWCNTs含量增加可能通过增强导电网络（提升反射R）和磁损耗（提升吸收A），优化能量分配。
*厚度影响（b）：厚度增加延长电磁波传播路径，导致吸收率A上升（多次反射衰减），透射率T降低。
*S-PF（非发泡）与F-PF（发泡）对比：发泡结构的微孔诱导多重散射，可能进一步增强吸收效率，降低反射率。
2. 力学性能评估（c–d）
*应力-应变曲线（c）：曲线形状反映材料的压缩形变行为，例如弹性阶段、塑性屈服或断裂点，判断材料是否具有柔性或刚性特征。
*抗压强度与模量（d）：定量表征材料抗变形能力（强度）和刚性（模量），验证其能否满足实际应用中的机械负载需求。
3. EMI屏蔽效能的耐久性（e–f）
剥离实验前后SE变化：
*S-PF性能下降（e）：若屏蔽层（如Ag涂层）因机械剥离发生脱落，会导致导电网络破坏，SE显著降低。
*F-PF稳定性（f）：发泡结构可能通过增强界面结合力（如Ag层与多孔基体的锚定效应）抵御机械损伤，维持高SE。
意义总结：
此图通过多维度实验数据揭示了复合材料的核心性能指标：
屏蔽机制优化：通过调控填料含量和厚度，实现电磁能量以吸收为主导的高效分配（低反射、高吸收），契合绿色屏蔽需求。
轻量化与强韧化的平衡：发泡结构在降低密度的同时，兼具优异的抗压强度和界面稳定性，满足电子设备对轻质、耐用屏蔽材料的需求。
实际应用可靠性：剥离实验证明材料在长期机械应力下的性能稳定性，为其在柔性电子、可穿戴设备等场景的应用提供数据支持。
 
 
图6
a 复合泡沫材料内部的电磁波耗散机制示意图；
b 本工作与文献已报道的电磁屏蔽材料的电磁屏蔽效能（EMI SE）与反射率（R值）对比。
解析：
此图通过屏蔽机制理论模型和性能对标分析，阐明了复合泡沫材料的创新性与技术优势，核心解析如下：
1. 电磁波耗散机制解析（a）
多级衰减路径：
*多重反射：泡沫微孔结构延长电磁波传播路径，促进其在孔壁（含导电/磁性填料）间的多次反射，增强能量吸收。
*吸收-反射协同：
磁性损耗：Fe₃O₄@MWCNTs和Ni颗粒通过磁滞损耗、涡流损耗消耗电磁能；
介电损耗：Ag层和导电网络通过界面极化、电导损耗衰减电磁波；
阻抗匹配：多孔结构降低材料表面阻抗，减少初始反射（低R值），使更多电磁波进入材料内部被吸收。
2. 性能对标与突破性分析（b）
*高SE-低R的平衡：本研究的复合泡沫数据点（红点）位于文献数据的高SE（＞50 dB）且低R（＜0.3）区域，表明其突破传统屏蔽材料“高屏蔽依赖高反射”的局限，实现“吸收主导型”屏蔽。
*关键创新点：
轻量化与高效能统一：微孔结构降低材料密度，同时通过结构设计保持高SE，优于传统致密金属或碳基复合材料。
环保屏蔽特性：低反射率（R值）减少电磁二次污染，符合绿色电子设备需求。
文献对照意义：与石墨烯气凝胶、金属箔/泡沫等材料对比，突显本工作中多组分（磁性、导电、发泡）协同设计的性能优势。
意义总结：
图6通过机理与数据的双重论证，揭示了复合泡沫材料的电磁屏蔽性能提升路径及其工程应用潜力：
机制创新：多孔结构联合磁-电填料的分级设计，为“宽频带、低反射”屏蔽材料提供了新思路。
技术对标价值：性能数据超越现有文献标杆，验证了该材料在航空航天、柔性电子等领域替代传统屏蔽材料的可行性。
       总之，我们通过隔离网络和scCO₂发泡的集成设计，开发了具有高屏蔽效率和低反射率的层状结构PBAT/Fe₃O₄@MWCNTs/Ni/Ag复合泡沫材料。隔离导电网络由通过相分离技术合成的PBAT/Fe₃O₄@MWCNTs微球上的重叠镍粒子组成，而附着在复合材料顶部的银 层则构成了独特的层状结构。Fe₃O₄@MWCNTs纳米粒子和微孔结构促进了磁损耗和电磁波的多重反射吸收，从而增强了微波的衰减。同时，银粒子层主要控制介电损耗。上述效应有机地结合了多种损耗模式，形成了“吸收-反射-再吸收”的EMI屏蔽机制。研究结果表明，所提出的复合泡沫材料平均EMI SE可达68.0 dB，反射率仅为23%。此外，这些复合泡沫材料即使在经过500次粘附实验后，仍表现出强大的EMI屏蔽性能。本研究 为开发具有可靠高吸收率和高效EMI SE性能的EMI屏蔽材料提供了一种巧妙的策略。https://doi.org/10.1007/s40820-023-01246-8

转自《石墨烯研究》公众号