張好斌教授：聚合物電磁屏蔽復(fù)合材料研究進(jìn)展

本次2023高分子電磁屏蔽復(fù)合材料及應(yīng)用論壇特別邀請(qǐng)到了北京化工大學(xué)，國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者張好斌教授分享《聚合物電磁屏蔽復(fù)合材料研究進(jìn)展》：

他將從聚合物電磁屏蔽復(fù)合材料入手，為本次大會(huì)帶來(lái)了該材料最新的研究進(jìn)展，以及如何實(shí)現(xiàn)高效電磁復(fù)合材料的輕薄化、高性能化及多功能化，滿(mǎn)足復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境的重大需求。

本報(bào)告將主要介紹聚合物電磁屏蔽復(fù)合材料研究的發(fā)展歷程和面臨挑戰(zhàn)，以及報(bào)告人圍繞高分子加工過(guò)程中所面臨的界面調(diào)控、結(jié)構(gòu)功能協(xié)同和多功能化等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題而進(jìn)行的探索和取得的研究成果。最后，將展望高性能聚合物電磁屏蔽納米復(fù)合材料的發(fā)展前景和潛在應(yīng)用。

張好斌 北京化工大學(xué)教授/博導(dǎo)，國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者

長(zhǎng)期從事二維納米材料制備與功能化方法、聚合物功能納米復(fù)合材料和聚合物電磁屏蔽/吸波納米復(fù)合材料研究。在Adv Mater，Angew Chem Int Ed，Nano Lett，Adv Funct Mater和ACS Nano等國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI研究論文86篇，其中第一/通訊作者論文70篇。相關(guān)成果被包括Science、Nat Rev Mater、Chem Soc Rev等期刊重點(diǎn)引用和積極評(píng)價(jià)，論文總引用12000余次（谷歌學(xué)術(shù)），21篇論文入選ESI 高被引（9篇熱點(diǎn)論文），其中35篇論文被引>100次、7篇論文被引>500次，其中兩篇關(guān)于石墨烯和MXene電磁屏蔽性能研究論文被引用分別超1000和1200多次，申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利15項(xiàng)（10項(xiàng)授權(quán)）。作為負(fù)責(zé)人承擔(dān)包括國(guó)家基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目、面上項(xiàng)目（3項(xiàng)）等項(xiàng)目10余項(xiàng)。獲浙江省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（R4）和寧波市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（R4）。兼任中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)理事會(huì)理事、中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)導(dǎo)熱復(fù)合材料專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)化工學(xué)會(huì)化工新材料專(zhuān)業(yè)委員、《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》及Wiley出版社InfoMat雜志青年編委。

碳材料在近年來(lái)，由于其優(yōu)秀的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，同時(shí)還可以改善復(fù)合材料的傳輸特性，甚至可以在很多苛刻環(huán)境下應(yīng)用，而引起人們的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，由于電磁干擾越來(lái)越多，電磁兼容問(wèn)題越來(lái)越被重視，碳基復(fù)合材料在電磁屏蔽（electromagnetic shielding）領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用受到了特別關(guān)注。

碳納米管顆粒具有高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性

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不同于復(fù)合材料，導(dǎo)電聚合物也是一種路徑，盡管可以解決其中一部分問(wèn)題，但難免帶來(lái)機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性降低的困擾，這就使得使用環(huán)境溫度受限或材料成本過(guò)高的問(wèn)題。

聚合物電磁屏蔽材料需求旺盛

電子元器件及整機(jī)、人工智能、新型顯示、集成電路、新能源汽車(chē)等產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，加上以 5G為首的高頻通信加速推進(jìn)，電子材料和器件產(chǎn)業(yè)飛快發(fā)展，據(jù)估計(jì)，到2025年，產(chǎn)業(yè)規(guī)模將超過(guò)1500億美元，電子產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的背后，電磁屏蔽材料的需求也越發(fā)旺盛，據(jù)BCC Research預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)，電磁屏蔽材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達(dá)約100億美元。

從趨勢(shì)上看，幾乎所有電子產(chǎn)品和器件都在縮短更新?lián)Q代周期，并且朝著輕量化、精密化、高功率化、多功能化發(fā)展，隨著功耗不斷提高，結(jié)構(gòu)更加精密，電磁干擾和電磁兼容的問(wèn)題也越發(fā)嚴(yán)重，電磁屏蔽技術(shù)在控制或減輕電磁輻射污染方面起著至關(guān)重要的作用。

從材料上看，高分子電磁屏蔽材料以其質(zhì)輕價(jià)廉、耐腐蝕、易加工成型和性能可調(diào)性好等特點(diǎn)在諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，目前正向高性能化、寬頻化、高耐溫性和多功能化方向發(fā)展，以適應(yīng)日益復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景。

高導(dǎo)電的電磁屏蔽材料是實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽的關(guān)鍵。比如在航空航天、智能穿戴設(shè)備領(lǐng)域中，對(duì)于電磁屏蔽材料提出了高性能、輕質(zhì)、高導(dǎo)電性和超彈性的要求，甚至需要能夠耐極端環(huán)境，但這一類(lèi)的材料在研究和開(kāi)發(fā)上始終面臨著巨大挑戰(zhàn)。

以二維過(guò)渡金屬碳/氮化物（MXene）為例，由于其獨(dú)特的納米片層結(jié)構(gòu)、卓越的電性能、極性的表面特性，在高性能電磁屏蔽材料領(lǐng)域內(nèi)有巨大的潛力和競(jìng)爭(zhēng)力，引來(lái)許多人關(guān)注。但目前有一個(gè)很大的困擾，由于MXene表面的官能團(tuán)種類(lèi)和片層大小有限，加上納米片層間作用力影響，對(duì)于制備理想的高彈性、高導(dǎo)電性的輕質(zhì)可壓縮三維結(jié)構(gòu)仍舊是一個(gè)難題。

北京化工大學(xué)于中振教授、張好斌教授團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)展示了展示了一種有效的方法來(lái)提高M(jìn)Xene基氣凝膠的彈性，同時(shí)還有高導(dǎo)電性和低密度的特點(diǎn)。由于MXene納米片與酸化碳納米管（aCNT）的協(xié)同作用，通過(guò)定向冷凍和后續(xù)冷凍干燥構(gòu)建了具有類(lèi)爬山虎微形貌的MXene/aCNT各向異性氣凝膠，這種MXene納米片有各向異性多孔骨架，具有高強(qiáng)度、超輕、超彈的特性。同時(shí)，這種高導(dǎo)電骨架、多孔結(jié)構(gòu)和許多的可極化中心讓這種材料有很高的電磁屏蔽性能，甚至還可以經(jīng)受住低溫和高溫（-196~300℃），基于上述特性，該材料非常適用于極端環(huán)境下的電磁防護(hù)領(lǐng)域。

MXene/酸化碳納米管氣凝膠的(a-c)合成流程圖及(d-g)其多功能展示

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碳材料的另一個(gè)代表——石墨烯，也十分優(yōu)秀。比如作為石墨烯的一維宏觀(guān)組裝體，石墨烯纖維的同樣具有高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電和高機(jī)械強(qiáng)度的特點(diǎn)，做成的織物，在柔性電子、功能防護(hù)織物、生物醫(yī)學(xué)、航空及國(guó)防領(lǐng)域都有極大的應(yīng)用潛力。目前迫制備兼具高強(qiáng)度與高韌性的導(dǎo)電石墨烯纖維已成為了重點(diǎn)研發(fā)方向之一。

石墨烯基電磁功能材料的多尺度設(shè)計(jì)策略及應(yīng)用

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聚合物電磁屏蔽納米復(fù)合材料在新一代通信技術(shù)、智能穿戴設(shè)備、新能源汽車(chē)、航空航天、國(guó)家重大設(shè)施和關(guān)鍵裝備等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，被發(fā)改委和科技部等列入未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興功能材料。近年來(lái)，以石墨烯、碳納米管和MXene為代表的新型功能納米材料的涌現(xiàn)，給聚合物電磁屏蔽復(fù)合材料的研究提供了新的機(jī)遇和助力。

同時(shí)，我們還將針對(duì)電磁屏蔽材料進(jìn)展與應(yīng)用、柔性電路、微波暗室、電磁防護(hù)材料、新能源汽車(chē)電磁兼容系統(tǒng)、6G的THz電磁屏蔽材料解決方案、輕量化發(fā)泡材料、電磁屏蔽材料產(chǎn)業(yè)帶來(lái)的機(jī)遇等議題展開(kāi)全面討論！

審核編輯 ：李倩