日益严重的电磁辐射迫切需要高性能的电磁干扰屏蔽材料。目前,偶极子极化作为电磁干扰屏蔽领域涉及的主要损耗机制,已受到广泛关注。硫(S)、氮(N)、硼(B)、磷(P)等杂原子的掺杂可诱发缺陷或偶极极化,改善传导损耗,从而增加电磁兼容器件的消耗。迄今为止,文献报道的杂原子掺杂方法主要包括化学气相沉积、水热自组装、电弧放电和偏析生长等,上述方法都能成功地在碳材料中引入杂原子,然而,这些方法大多存在产量低、前体有毒、条件苛刻、缺乏结构调控等问题。因此,如何简单有效地实现杂原子掺杂仍然是一个重大挑战。
以亚甲蓝(MB)为氮、硫及碳源,多壁碳纳米管(MWCNTs)为导电骨架及加热层,通过微波炭化制备了N, S共掺杂碳,并与聚偏氟乙烯(PVDF)复合制备了PVDF纳米复合膜,使用傅里叶红外光谱和X射线光电子能谱对比制备的N,S共掺杂碳炭化前后的化学组分;利用扫描电子显微镜研究N,S共掺杂碳和N,S共掺杂碳/PVDF纳米复合膜的微观结构;借助矢量网络分析仪测试复合膜的电磁屏蔽效能(EMI SE),探究不同条件下的屏蔽性能变化过程,并结合材料物理结构、组成成分等因素分析其电磁屏蔽机制,探索其微观结构与屏蔽效能的内在联系;最后对N,S共掺杂碳/PVDF纳米进行纳米压入测试,分析不同填料含量对复合膜力学性能的影响。
①以MWCNTs和MB为原材料,通过微波炭化制备了N, S共掺杂碳。在MWCNTs和MB的质量比为1:1,微波功率为1000 W 90 s时,制备的N, S共掺杂碳微观结构分布均匀;经XPS半定量测试,N含量为1.70%,S含量为1.39%。②将N, S共掺杂碳与PVDF复合制备了PVDF纳米复合膜,当MB与MWCNTs的质量比为1:1时,制备的PVDF基复合膜EMI SE值最高,较相同条件下MWCNTs为导电填料的复合薄膜屏蔽效能提升约55% ;增大N,S共掺杂碳的质量分数,复合膜的EMI SE随之增大,当填充量为20 wt.%,EMI SE在8.2 GHz达到27.95 dB。继续增加N,S共掺杂碳的填充量,复合涂层的EMI SE增长减缓;复合涂层的EMI SE随着薄膜厚度的增大而增大,在薄膜厚度0.9 mm时EMI SE达到45.20 dB,此时,反射系数(R)低至0.64。③选用不同含量N,S掺杂碳的PVDF复合膜(质量分数0%,10%,20%,25%)进行纳米压入实验,发现PVDF-10、PVDF-20和PVDF-25复合涂层在测试中所需的最大压入载荷随着填料含量的增加而减小,在相同压入深度下,也基本符合这一规律,这说明复合膜表面抵抗外加载荷的能力随填料含量的增加而有了显著下降。进一步而言,同纯PVDF相比,含有10 wt.% N,S共掺杂碳的复合涂层其硬度从0.28 GPa提升到0.34 GPa,提高了21.43 %;而在同一填料含量下,材料弹性模量的变化则不明显,仅从3.80 GPa增加到4.40 GPa;当填料含量达到20%时,PVDF复合涂层的弹性模量和硬度值均降低,分别为0.25 GPa和3.60 GPa。
以N,S共掺杂碳为功能导电填料,PVDF为聚合物基体,采用溶液共混法制备了N,S共掺杂碳/PVDF纳米复合膜。相互连接的N,S共掺杂碳在基体中建立了一个完整导电网络,此外存在于碳基体中N,S原子形成电偶极子,增加了N,S共掺杂碳/PVDF复合涂层的极化损耗,从而提高其电磁波屏蔽性能,实现了对99.99%入射电磁波的屏蔽和吸收。此外,从力学角度而言,适当添加N,S共掺杂碳可以改善应力传递,抑制裂纹扩展,从而改善力学性能。随着碳材料的进一步加入,PVDF基体的粘度增大,更容易出现缺陷。
日益严重的电磁辐射迫切需要高性能的电磁干扰屏蔽材料。杂原子掺杂的碳材料能够通过电荷密度的重新分布感应产生电偶极子,改善极化损耗和传导损耗,增强电磁屏蔽效能(EMI SE)。以亚甲蓝(MB)为氮、硫及碳源,多壁碳纳米管(MWCNTs)为导电骨架及加热层,通过微波炭化制备了N, S共掺杂碳,并与聚偏氟乙烯(PVDF)复合制备了PVDF纳米复合膜。考察了MWCNTs与MB的质量比、复合膜厚度及N, S共掺杂碳填充量对屏蔽性能的影响,由于纳米复合膜具有较好的阻抗匹配性及极化损耗和传导损耗共同作用的电磁干扰屏蔽机制,当MWCNTs和MB的质量比为1∶1时制备的复合膜(厚度为0.9 mm,填充量为20wt%)在X波段(8.2~12.4 GHz)具有43.21~45.20 dB的屏蔽性能。此时,通过纳米压痕系统在应变率0.05 s−1下测得复合膜的硬度和弹性模量分别为0.25 GPa和3.60 GPa。
日益严重的电磁辐射迫切需要高性能的电磁干扰屏蔽材料。杂原子掺杂的碳材料能够通过电荷密度的重新分布感应产生电偶极子,改善极化损耗和传导损耗,增强电磁屏蔽效能(EMI SE)。以亚甲蓝(MB)为氮、硫及碳源,多壁碳纳米管(MWCNTs)为导电骨架及加热层,通过微波炭化制备了N, S共掺杂碳,并与聚偏氟乙烯(PVDF)复合制备了PVDF纳米复合膜。考察了MWCNTs与MB的质量比、复合膜厚度及N, S共掺杂碳填充量对屏蔽性能的影响,由于纳米复合膜具有较好的阻抗匹配性及极化损耗和传导损耗共同作用的电磁干扰屏蔽机制,当MWCNTs和MB的质量比为1∶1时制备的复合膜(厚度为0.9 mm,填充量为20wt%)在X波段(8.2~12.4 GHz)具有43.21~45.20 dB的屏蔽性能。此时,通过纳米压痕系统在应变率0.05 s−1下测得复合膜的硬度和弹性模量分别为0.25 GPa和3.60 GPa。