13. Flexible Sandwich-Structured Silicone Rubber\/MXene\/Fe3O4 Composites for Tunable Electromagnetic Interference Shielding
作者：Hai-Yang Li, Xuan-He Ru, Ying Song, Huan-Ping Wang, Chen-Hui Yang, Shui-Rong Zheng, Lei Gong, Xi
關鍵字：.
論文來源：期刊
具體來源：Industrial & Engineering Chemistry Research, 2022, 61, 32, 11766–11776
發表時間：2022年
為保護新一代通信技術和可穿戴電子設備，迫切需要具有強電磁波吸收和低反射的高效電磁干擾（EMI）屏蔽材料。在這項工作中，通過真空輔助浸漬和固化的方法構建了具有三明治結構的硅橡膠/MXene/Fe3O4（SRMF）復合材料。SRMF復合材料的上層和下層是含有Fe3O4顆粒和SR的磁性層，中間層是MXene氣凝膠膜和SR的三維導電網絡層。這種夾層結構使復合材料能夠有效屏蔽入射電磁波，并按照“吸收-反射-再吸收”機制改善電磁波的吸收。含有1.2wt% MXene和20 wt% Fe3O4的電磁屏蔽性能夾層結構SR復合材料達到55.5 dB，高于含有相同MXene和Fe3O4含量的共混SRM1.2F20b復合材料（23.1 dB），反射率的功率系數為0.65，SRMF復合材料在1000次彎曲循環后具有EMI屏蔽性能和良好的拉伸強度。因此，這些柔性SRMF復合材料在智能穿戴電磁防護領域具有廣闊的應用前景。
圖1（a）為SRMF復合材料的制備流程示意圖。首先，通過選擇性蝕刻MAX（Ti3AlC2）來制備Ti3C2Tx（MXene），然后，通過冷凍干燥和模壓制備MXene氣凝膠膜（MAF）。為了制備三明治狀結構的上層和下層，首先將液體SR與Fe3O4顆粒混合；隨后，將具有一定含量Fe3O4的SR倒入培養皿（作為夾層結構中的下層）；將MAF置于SR/Fe3O4層的頂部，并將適當含量的SR倒入MAF上。真空輔助浸漬用于制備SR/MMAF層，直到沒有觀察到氣泡。然后，將Fe3O4含量與第一表面層相同的SR澆注到SR/MMAF層上。最后，將培養皿置于90°C的真空烘箱中2小時，以獲得夾層結構的SR/MXene/Fe3O4復合材料。
圖1（b）和（c）顯示了SRMF的SEM圖像。從圖中可以看出，粒狀Fe3O4顆粒分布在SRM1.2Fy復合材料的上層和下層，致密的SR/MAF中間層顯示出明顯的褶皺和褶皺，EDS圖像觀察到明顯的夾層結構，Si元素分布在所有層中，表明液體SR完全浸入MAF內，固化后，復合材料的上層、中層和下層形成一個整體。復合材料中間層MXene氣凝膠膜的存在產生了三維導電網絡，這可能有利于復合材料的導電性。
圖1（a）三明治結構SR/MXene/Fe3O4復合材料的制備過程示意圖。（b）SRM1.2F5和（c）SRM1.2F20復合材料的橫截面SEM圖像和元素映射。
圖2顯示SRMF復合材料的電磁屏蔽性能。與SRM復合材料相比，隨著Fe3O4含量的增加，SRMF復合材料的平均電磁屏蔽效能從31.4 dB（SRM1.2F5）增加到55.5 dB（SRM2.2F20）。SRMF復合物在X波段的平均SEA顯著高于SRM1.2復合材料，并且SRMF的SEA隨著Fe3O4含量的增加而增加，而SER幾乎沒有變化（圖2（e））。將Fe3O4顆粒引入復合層增加了復合材料內部電磁波的磁損耗，使得更多的電磁波被衰減和吸收。如圖3（f）所示，與SRM1.2復合材料（A系0.249）相比，SRM1.2F5、SRM1.2F10、SRM1.2 F15和SRM1.2F20復合材料的A系數分別增加至0.377、0.365、0.362和0.348。因此，與SRM復合材料一樣，SRMF復合材料的屏蔽機制主要是反射性的，但表現出更多的吸收。
為了進一步揭示復合材料之間的結構差異對電磁屏蔽性能的影響，比較了夾層結構復合材料和混合樣品的電磁屏蔽性能。如圖3（g）所示，SRM1.2、SRM1.2b、SRM1.2 F20和SRM1.2F20b在X波段的平均電磁屏蔽性能分別為31.4 dB、7.65 dB、55.5 dB和23.0 dB，這表明復合材料的三明治狀結構顯示出比混合樣品更好的電磁屏蔽性能。
圖2（a）SRM復合材料的EMI SE曲線與頻率。（b）X波段SRM復合材料的平均SET、SEA、SER和（c）平均R、A。（d） SRMF復合材料的EMI SE曲線與頻率。（e）X波段SRMF復合材料的平均SET、SEA、SER和（f）平均R、A。（g）夾層結構復合材料和混合對比樣品的EMI SE曲線與頻率的關系。（h） X波段不同樣本的平均SET、SEA、SER。（i）本工作與報道的文獻之間的EMI屏蔽性能比較。
圖3顯示了三明治結構SR/MXene/Fe3O4復合材料的電磁屏蔽機理示意圖。當入射電磁波接觸復合材料的表面層時，包含絕緣SR和磁性Fe3O4的磁性層有效地調節了表面層與空氣之間的阻抗匹配，這允許更多的電磁波進入復合材料。電磁波與表面層中的Fe3O4粒子相互作用，由于鐵磁共振和渦流損耗，降低了入射電磁波能量。由于中間層和表面層之間的導電性差異，當入射電磁波接觸中間層時，發生阻抗失配，因此，一些電磁波被反射并返回到磁性表面層，在那里磁性粒子削弱了它們。其余的電磁波進入中間層，并由于MXene表面的官能團而經歷極化損失。由于中間層的連續導電網絡，在電磁波的作用下會產生微電流，從而導致歐姆損耗。同時，MAF的3D網絡結構擴展了入射電磁波的傳播路徑，導致每個入射電磁波被多次反射，并將電磁波轉換為熱量，從而進一步衰減。SR和MAF之間有大量的界面，這會產生嚴重的界面極化和電導損失。對于磁偶極子和電偶極子，在電磁場的作用下發生偏轉，進一步削弱電磁波的能量。最后，只有一小部分電磁波通過SRMF復合材料。在夾層結構的EMI屏蔽復合材料中，電磁波經歷了“吸收-反射-再吸收”過程，其中，進入磁性層的電磁波的一部分首先被吸收，然后被導電層反射并返回磁性層再次被吸收。這種屏蔽過程有效地減少了入射電磁波的反射，從而減少了它們對環境的二次污染。中間層中易氧化的MXene也受到磁性層和SR的保護，這確保了使用中復合材料的性能穩定性。
圖3三明治結構SR/MXene/Fe3O4復合材料的電磁屏蔽機制示意圖。