随着电子技术/器件的广泛发展，自然源和人工电子器件产生的电磁干扰(EMI)污染，不仅会造成灵敏电子设备的故障，而且还对人体健康产生有害影响。传统以厚金属片或泡沫材料为基础的电磁干扰屏蔽材料由于重量大、柔韧性差、成本高、反射性强等原因，往往难以与现有的电气防护服和人体防护服相结合。为了解决这一问题，设计和制备具有高屏蔽效能的柔性、轻量化电磁干扰屏蔽材料受到了广泛的关注。

高效多光谱电磁干扰(EMI)屏蔽膜，耐宽温度范围强，热隔离能力强，可以有效防止人体和便携式敏感电气设备在恶劣条件下受到有害的电磁辐射。鉴于此，吉林大学王策教授团队通过静电纺丝和后处理成功构建了PAN/W₁₈O₄₉/Ag 复合纳米纤维膜(P-W₁₈O₄₉-Ag NM)。由于高电导率 (~30400Scm-1) 和多孔结构，该薄膜对多频段表现出优异的EMI 屏蔽效果 (SE)：(i) 从 8 到 26.5GHz 的最高 SE 为 ∼100.9dB (厚度：0.11mm）：（ii）全红外波段（15～150THz；厚度：0.11mm）的低发射率（从0.26到0.6）； (iii) 30keV（6.8–22.7EHz；厚度：1.92mm）的 99% X 射线衰减。此外，所制备的膜还具有良好的隔热性能，可以抑制由入射电磁波照射或外部热环境引起的热量，从而保护基材。最重要的是，该膜在宽温度范围（-196°C 至 385°C）内也实现了强大的温度耐受性。这些功能使P-W₁₈O₄₉-Ag NM在为人类和灵敏电子设备在恶劣温度下构建 EMI 层提供了具有巨大的潜力。相关研究成果以“PAN/W₁₈O₄₉/Ag nanofibrous membrane for high-efficient and multi-band electromagnetic-interference shielding with broad temperature tolerance and good thermal isolating capacity”为题目发表于期刊《Composites Part B: Engineering》上。 

图1  a) P-W₁₈O₄₉-Ag纳米纤维膜制备示意图。b)与人体服装的柔韧性和融合性。

PAN/W₁₈O₄₉/Ag 纳米纤维膜的制备过程

首先，采用静电纺丝法制备了PAN纳米纤维膜。然后用乙二胺(EDA)处理聚丙烯腈，形成端胺基PAN纳米纤维膜。通过溶剂热反应将连续的W₁₈O₄₉纳米结构修饰在PAN表面形成二元的P-W₁₈O₄₉ NM。最后，通过化学镀工艺在 P-W₁₈O₄₉ NM 的外表面上对连续的 Ag 壳进行改性，形成 PW₁₈O₄₉-Ag NM。从而实现了具有开孔纳米/微孔的导电P-W₁₈O₄₉-Ag 纳米纤维膜。考虑到内芯(PAN)的柔韧性，所制备的三元P-W₁₈O₄₉-Ag 纳米纤维膜表现出良好的柔韧性，可以弯曲、缠绕在手指、手臂上，并很容易与人体服装融合(图1b)。

图 2. a)-d) 每一步样品的光学照片和 SEM 图像。

图 3. a) P-W₁₈O₄₉ 和 P-W₁₈O₄₉-Ag NM 的 XRD。b) 和 c) 单根纳米纤维内 W 和 Ag 的 EDX分布。d) Ag 的 HRTEM。e) SASCs 对 P-W₁₈O₄₉-Ag NM 电导率的影响。f) P-W₁₈O₄₉ 和 P-W₁₈O₄₉-Ag NM 的 XPS 测量光谱。g) 和 h) P-W₁₈O₄₉ NM 和 P-W₁₈O₄₉-Ag NM 的 W 4f 的高分辨率。i）P-W₁₈O₄₉-Ag NM 的 Ag 3d 的高分辨率。

图 4. a) 银氨溶液浓度 (SASC) 对 P-W₁₈O_49-Ag NMs 对微波频率 (8 - 26.5 GHz) 的平均 EMI SE 的影响。b) - d) P-W₁₈O₄₉-Ag NM 在微波频率下不同银氨溶液浓度 (SASC) 下的 EMI SE 变化。

红外屏蔽特性和良好的热隔离性能

P-W18O49-Ag纳米材料的高电性(~ 30400 S cm-1)和多孔结构，使其在近红外(2.5-8 μm)、热红外(8-14 μm)和远红外(14-20 μm)范围内具有良好的红外隐身性能。采用FILIR ONE红外成象仪，以棉布为基准，测量热基板表面温度(人手，初始温度为36.5℃)，并停留30 min，进一步验证了该膜的红外隐身性能(图5d)。当手被棉布覆盖时，最终表面温度为33.5℃。有趣的是，使用P-W18O49-Ag NM 覆盖手时，最终表面温度仅为 26.3 ℃。

图 5. a)-c) P-W18O49-Ag NM 从近红外、热红外和远红外区域的发射率。d) 手、棉布覆盖的手和 P-W18O49-Ag NM 覆盖的手的数码相机照片和 IR 数码相机图像。e) 棉布与手的温差和 P-W18O49-Ag NM 与手的温差变化。f) P-W18O49-Ag NM 在直流电压下 30 分钟的温度变化。

耐温性能研究

强耐温性对于电磁干扰屏蔽膜在宽温度范围内的应用至关重要。为了评估P-W18O49-Ag的低温限制，采用液态氮(- 196℃)对纳米纤维膜处理30分钟。研究结果表明，膜P-W18O49-Ag NM对纳米级聚合物内芯仍表现出良好的柔韧性。

图 6. a) 衰减率与样品厚度和光子能量的关系。b) 基于 P-W18O49-Ag NM、Ag 箔、Pb 箔和 Al 箔的质量衰减系数比较。c)P-W18O49-Ag NM 在液氮处理前后的柔韧性。d) 通过 TGA 测试 NM 的高温耐受性。

小结：综上所述，作者展示了基于三元P-W18O49-Ag NM的可穿戴多光谱电磁干扰屏蔽材料，该材料具有良好的耐温性和较高的热隔离能力。所制备的P-W18O49-Ag NM对微波、红外和x射线等多波段具有良好的电磁干扰屏蔽功能。此外，由于有机(PAN)核，双连续无机(W₁₈O₄₉和Ag)壳，以及固有的微/纳米级多孔结构贯穿整个膜，使得该膜具有超高导电性、低导热性、良好的透气性、同时也获得了耐高温性能。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.109793