电子信息技术的迅速发展带来了诸多益处，同时也带来了重大挑战：电磁干扰。这种干扰会对人体健康和精密仪器的运行造成严重干扰。然而，传统的电磁干扰屏蔽材料往往重量过大、表面积有限且效率低下，这阻碍了它们的实际应用。

近日，电子科技大学刘书宁/刘孝波团队在期刊《Small Methods》上，发表了最新研究成果“Structural Engineering of Coaxial Fibers Toward Magnetic-Dielectric-Conductive Synergy for High-Performance EMI Shielding”。研究者通过同轴静电纺丝策略精心设计并制备了一种具有层级结构的FPZAx复合纤维膜，对纤维膜形貌与填料构型进行了精准调控。导电组分与磁性组分之间的协同耦合作用使材料在轻量化的同时实现了优异的电磁波衰减性能。

所得复合薄膜在厚度仅为 0.197 mm的情况下，实现了 62.349 dB的出色屏蔽效能，其特定屏蔽效率为 12，356.136 dB·g-1·cm2。此外，由于 BPAPEN 具有出色的疏水性和热稳定性，其膜材展现出卓越的抗污性能和长期稳定性，这极大地拓展了其在各种应用场景中的应用潜力。这项研究为具有多界面协同效应和结构可调性的柔性电磁干扰屏蔽材料的合理设计提供了新的见解。

图1：PFZA 复合纤维膜制备过程的示意图

MOFs 具有高比表面积和多孔通道，这有助于增强电磁波的吸收效果。但它们的磁性相对较差，限制了其有效吸收入射电磁波并减少磁损耗的能力。为了优化其磁性，本研究设计在 FePc/Fe3O4 杂化磁性微球的表面生长 ZIF-67，从而得到一种结合了 MOFs 优点并具有更强磁性的磁性填料。除了复合磁性填料外，我们还设计了承载填料的聚合物基体。通过同轴静电纺丝制备了复合材料，实现了各种填料的空间分布和协同整合。这种方法能够一步制备出核壳纤维，从而在连续网络中形成磁性和导电组件的协同系统。此外，静电纺丝复合纤维本身具有众多空隙和较大的比表面积，这有利于电磁波的入射、吸收和消散。如图 1 所示。

图2：PFZx 和 PFZAx 表面的扫描电子显微镜（SEM）和能谱（EDS）图像

如图2所示，在制备PFZx后，通过温和的葡萄糖还原反应在纤维表面原位生长了 AgNPs。通过静电吸附作用，纤维外壳内ZIF-67中暴露的Co2+位点为Ag+的沉积提供了成核位点，从而促进了AgNPs与聚合物基质的紧密结合。这些粒子紧密接触，有些区域呈现出桥状连接，表明导电路径的形成，并有助于连续的电荷传输网络的形成。

图3：PFZAx复合材料的屏蔽性能

为了评估复合纤维膜的电磁屏蔽性能，我们对不同样品在 X 波段的屏蔽效果进行了测量，如图3。值得注意的是，FZPA100 复合纤维膜的厚度仅为 0.197 毫米，但在 X 波段中，其平均 SET 为 62.349 dB，SEA 为 42.611 dB，SER 为 19.576 dB，A 为 0.00998，R 为 0.99002。这些结果表明，随着磁性填充物含量的增加，内部电磁波的衰减路径变长，而界面极化和磁损耗能力则显著增强。

图4：PFZAx 微观尺度屏蔽机制的示意图

从微观角度来看，FePc 分子丰富的 π 电子结构有利于 π-π 堆叠和载流子传输，为构建导电网络提供了电子基础。此外，Fe3O4 具有高磁导率和磁滞特性，在电磁辐射下显著增加了磁损耗。而且，不同功能填料之间的“电子耦合”在增强屏蔽性能方面起着关键作用。XPS 分析证实，在 FePc/ Fe3O4@ZIF-67 系统中，铁和钴之间的电子密度分布发生了显著变化，表明复合结构内存在电荷转移或重新分布。这种电子耦合增强了界面极化，并在微观尺度上促进了电磁能量的耗散。随着 FePc/ Fe3O4 磁性填料含量的增加，异质界面的数量增加，增强了相耦合，并进一步增强了极化。上述过程的示意图如图 4 所示。尽管 PFZA100 样品的吸收系数（A）仅为 0.02105，但其对应的 SEA却达到了 42.836 分贝，这表明该材料复杂、多尺度的内部结构中存在着显著的多步骤吸收机制。这种现象很可能源于微观尺度上磁性成分、导电网络和 MOF 框架之间的多次反射和极化增强。即使单位路径上的吸收量较低，材料内部的反复散射和耗散也会导致 SEA 总体上呈累积性增加。FPZA100 的反射系数（R）达到 0.979，表明其具有很强的反射性；来自未镀银一侧的大部分入射波都被反射，而进入纤维膜的其余波则通过多种成分的协同作用被耗散掉。

图5：PFZAx 宏观尺度屏蔽机制的示意图

从宏观角度来看，PFZAx 材料是通过同轴静电纺丝工艺制备而成的，其产物是具有内在孔隙和多个界面的复合纤维膜，其中纤维相互交织并相互接触。这种结构扩大了电磁波吸收、散射和能量耗散的有效路径，从而增强了电磁波的内部衰减。值得注意的是，银纳米粒子的原位沉积仅发生在 PFZx 纤维膜的一侧，作为一层反射层。当电磁波照射时，纤维芯中的多壁碳纳米管形成第一导电反射层，而沉积在外壳上的银纳米粒子与之共同构建了一个连续的双导电网络和双反射层。在施加电场的情况下，这种结构有助于有效的载流子迁移，从而增强欧姆损耗。除了之前所述的单纤维尺度响应外，整个纤维膜尺度下也会因阻抗失配而发生反射，重复之前的吸收-反射循环，并进一步提高 PFZAx 膜的 EMI 屏蔽性能。

图6：PFZAx材料的自清洁性能和柔性展示

为了扩大电磁屏蔽复合纳米纤维膜的应用范围，其在各种环境条件下固有的防污性能和疏水稳定性十分重要。使用 BPAPEN 作为聚合物基体赋予了 PFZAx 复合纤维膜表面极强的疏水性，便于通过水洗轻松去除污染物。PFZAx 复合纤维膜还表现出良好的柔韧性，并且由于其静电纺丝制造方法，适用于高端应用，如可穿戴电子设备。因此，我们认为这种材料更适合用作可穿戴电子设备的内衬材料，以增强设备的局部电磁屏蔽能力，从而为人体或精密电子元件提供额外的保护。它不应直接用作长期暴露的载体层。这种应用定位也更符合其当前的结构特点和功能界限。总体而言，这项研究为多功能复合电磁干扰屏蔽材料提供了一种新颖的设计理念，对于柔性可穿戴电子设备和智能防护系统具有良好的应用前景。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.70671

人物简介：

刘孝波，博士，俄罗斯自然科学院外籍院士、电子科技大学材料与能源学院教授、博士生导师。中国科学院首批“百人计划”、四川省有突出贡献优秀专家、国务院政府特殊津贴获得者；国家科技奖评审专家；承担（完成）国家及省部级等各类科研项目30余项，先后实现聚芳醚腈、腈基树脂及复合材料等科研成果产业化。在国内外首次创立芳腈基聚合物研究方向及研究平台。

团队近期成果：

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