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西北工業大學顧軍渭教授在電磁屏蔽高分子復合材料領域取得新進展
2019-11-07  來源:高分子科技

  快速發展的電信技術和數字系統為人類生活帶來便捷的同時,也產生了大量的電磁干擾(EMI),不僅影響敏感電子設備和系統的正常運行,還威脅著人們的健康。

  傳統電磁屏蔽材料大多為金屬(如銅、鋁和鎳等)及其合金材料,具有非常優異的電磁屏蔽性能,但同時存在比重大、不耐腐蝕和柔韌性差等缺點。聚合物基導電復合材料憑借輕質、比強度/比模量高、耐腐蝕、化學穩定性優異、性能可調以及易加工成型等諸多優勢,在電磁屏蔽領域日漸受到青睞。

  設計制備質輕、力學性能優異、電導率(σ)且電磁屏蔽效能(EMI SE)高,尤其能實現復雜結構件成型以及規模化生產的電磁屏蔽高分子復合材料對高頻率和大功率電子設備及其元器件的研制開發及更新換代具有十分重要的理論意義和指導價值。

  西北工業大學顧軍渭教授“結構/功能高分子復合材料”(SFPC)課題組自2018年以來開始從事電磁屏蔽高分子復合材料的設計構筑、可控制備及內稟機理研究。基于“電/磁”填料的微結構優化制備、三維導電通路的高效構筑、復合材料的輻射仿真模擬及電磁屏蔽機理研究,制備出多種高σ和EMI SE的高分子復合材料及制品。

  截止目前,本研究方向已主持國家自然科學基金1項;陜西省自然科學基礎計劃杰出青年基金項目、航天科學技術基金和航空科學基金等省部級基金/項目4項。2019年至今已在Carbon, Nanoscale和Compos Sci Technol等期刊發表第一作者/通訊作者SCI論文13篇,SCI引用350余次(其中3篇論文同時入選ESI熱點論文和ESI高被引論文);授權、公開國家發明專利6件;參編Wiley出版社專著1部(第19章--電磁屏蔽聚合物納米復合材料)。

  (1)共混型電磁屏蔽高分子復合材料的制備研究。SFPC課題組通過在聚苯乙烯(PS)、共摻雜聚苯胺(c-PANI)和環氧樹脂基體中分別填充石墨納米微片(GNPs)和Ti3C2TxMXene等導電填料,分別制備出X波段EMI SE高達33 dB、36 dB和41 dB的GNPs/PS(Composites Part A, 2019, 124: 105484)、Ti3C2Tx/c-PANI(Compos Sci Technol, 2019, 183: 107833)和Ti3C2Tx/環氧樹脂(Composites Part B, 2019, 171: 111)電磁屏蔽復合材料。并基于“電/磁”復合顆粒的協同提升效應,設計制備出兼具優異磁性和突出導電性的MWCNT-Fe3O4@Ag納米復合顆粒(圖1,Carbon, 2019, 141: 506),有效解決了直接共混法制備的碳納米管/環氧樹脂復合材料EMI SE低的問題。

圖1 MWCNT-Fe3O4@Ag/環氧樹脂電磁屏蔽納米復合材料的制備及性能研究

  (2)石墨烯膜/環氧樹脂電磁屏蔽復合材料的制備研究。SFPC課題組通過將制備的高度規整的石墨烯膜(RGFs)定向排列構筑于環氧樹脂基體中(圖2),制備出X波段EMI SE高達82 dB的RGFs/環氧樹脂電磁屏蔽復合材料(Composites Part A, 2019, 124: 105512)。RGFs充當電子傳輸的高速通道,避免了與環氧樹脂基體間過多的界面連接,減少了電子的傳輸障礙,顯著地提高了RGFs/環氧樹脂電磁屏蔽復合材料的σ和EMI SE。

圖2 RGFs/環氧樹脂電磁屏蔽復合材料的制備示意圖

  (3)三維導電骨架/環氧樹脂電磁屏蔽復合材料的可控設計及制備研究。SFPC課題組基于Fe3O4/TAGA(Compos Sci Technol, 2019, 169: 70)、Fe3O4/CNT/GA(Compos Sci Technol, 2019, 181: 107683)、PANI/MWCNT/TAGA(Composites Part A, 2019, 121: 265)、MXene/C(Composites Part A, 2019, 123: 293,圖3)、CuNWs-TAGA(Composites Part A, 2020, 128: 105670)和GNPs/GA(J Mater Chem C, 2019, 7: 2725)等三維導電骨架的結構優化設計與可控構筑,制備出優異電磁屏蔽效能的環氧樹脂復合材料,實現了極低填料用量下環氧樹脂復合材料EMI SE的快速高效提升。以氧化鋁蜂窩為模板成功構筑了高承載性能、結構規整的石墨烯蜂窩網絡結構(rGH),實現了低石墨烯用量(1.2 wt%)下導電通路的高效形成,快速提升了環氧樹脂電磁屏蔽復合材料的σ和EMI SE(Compos Sci Technol, 2019, 181: 107698)。

圖3 MCF/環氧樹脂電磁屏蔽納米復合材料的制備示意圖

  最近,SFPC課題組2017級博士研究生梁超博同學基于三維石墨烯泡沫(rGF)結構的優化設計,制備出一種輕質、高強、電磁屏蔽性能優異的銀納米片(AgPs)/rGF/環氧樹脂復合材料,實現了AgPs在環氧樹脂基體內的最佳分散。利用石墨烯輔助成型技術在環氧樹脂基體內成功構筑了三維異質中空球型結構,極大延長了電磁波在材料內部的反射路徑,僅加入1.34 vol AgPs/rGH(0.40 vol% rGH + 0.94 vol% Ag),AgPs/rGF/環氧樹脂復合材料在X波段的EMI SE就達到58 dB。此外,基于對“電磁波-屏蔽體”響應關系的研究,通過有限元模擬分析真實還原了AgPs/rGF/環氧樹脂對入射電磁波的耗散過程(圖4),揭示了復合材料結構構造與電磁波的作用機制,這種全新的研究思路和制備方法有望為新型電磁屏蔽高分子復合材料的設計研發提供必要的理論依據和技術支撐。

圖4 AgPs/rGF/環氧樹脂電磁屏蔽納米復合材料的制備、仿真模擬及屏蔽機理研究

  本工作近期以“Constructing interconnected spherical hollow conductive networks in silver platelets/reduced graphene oxide foam/epoxy nanocomposites for superior electromagnetic interference shielding effectiveness”為題發表在Nanoscale上(2019, DOI: 10.1039/C9NR06022G),論文第一作者為17級博士研究生梁超博。本研究工作得到了國家自然科學基金(51973173)、陜西省自然科學基礎計劃杰出青年基金項目(2019JC-11)、航天科學技術基金(2019-HT-XG,2018-HT-XG)、航空科學基金(2017ZF53071)和西北工業大學2019年度研究生校企協同創新基金(XQ201913)的資助。

  論文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/NR/C9NR06022G#!divAbstract

  梁超博,遼寧開原人,西北工業大學2017級博士研究生。2015年在西北工業大學獲學士學位,同年加入顧軍渭教授SFPC課題組攻讀碩士學位,并于2017年提前攻讀博士學位。主要從事電磁屏蔽復合材料微結構設計、性能調控及機理研究。獲2015~2016學年、2017~2018學年和2018~2019學年研究生國家獎學金;2018年陜西省第四屆研究生創新成果展評獎理科三等獎;2019年全國高分子學術論文報告會Chinese Journal of Polymer Science冠名最佳POSTER獎。主持西北工業大學研究生校企協同創新基金(XQ201913)1項。協助導師指導大學生創新訓練項目2項。在Nanoscale, J Mater Chem C和Compos Sci Technol等國際知名期刊發表SCI論文24篇,SCI引用1000余次,H因子14;以第一作者身份(含導師第一)發表SCI論文10篇,SCI引用430余次(入選ESI熱點論文3篇、高被引論文4篇);參加國際會議4次并作口頭報告;授權、公開國家發明專利4件。

附第一作者發表論文清單

1. Chaobo Liang, Ping Song, Hua Qiu, Yali Zhang, Xiangteng Ma, Fengqi Qi, Hongbo Gu, Jie Kong, Dapeng Cao and Junwei Gu*. Constructing interconnected spherical hollow conductive networks in silver platelets/reduced graphene oxide foam/epoxy nanocomposites for superior electromagnetic interference shielding effectiveness. Nanoscale, 2019, DOI: 10.1039/C9NR06022G. 

2. Chaobo Liang#, Hua Qiu#, Yangyang Han, Hongbo Gu*, Ping Song, Lei Wang, Jie Kong, Dapeng Cao* and Junwei Gu*. Superior electromagnetic interference shielding 3D graphene nanoplatelets/reduced graphene oxide foam/epoxy nanocomposites with high thermal conductivity. Journal of Materials Chemistry C, 2019, 7: 2725-2733. ESI熱點論文、ESI高被引論文. SCI引用61次!

3Chaobo Liang, Ping Song, Aijie Ma, Xuetao Shi, Hongbo Gu, Lei Wang, Hua Qiu, Jie Kong and Junwei Gu*. Highly oriented three-dimensional structures of Fe3O4 decorated CNTs/reduced graphene oxide foam/epoxy nanocomposites against electromagnetic pollution. Composites Science and Technology, 2019, 181: 107683.

4. Chaobo Liang, Ping Song, Hua Qiu, Yiming Huangfu, Yuanjin Lu, Lei Wang, Jie Kong and Junwei Gu*. Superior electromagnetic interference shielding performances of epoxy composites by introducing highly aligned reduced graphene oxide films. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2019, 124: 105512.

5. Chaobo Liang#, Ping Song#, Hongbo Gu*, Chao Ma, Yongqiang Guo, Hongyuan Zhang, Xiaojiang Xu, Qiuyu Zhang, Kaichang Kou and Junwei Gu*. Nanopolydopamine coupled fluorescent nanozinc oxide reinforced epoxy nanocomposites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2017, 102: 126-136.

6. Yiming Huangfu#Chaobo Liang#, Yixuan Han, Hua Qiu, Ping Song, Lei Wang, Jie Kong* and Junwei Gu*. Fabrication and investigation on the Fe3O4/thermally annealed graphene aerogel/epoxy electromagnetic interference shielding nanocomposites. Composites Science and Technology, 2019, 169: 70-75. ESI熱點論文、ESI高被引論文. SCI引用68次!

7. Xutong Yang#Chaobo Liang#, Tengbo Ma, Yongqiang Guo, Jie Kong, Junwei Gu*, Minjiao Chen and Jiahua Zhu*. A review on thermally conductive polymeric composites: classification, measurement, model and equations, mechanism and fabrication methods. Advanced Composites and Hybrid Materials, 2018, 1: 207-230.

8. Junwei Gu*, Chaobo Liang#, Xiaomin Zhao, Bin Gan, Hua Qiu, Yonqiang Guo, Xutong Yang, Qiuyu Zhang* and De-yi Wang*. Highly thermally conductive flame-retardant epoxy nanocomposites with reduced ignitability and excellent electrical conductivities. Composites Science and Technology, 2017, 139: 83-89. ESI熱點論文、ESI高被引論文SCI引用191次!

9. Junwei Gu*, Chaobo Liang#, Jing Dang, Xudong Meng, Lin Tang, Yang Li and Qiuyu Zhang*. Fabrication of modified bismaleimide resins by hyperbranched phenyl polysiloxane and improvement of their thermal conductivities. RSC Advances, 2016, 6: 57357-57362.

10. Junwei Gu*, Chaobo Liang, Jing Dang, Wencai Dong and Qiuyu Zhang*. Ideal dielectric thermally conductive bismaleimide nanocomposites filled with polyhedral oligomeric silsesquioxane functionalized nanosized boron nitride. RSC Advances, 2016, 6: 35809-35814. ESI高被引論文. SCI引用105次!

  顧軍渭,教授、博導,陜西省杰出青年科學基金獲得者(2019-2021)。主要從事功能高分子復合材料和先進樹脂基透波復合材料的結構/功能一體化設計、制備及加工研究。現任理學院應用化學系主任、無人系統技術研究院智能材料與結構研究所負責人;兼任中國復合材料學會導熱復合材料專業委員會常務副主任和中國復合材料學會青年工作委員會委員等。擔任Advan Compos Hybrid Mater期刊副主編,Eng Sci期刊執行主編,Composites Part B期刊助理編輯、編委,Sci Progress和Compos Commun期刊編委等。主持國家自然科學基金3項;軍品配套項目、國防科技項目基金國家級基金項目2項;高校博士點基金、陜西省杰出青年科學基金項目和航空科學基金等省部級項目12項。已在Nat Commun, Angew Chem Int Edit, ACS Nano和Compos Sci Technol等期刊發表SCI論文142篇(SCI引用4400余次,11篇論文單篇SCI引用超過100次,2019年SCI引用已超過1500次);第一作者/通訊作者SCI論文93篇(入選ESI熱點論文14篇、ESI高被引論文24篇),第一作者/通訊作者H因子36。授權和受理國家發明專利33項;參編Wiley出版社專著1部、高等學校規劃教材1部。

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