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甯波材料所在電磁屏蔽材料設計與制備方面取得研究進展
作者:,日期:2019-12-01

  随着现代电子工业的快速发展,各种高集成和高功率无线通信系统和电子器件数量急剧增加,导致电磁干扰和电磁污染问题日益突出,不仅在通信领域中对信号的产生、传播和接收造成了极大的影响,而且给人类社会的生产与生活,尤其是人类身体健康带来了不容忽视的危害。联合国人类环境会议早在1969年就将电磁辐射列为继水、大气、噪声污染之后的第四大公害。电磁屏蔽材料是一类能够通过吸收和反射等方式来衰减电磁波能量传播以有效抑制电磁干扰和污染的功能材料。中國科學院宁波材料技术与工程研究所高分子事业部郑文革研究员和沈斌副研究员一直致力于高效电磁屏蔽材料的开发,前期已经在电磁屏蔽材料的制备以及性能研究方面取得一系列进展。近期,该团队又从“变废为宝”和可持续发展的角度出发,利用生物质废弃物或生活废弃物来设计和制备了轻质高效电磁屏蔽材料。

  每年夏收和秋冬之際,總有大量的小麥、玉米等稭稈在田間焚燒,産生了大量濃重的煙霧,不僅成爲農村環境保護的瓶頸問題,甚至成爲殃及城市環境的罪魁禍首。我國作爲農業大國,每年可生成數億噸稭稈,成爲“用處不大”但必須處理掉的“廢棄物”。農作物稭稈屬于農業生態系統中一種十分寶貴的生物質能資源。農作物稭稈資源的綜合利用對于促進農民增收、環境保護、資源節約以及農業經濟可持續發展意義重大。在本研究中,科研人員選用小麥稭稈作爲碳源,通過直接碳化和有序組裝的方式設計和制備了新穎的中空多孔碳管陣列(SCAs)用于高效電磁屏蔽(如圖1)。結果表明,外直徑爲約1.7-3.3m、表觀密度僅爲約72-33mg/cm3的SCAs展現出優異的電磁屏蔽效能(約57.7-44dB),這主要依賴于材料對電磁波的強反射損耗、介電損耗以及在內部多層次泡孔結構中的多重反射損耗。進一步地,科研人員將氧化石墨烯氣凝膠構築在中空稭稈的空腔內,制備了具有石墨烯氣凝膠的多孔碳管陣列(GA/SCAs)複合材料。與純SCAs相比,GA/SCAs的密度僅略微增加到約78-39mg/cm3,而電磁屏蔽效能則增加至約66.1-70.6dB。相關結果已發表于國際期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2019, 7, 9663-9670

  瓦楞紙板是目前最爲常見的包裝材料,我國快遞行業發展迅猛,包裝材料用量巨大,2016年我國快遞行業消耗的包裝箱總量約86億個,但是我國快遞包裝材料的總體回收率不到20%,只有發達國家一半左右,快遞包裝成了不小的汙染源。在日常生活中,每個人將紙板直接扔進垃圾箱是很平常的事情,如何循環利用廢棄瓦楞紙板值得我們深入思考。在本研究中,鑒于瓦楞紙板具有特殊的結構(鋸齒形折疊結構夾于兩個平行平面之間),科研人員通過直接碳化和環氧塗層增強的方式設計和制備了高性能碳化瓦楞紙板(CCB)作爲輕質結構電磁屏蔽材料(如圖2),密度僅爲約0.07-0.17g/cm3的CCB樣品具有優異的電磁屏蔽效能(約46.0-82.0dB)和比屏蔽效能(約325-1171dB/(g/cm3)),而屏蔽性能跟CCB碳化溫度或結構類型密切相關。進一步地,科研人員在CCB表面上進一步構建了超薄石墨烯皮層,以達到降低碳化溫度並保持電磁屏蔽性能的效果,爲節能提供了一種有效而簡便的方法。相關結果已發表于國際期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2019, 7, 18718-18725

  上述SCA或CCB電磁屏蔽材料與以前報道的其他碳泡沫材料相比表現出更加優異的屏蔽性能,說明這些結構對輕質和高性能屏蔽材料的制備具有很重要的參考意義。該工作得到了國家自然科學基金(51603218、51573202),甯波市2025重大科技專項(2018B10054)和甯波市自然科學基金(2018A610004)的大力資助。

 

图1 中空多孔碳管阵列(SCAs)用于高效电磁屏蔽

图2 高性能碳化瓦楞纸板(CCB)用于高效电磁屏蔽

  (高分子事业部 沈斌)