西北工业大学吴宏景团队《AFM》: 一种柔韧、抗腐蚀的聚酰亚胺增强复合电磁波吸收薄膜

2022-01-05 16:18:50 作者：高分子科学前沿来源：高分子科学前沿分享至：

随着5G技术的发展，依靠电磁波作为信息载体的智能电磁设备被广泛应用于各个领域。然而，新时代的来临是机遇也是挑战。这些智能电磁设备在给我们带来便利的同时也造成了很多难题。一方面，电磁波的存在会干扰某些超精密仪器的正常运行；而另一方面，长期暴露在电磁辐射下也会对人体自身的健康管理造成严重的威胁。因此，电磁波吸收材料（简称吸波材料）的发展具有重要的现实意义和经济价值，它可以通过材料自身的耗散机制将电磁波转换为热等其他形式能量，从而消除电磁的负面效应。如今，研究人员已开发出种类繁多的粉末型吸波剂（例如碳材料，金属氧化物，合金及其纳米混合物），并表现出优异的性能。但是，上述研究粉末型吸收剂均受限于样品形式，存在吸收损耗机理单一、团聚严重、机械性能差、成本高等问题，难以满足当前应用环境对新型吸波材料“轻”“柔”“宽”“强”的要求，更无法应用于其它恶劣环境。

基于此，西北工业大学吴宏景课题组报道了一种具有周期性铜基损耗单元的聚酰亚胺（PI）增强复合薄膜，这些薄膜具有适用于特定应用的可调电磁性能和优异的环境适用性。一方面，这些周期性单元优化了薄膜在交变电磁场中的电场分布，造成了更强的电导损耗。另一方面，每个单元中Air@Cu2-xS的分级结构和丰富的异构界面也带来了更强极化损耗和散射衰减。这种薄膜在X波段（8-12GHz）的吸波效率达到了391.43 %·mm-1，对电磁波形成了有效地吸收。并且，该薄膜在聚酰亚胺框架的增强下表现出优异的机械性能、热传导/散热性能和环境稳定性，有望在精密仪器、武器装备、海水抗腐蚀等领域得到广泛的应用。相关工作以题为“A Flexible, Mechanically Strong, and Anti-Corrosion Electromagnetic Wave Absorption Composite Film with Periodic Electroconductive Patterns”发表在了《Advanced Functional Materials》上，对多功能高效吸波体的设计具有深远的影响。

【具有周期性结构吸波薄膜的简易制备】

Air@Cu2-xS@PI （ACP）薄膜的主要设计路线如下图所示（图1a）。在构建过程中，以含氟PI薄膜作为框架，并使用市售的铜网作为原材料和模板，通过表面活化、原位配位反应、硫化、浸胶、亚胺化、选择性蚀刻等一系列操作，成功制备出具有周期性损耗单元的聚酰亚胺中空复合薄膜。化学结构表征证实聚酰亚胺框架在酸性刻蚀剂中可以保持长时间稳定，刻蚀后的薄膜继承了聚酰亚胺柔韧的特性并由于氟离子的引入表现出一定的透明度（图1b-d）。同时，由于聚酰亚胺框架的锚定作用，铜网本身的周期性方环结构在原位配位反应、硫化和蚀刻处理后也得以保留，经过有限元分析证明该结构在交变电磁场下对薄膜电场分布产生积极影响（图2a, b）。通过控制硫化参数进一步优化了每个周期单元的微观结构和组分，最终得到了由中空内核和多孔Cu2-xS（CuS, Cu9S5）外层组成的电磁波衰减单元（图2c-g）。

图1. Air@Cu2-xS@PI（ACP）薄膜的制备示意图（a）及其化学结构和透明性表征（b-d）

图2. ACP薄膜的组分结构表征

【ACP薄膜的电磁波吸收性能】

得益于这种周期性结构以及单个结构单元内部多样的衰减机制，ACP薄膜表现出优异的电磁波吸收性能，在0.14 mm厚度下对电磁波造成了有效的衰减，吸收系数达到了391.43 %·mm-1（图3a, b）。有限元分析结果证明，这种周期性结构的电场强度相比于无序对照样品增强了3倍，并呈现出特定的空间分布，计算得到的功率损耗也证明了这种结构对电磁波衰减的增强效果（图3c）。同时，根据密度泛函理论计算了单元内部Cu2-xS的差分电荷密度，结果表明电荷在CuS （101）/Cu9S5 （0120）异质结面存在重新分布和聚集，这在交变电磁场中会引发显著的界面极化行为（图3d, e）。