Niedawno Sun Rong i inni badacze z Instytutu Zaawansowanych Technologii w Shenzhen Chińskiej Akademii Nauk zaproponowali prostą, jednoetapową strategię obróbki cieplnej, umożliwiającą przygotowanie lekkich materiałów piankowych z karbonizowanej melaminy (CMF/rGO/Ag) pokrytych warstwą srebra i zredukowanego tlenku grafenu. Materiał piankowy z karbonizowanej melaminy kompozytowej zapewnił doskonałe właściwości mechaniczne i doskonałe ekranowanie EMI (EMI SE).
Rozwój komunikacji 5G i smartfonów zaostrzył problem zakłóceń elektromagnetycznych.
Silne zakłócenia elektromagnetyczne mogą powodować utratę danych, awarię systemu, a nawet zagrażać zdrowiu ludzkiemu.
Opracowanie wysoce wydajnych materiałów ekranujących zakłócenia elektromagnetyczne, charakteryzujących się bardzo niską gęstością i dobrą elastycznością mechaniczną, jest skutecznym sposobem na tłumienie szkodliwych fal elektromagnetycznych i promieniowania.
W przypadku tradycyjnych materiałów metalowych poprawa przewodności zawsze była podstawową strategią mającą na celu uzyskanie materiałów ekranujących o wysokiej wydajności.
Ponadto wykazano, że nowe nanomateriały, takie jak grafen, nanorurki węglowe i MXene, charakteryzują się wysoką skutecznością ekranowania EMI.
Ze względu na wysoce elastyczny proces produkcji nanomateriałów, materiały te są przetwarzane w piankę lub folię w celu ekranowania EMI. W porównaniu z piankową formą nanomateriałów, gęste folie wykazują wyższą przewodność.
Wysoka przewodność może bezpośrednio generować wysoki EMI SE poprzez silne odbijanie padających fal elektromagnetycznych.
Przykładowo, współczynnik odbicia fal elektromagnetycznych metali o wysokiej przewodności zwykle przekracza 90%, co oznacza, że 90% padających fal elektromagnetycznych zostanie odbite w kierunku wolnej przestrzeni.
Odbite fale elektromagnetyczne mogą również powodować poważne wtórne zanieczyszczenie promieniowaniem elektromagnetycznym. Nadal wyzwaniem jest uzyskanie materiałów ekranujących EMI o wysokiej wydajności i niskim współczynniku odbicia fal elektromagnetycznych.
Materiał ekranujący typu piankowego składa się z porowatej struktury. Ze względu na swoją lekkość, dobrą ściśliwość mechaniczną i regulowane właściwości ekranujące EMI, ma duży potencjał w zastępowaniu tradycyjnych sztywnych metalowych materiałów ekranujących.
W szczególności porowata struktura umożliwia materiałowi ekranującemu typu piankowego wyraźne wielokrotne odbicia padających fal elektromagnetycznych, dzięki czemu pianka może pochłaniać i tłumić fale elektromagnetyczne. Zgłoszono, że porowata struktura zwiększy pochłanianie fal elektromagnetycznych przez MXene.
W porównaniu z materiałami stałymi, struktura porowata ma lepszą zdolność dopasowania impedancji fal elektromagnetycznych i może sprawić, że padające fale elektromagnetyczne wnikają do wewnętrznej struktury pianki ekranującej. Dlatego materiały ekranujące EMI o niskim współczynniku odbicia i wysokim współczynniku absorpcji powinny mieć dobre dopasowanie impedancji (niskie odbicie) i wysokie wielokrotne odbicie. Na przykład przygotowano struktury warstwowe, struktury wielowarstwowe i struktury izotropowe o wysokich współczynnikach EMI SE i absorpcji. Ogólnie rzecz biorąc, złożone struktury i wieloskładnikowe często wymagają przetwarzania wieloetapowego, a elastyczność mechaniczna jest słaba.
Piankę poliimidową posrebrzaną przygotowano metodą fizycznego natryskiwania, a jej gęstość wynosiła 23 kg/m3. Piankę melaminową posrebrzaną przygotowano metodą osadzania chemicznego. Przygotowana pianka melaminowa posrebrzana ma wysoki współczynnik EMI SE wynoszący 90 dB i zawartość srebra wynoszącą 63.5% wag. Ponadto zaproponowano również metodę bezprądowego powlekania pianką hybrydową polimetakrylimidową pokrytą miedzią/niklem oraz polimerową nanowłókniną na bazie nanocząsteczek złota, która ekranuje zakłócenia elektromagnetyczne.
Jednakże ze względu na wrodzoną niezgodność interfejsu między sztywnym metalem a elastyczną ramą, materiały ekranujące z pianki metalowej przygotowane przez galwanizację, bezprądowe powlekanie i natryskiwanie fizyczne mają słabe właściwości mechaniczne. Wzmocnienie połączenia między cząsteczkami metalu a elastycznym szkieletem pianki i realizacja materiałów ekranujących z pianki metalowej o doskonałych właściwościach mechanicznych wciąż stanowią wyzwanie.
W tym badaniu autor zaproponował prostą, jednoetapową strategię obróbki cieplnej w celu przygotowania lekkiego kompozytowego materiału piankowego z karbonizowanej melaminy pokrytej srebrem/zredukowanym tlenkiem grafenu (CMF/rGO/Ag), który ma doskonałe właściwości mechaniczne i doskonały efekt ekranowania EMI (EMI SE). Dzięki ulepszonemu interfejsowi między ramą kompozytową a srebrem, pianka CMF/rGO/Ag wykazała doskonałą stabilność strukturalną po 1000 cyklach testów ściskania z obciążeniem i odciążeniem. Ponadto EMI SE pianki osiągnął 50.6 dB przy gęstości zaledwie 16 mg cm2 g-1 i bardzo niskiej zawartości Ag wynoszącej 0.09% obj.
Co ciekawe, współpraca porowatej struktury i wielu interfejsów zaowocowała niezwykle wysokim współczynnikiem absorpcji (ponad 0.5) pianki CMF/rGO/Ag. Mechanizm ekranowania o wysokim współczynniku absorpcji pianki CMF/rGO/Ag został dalej zbadany za pomocą analizy elementów skończonych (FEA). Doskonałe właściwości ekranowania EMI w polu bliskim pianki CMF/rGO/Ag pokazują, że pianka CMF/rGO/Ag o niskiej gęstości i wytrzymałości ma duże zalety i szerokie perspektywy zastosowania jako materiały ekranujące EMI do pakowania urządzeń elektronicznych.