中科院煤化所陈成猛团队J.Mater.Chem.A：用于超宽频电磁屏蔽的多壁碳纳米管/银纳米线薄膜

1. 引言

随着高频，高速第五代通信技术的出现，民用电子设备成指数增长，产生的电磁污染日益严重，而传统材料体系已逼近性能极限，覆盖频段急需拓展。选取合适的新材料进行恰当的结构设计，是消除电磁污染、制备“轻质量，薄厚度，宽频段，多环境适应性”屏蔽材料的重要手段。

2. 成果简介

近日，中国科学院山西煤炭化学研究所姜东研究员与陈成猛研究员（共同通讯作者）等人通过层层自组装的方法利用多壁碳纳米管 (MWCNT) 和银纳米线 (Ag NW) 构建夹层薄膜(12 μm)。在超宽带（4-40 GHz）中，总屏蔽效能均高于45 dB，最高在10 GHz高达72 dB。这种出色的屏蔽性能可归因于交替插层的Ag NWs/MWCNTs结构设计，其中具有高电导率的 Ag NWs提供欧姆损耗，而具有丰富缺陷的MWCNTs贡献极化损耗。这种结构改善了薄膜整体的阻抗匹配，并通过MWCNTs层和Ag NWs层之间的宏观界面增强了多次反射吸收，贡献界面极化。此外，DFT 计算验证了 Ag/C 微界面的存在会导致电荷分布不均匀，从而导致偶极极化。考虑到实际应用，该薄膜在复杂环境（热、冷、弯曲）下仍保持优异的电磁屏蔽性能和散热性能。这项工作为开发超宽带电磁屏蔽材料以应对复杂多变工作环境提供了更加新颖的解决方案。

该成果以题为“Electromagnetic Interference Shielding Material for Super-broadband: Ultrathin, Sandwich Structure Multi-Walled Carbon Nanotube/Silver Nanowire Film”在J.Mater.Chem.A期刊发表，文章第一作者为中国科学院山西煤炭化学研究所研究生王正。

3. 图文导读

图1. (a) Ag/C复合膜的制备示意图。(b)碳纳米管溶液、银纳米线溶液和混合溶液的Zeta电位。(c-d)Ag NWs的扫描电子显微镜图像。 (e) (f) Ag NWs和(h)MWCNTs的透射电镜图像和 高分辨率透射电镜图像。(g)Ag NW的选取电子衍射图像。

图2. (a)Ag NWs薄膜、(b) MWCNTs薄膜 (c) Ag/C-PM薄膜和 (d) Ag/C-7L薄膜的表面扫描电子显微镜图像。 (e) Ag/C-7L薄膜的截面扫描电子显微镜图像。 (f)高放大倍数下截面扫描电子显微镜图像和 (g-i) Ag/C-7L薄膜的元素分布图。

图3. (a) 所有样品的XRD光谱和 (b)多壁碳纳米管的拉曼光谱。 (c)所有薄膜的XPS光谱。 (d) Ag 3d峰的高分辨率XPS光谱。

图4. (a) X波段复合材料的SE_T。 (b)X波段复合材料的SE_T、SE_A和SE_R。 (c)所有薄膜的吸收系数(A)和(d)透射系数(T)。 (e) Ag/C-7L 薄膜在C波段、X波段、Ku波段、K波段和Ka波段的屏蔽性能。

图5. 七层薄膜与同类工作的性能对比图。

图6. 分级屏蔽机制示意图。

图7 （a）Ag_（111）/MWCNT边界处电子云密度不对称分布模型图的侧视图和（b）主视图。 (c) Ag₍₁₁₁₎/MWCNT微界面的态密度分布(PDOS)。 （d）Ag_（200）/MWCNT差分电荷密度分布图的侧视图和（e）主视图。 (f) Ag₍₂₀₀₎/MWCNT微界面的态密度分布（PDOS）。

图8 (a) Ag/C-7L 薄膜在1000次弯曲前后的归一化电阻变化情况。 七层薄膜在极端条件下的屏蔽性能保持，包括 (b)1000次弯曲过程、(c)100°C 高温和(d)液氮中超低温处理后的变化。

图9 (a)5G苹果手机天线的分布。(b-d) Ag/C-7L薄膜覆盖前后的数码照片。 (e) 示意图处信号被完全屏蔽。(f-i)cpu运行工作时间（30、60、90、120、150、180 和 210 秒）内样品的红外热成像图像。

4. 小结

通过层层自组装技术，以银纳米线和短多壁碳纳米管为原材料，制备了一种多功能混合薄膜。随着层数的增加，薄膜的电导率和电磁屏蔽性能也相应增加，七层薄膜的屏蔽性能最好，在 4-40 GHz 的超宽频带中，性能均高于45 dB，在10 GHz 时最高达到72 dB。这种优异的性能可以归功于交替的夹层结构设计，这种结构可以增强多重反射吸收。同时，DFT计算验证了碳/银微界面提供的偶极子极化现象。此外，在26-40 GHz范围内，经1000次弯曲后，性能由61 dB下降到60 dB，在湿度为80% 、温度100 ℃下，性能由45 dB下降到38 dB，在5G手机散热试验中，总温度相同时间内平均下降3 ℃，因此，该多层膜在复杂工作环境下的性能保持和导热散热应用均具有很大潜力。

5. 文献链接

Electromagnetic Interference Shielding Material for Super-broadband: Ultrathin, Sandwich Structure Multi-Walled Carbon Nanotube/Silver Nanowire Film

DOI: 10.1039/D1TA08106C