科普 | 电磁屏蔽材料发展趋势
随着5G技术、人工智能、物联网、大数据的快速发展及其在无人系统、高速通信、工业互联网、未来能源、航空航天等领域的广泛应用，信息技术的发展水平已成为综合国力的体现。然而，电子设备在运行过程中会对外界产生不良的电磁干扰（EMI），不仅影响附近电子设备的正常运行，还会增加相关工作人员出现头痛、抑郁、免疫缺陷等其他疾病的风险 。因此，迫切需要高效的EMI屏蔽材料来衰减电磁波，以保护电子设备的正常运行和人体健康。在此背景下，致力于各种高性能EMI屏蔽材料的发展已成为研究的热点。以下将介绍常见EMI屏蔽材料的优缺点：
1. 传统的金属材料（如银、铜、铁、镍等及其合金）常被用作EMI屏蔽材料，常见的包括高导电金属，如铝箔、铜箔，其中表面反射是主要的损耗机制 。然而，金属的高密度、易腐蚀和柔韧性差使其难以满足理想的EMI屏蔽材料的要求，限制了其在小型智能电子产品中的广泛应用。即具有重量轻、屏蔽效率高、带宽宽、耐腐蚀性能好等特性成为了EMI屏蔽材料的研究方向。
科普 | 电磁屏蔽材料发展趋势
2. 导电聚合物复合材料(CPC)由于其重量轻、机械柔韧性高、耐腐蚀性好、加工成本低等优点，成为了代替传统金属屏蔽材料的最好的解决方案之一。此外，与金属基屏蔽材料相比，CPC表现出低表面反射，在伪装和隐身技术等应用中更受欢迎。导电聚合物复合材料是指在聚合物基体中加入导电填料，通过一些特定的加工工艺获得的具有EMI屏蔽性能的多相复合材料。在CPC常用导电填料主要包括金属材料，本征导电性材料和碳材料。其中，碳材料具有质量轻、同素异形体众多、力学性能好等特点，在CPC中得到了较为广泛的应用。
图2.CPC用于具有多种界面结构的EMI屏蔽，如隔离、多层/夹层、泡沫/多孔结构等。[1]
不幸的是，由于 CPC 的导电性较低，CPC 的 EMI 屏蔽效率 (SE) 通常低于金属材料。为了实现 CPC 的高性能 EMI 屏蔽，需要大量的导电填料来形成足够的屏蔽网络。高含量的导电填料通常会导致机械劣化、成本增加和加工困难。况且导电聚合物复合材料的机械性能和热稳定性差等缺点限制了它们的进一步应用。
材料的屏蔽能力微观上依赖于电磁波（EMW）的反射和吸收。随着屏蔽材料的不断发展，研究热点已经从金属材料、本征导电聚合物发展到CPC。事实证明，导电网络的构建与微波衰减能力密切相关。因此，CPC的EMI屏蔽从宏观角度取决于填料的选择和结构设计。一般来说，导电填料可分为金属填料、碳填料和本征导电聚合物。金属填料（Ag、Cu、Ni、LM、MXene等）可以赋予 CPC 高效的 EMI 屏蔽材料，因为它们具有极高的导电性。
然而，由于价格昂贵、密度大、不稳定等原因，在实际应用中仍然存在限制。碳填料（CNT、CB、rGO、GE、CNF等）因其密度低、导电性高而成为应用最广泛的填料之一。本征导电聚合物（PANI、PEDOT 等）也可用作 CPC 的导电填料，用于 EMI 屏蔽。此外，导电填料的尺寸对CPC的EMI屏蔽也很重要。一般来说，二维填料在零维、一维和二维填料中表现出最优异的 EMI 屏蔽性能。
3. 聚合物基复合材料由于其低密度、耐腐蚀、具有竞争力的价格和良好的可加工性，已广泛应用于EMI屏蔽领域。然而，大多数聚合物基体本身具有绝缘性，严重限制了在电子产品、新能源汽车、医疗设备、柔性电路板等对EMI屏蔽要求高的领域的应用。目前，研究人员通过将导电填料与树脂基体复合，有效解决了聚合物基复合材料EMI屏蔽性能差的问题。同时，碳纳米管、石墨烯、金属纳米线/颗粒和 MXene 已被广泛用作聚合物基复合材料的导电填料。
然而，目前的聚合物基复合材料与金属材料相比，存在导电率低、EMI屏蔽性能差等缺点。如何通过高效的结构设计提高聚合物基复合材料的EMI屏蔽性能已成为亟待解决的技术难点和科学问题。除了导电填料的用量和类型对聚合物基复合材料的EMI屏蔽性能有显著影响外，复合材料的结构设计和导电填料在树脂基体中的分布取向也同样重要。到目前为止，关于聚合物基体 EMI 屏蔽复合材料的不同结构类型的研究很少。
4. 碳材料，如石墨烯、碳纳米管 (CNT)、介孔碳、碳纳米纤维 (CNF)，由于具有许多特点，包括低密度、天然丰度、低成本、优异的导电性和出色的机械性能，因此具有作为 ESM 的巨大潜力。
图3.碳纳米管复合材料的电磁屏蔽[2]
5. 与碳材料相比，二维层状过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物（MXenes）具有突出的σ、突出的亲水性和化学活性，相关研究发展极为迅速。三维 (3D) 结构中重复反射和散射的复杂界面提供了更长的导电路径，因此更好地屏蔽了电磁波。然而，由于MXenes之间的弱相互作用和较差的凝胶化能力，很难通过MXenes的自组装来构建具有优异机械性能的独立3D结构。当用于 EMI 屏蔽时，MXenes 通常被应用到具有优异机械承载性能的聚合物基体中。然而，关于MXenes 在聚合物基体 EMI 屏蔽复合材料中的应用的报道较少。
图3.碳纳米管复合材料的电磁屏蔽[2]
因此，详尽回顾MXenes在该领域的应用和研究进展，有利于促进对MXenes的深入了解，推动MXenes及其MXenes/聚合物基EMI屏蔽复合材料的进一步突破和发展。
参考文献
1.Wang M, Tang X H, Cai J H, et al. Construction, mechanism and prospective of conductive polymer composites with multiple interfaces for electromagnetic interference shielding: a review[J]. Carbon, 2021.
2.Guan Q F, Han Z M, Yang K P, et al. Sustainable Double-Network Structural Materials for Electromagnetic Shielding[J]. Nano Letters, 2021, 21(6): 2532-2537.
3.Li Y, Tian X, Gao S P, et al. Reversible crumpling of 2D titanium carbide (MXene) nanocoatings for stretchable electromagnetic shielding and wearable wireless communication[J]. Advanced Functional Materials, 2020, 30(5): 1907451.
