具有可切换电磁干扰屏蔽和高效的红外隐身性能的复合材料

摘要：具有可调电磁屏蔽性能的智能电磁干扰屏蔽材料成为信息社会重要而迫切关注的问题。近期，江南大学刘天西教授、王子成副教授通过在聚氨酯无纺布（Ni@TPU）表面进行化学镀镍，然后与液态金属（LM）网格结合，制成了一种可切换且低反射率的 EMI 屏蔽复合材料。相关研究内

江南大学刘天西教授团队：具有可切换电磁干扰屏蔽和高效的红外隐身性能的复合材料

具有可调电磁屏蔽性能的智能电磁干扰屏蔽材料成为信息社会重要而迫切关注的问题。近期，江南大学刘天西教授、王子成副教授通过在聚氨酯无纺布（Ni@TPU）表面进行化学镀镍，然后与液态金属（LM）网格结合，制成了一种可切换且低反射率的 EMI 屏蔽复合材料。相关研究内容以“Stretchable liquid metal grid/metallized polyurethane composites with switchable electromagnetic interference shielding and efficient infrared stealth performance”为题目，发表在期刊《Chemical Engineering Journal》 ( IF 13.3 )上。

本文要点：

1、在聚氨酯非织造布（Ni@TPU）表面化学镀镍，结合液态金属（LM）栅格制备可切换低反射率电磁干扰屏蔽复合材料。

2、Ni@TPU与LM网格的协同结合，有效地促进了分层阻抗匹配的合理构建。同时，它促进了Ni@TPU反射的电磁波与LM网格之间的破坏性干扰。因此，可以实现优异的低反射率EMI屏蔽性能。

3、更重要的是，通过反复拉伸Ni@TPU/LM，可以轻松实现可切换的EMI屏蔽性能。此外，蓬松的无纺布和低红外发射率的LM栅格使其具有出色的红外隐身性能。

4、这种优异的低反射率电磁干扰屏蔽开关性能，结合灵活的红外隐身性能，使其成为智能电磁干扰屏蔽材料，在伪装容器窗口应用场景中具有很大的应用前景。

开发的电磁干扰（EMI）屏蔽复合材料的关键特性有哪些？

1、EMI屏蔽效果（EMI SE）：该复合材料在27–40 GHz频率下的EMI屏蔽效果显著，厚度为1.2 mm时，屏蔽效果可达到33.0 ~ 31.0 dB。

2、低反射率：复合材料设计为具有低反射率，反射系数（R）可降至约0.4，这有助于减少反射电磁波造成的二次污染。

3、动态可调性：EMI屏蔽性能可以通过温度、电压、湿度和应力等外部刺激动态调整。这使得复合材料的开/关可切换EMI屏蔽效果可以在1.5到25.5 dB之间变化。

4、可拉伸性和柔韧性：该复合材料具有可拉伸性，能够在机械变形下保持性能，这对于柔性电子和软机器人等应用至关重要。

5、分层阻抗匹配：Ni@TPU和LM网格的结合形成了分层阻抗匹配结构，增强了入射电磁波的引入和耗散。

这些特性使得该复合材料成为各种技术领域中先进EMI屏蔽应用的有前景的候选材料。

可拉伸液态金属复合材料有多种潜在应用，包括：

1、智能电磁干扰（EMI）屏蔽材料：由于其可切换和低反射率的EMI屏蔽性能，这些复合材料可以用于智能通信设备，有效保护设备免受电磁干扰，同时保持信号完整性。

2、柔性电子产品：复合材料的可拉伸性和柔韧性使其适合用于柔性电子设备，如可穿戴技术等。

3、红外隐身应用：复合材料的低红外发射率使其适用于需要红外隐身的应用，如军事或安全目的的伪装材料。

4、软机器人：复合材料的机械性能使其能够集成到软机器人系统中，在这些系统中，灵活性和适应动态环境的能力至关重要。

5、传感器和执行器：可用于开发先进的传感器和执行器，这些设备需要响应性和适应性材料，从而增强其在各种应用中的功能。

这些应用突显了可拉伸液态金属复合材料在现代技术中的多样性和创新潜力。

图1 制作Ni@TPU/LM无纺布的示意图。

图2 (a) TPU, (b) Ni@TPU和(c) Ni@TPU/LM的照片。(d) TPU, (e) Ni@TPU-0, (f) Ni@TPU, (h) Ni@TPU/LM的SEM图像。(g)TPU、Ni@TPU和Ni@TPU/LM。（i-k） Ni@TPU/LM的EDS图像。

图3 (a) 100%应变2000次后Ni@TPU的EMI SE（SET， SEA， SER）。(b) LM@TPU的EMI SE （SET， SEA， SER）。(c) Ni@TPU/的SET、(d) R和(e) A不同拉伸程度下的LM Ni@TPU。(f) Ni@TPU/LM不同厚度Ni@TPU的SET、(g) R、(h) A。

图4 (a)不同网格尺寸下Ni@TPU/LM的特定和(b)平均EMI SE（SET， SEA和SER）。(c)电磁干扰屏蔽机制示意图Ni@TPU / LM。(d)不同网格尺寸下Ni@TPU/LM的比功率系数和(e)平均功率系数。功率系数模式为（f, g） Ni@TPU/LM和（h, i） LM/Ni@TPU网格尺寸为1.25 mm。

图5 (a) TPU、Ni@TPU和Ni@TPU/LM的拉伸应力-应变曲线；(b) Ni@TPU/LM在1000次循环拉伸试验下的相对阻力变化；(c)光学照片，（d, f）不同拉伸应变下Ni@TPU/LM的EMI SET （SE）和（g, h）R系数；(e) Ni@TPU/LM在自由应力和拉伸作用下的EMI屏蔽机理示意图；(i) Ni@TPU/LM在1000次循环拉伸试验下的EMI SET“off”和“on”状态。