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西北工业大学顾军渭教授在电磁屏蔽高分子复合材料领域取得新进展
2019-11-07  来源:高分子科技

  快速发展的电信技术和数字系统为人类生活带来便捷的同时,也产生了大量的电磁干扰(EMI),不仅影响敏感电子设备和系统的正常运行,还威胁着人们的健康。

  传统电磁屏蔽材料大多为金属(如铜、铝和镍等)及其合金材料,具有非常优异的电磁屏蔽性能,但同时存在比重大、不耐腐蚀和柔韧性差等缺点。聚合物基导电复合材料凭借轻质、比强度/比模量高、耐腐蚀、化学稳定性优异、性能可调以及易加工成型等诸多优势,在电磁屏蔽领域日渐受到青睐。

  设计制备质轻、力学性能优异、电导率(σ)且电磁屏蔽效能(EMI SE)高,尤其能实现复杂结构件成型以及规模化生产的电磁屏蔽高分子复合材料对高频率和大功率电子设备及其元器件的研制开发及更新换代具有十分重要的理论意义和指导价值。

  西北工业大学顾军渭教授“结构/功能高分子复合材料”(SFPC)课题组自2018年以来开始从事电磁屏蔽高分子复合材料的设计构筑、可控制备及内禀机理研究。基于“电/磁”填料的微结构优化制备、三维导电通路的高效构筑、复合材料的辐射仿真模拟及电磁屏蔽机理研究,制备出多种高σ和EMI SE的高分子复合材料及制品。

  截止目前,本研究方向已主持国家自然科学基金1项;陕西省自然科学基础计划杰出青年基金项目、航天科学技术基金和航空科学基金等省部级基金/项目4项。2019年至今已在Carbon, Nanoscale和Compos Sci Technol等期刊发表第一作者/通讯作者SCI论文13篇,SCI引用350余次(其中3篇论文同时入选ESI热点论文和ESI高被引论文);授权、公开国家发明专利6件;参编Wiley出版社专著1部(第19章--电磁屏蔽聚合物纳米复合材料)。

  (1)共混型电磁屏蔽高分子复合材料的制备研究。SFPC课题组通过在聚苯乙烯(PS)、共掺杂聚苯胺(c-PANI)和环氧树脂基体中分别填充石墨纳米微片(GNPs)和Ti3C2TxMXene等导电填料,分别制备出X波段EMI SE高达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/环氧树脂(Composites Part B, 2019, 171: 111)电磁屏蔽复合材料。并基于“电/磁”复合颗粒的协同提升效应,设计制备出兼具优异磁性和突出导电性的MWCNT-Fe3O4@Ag纳米复合颗粒(图1,Carbon, 2019, 141: 506),有效解决了直接共混法制备的碳纳米管/环氧树脂复合材料EMI SE低的问题。

图1 MWCNT-Fe3O4@Ag/环氧树脂电磁屏蔽纳米复合材料的制备及性能研究

  (2)石墨烯膜/环氧树脂电磁屏蔽复合材料的制备研究。SFPC课题组通过将制备的高度规整的石墨烯膜(RGFs)定向排列构筑于环氧树脂基体中(图2),制备出X波段EMI SE高达82 dB的RGFs/环氧树脂电磁屏蔽复合材料(Composites Part A, 2019, 124: 105512)。RGFs充当电子传输的高速通道,避免了与环氧树脂基体间过多的界面连接,减少了电子的传输障碍,显著地提高了RGFs/环氧树脂电磁屏蔽复合材料的σ和EMI SE。

图2 RGFs/环氧树脂电磁屏蔽复合材料的制备示意图

  (3)三维导电骨架/环氧树脂电磁屏蔽复合材料的可控设计及制备研究。SFPC课题组基于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,图3)、CuNWs-TAGA(Composites Part A, 2020, 128: 105670)和GNPs/GA(J Mater Chem C, 2019, 7: 2725)等三维导电骨架的结构优化设计与可控构筑,制备出优异电磁屏蔽效能的环氧树脂复合材料,实现了极低填料用量下环氧树脂复合材料EMI SE的快速高效提升。以氧化铝蜂窝为模板成功构筑了高承载性能、结构规整的石墨烯蜂窝网络结构(rGH),实现了低石墨烯用量(1.2 wt%)下导电通路的高效形成,快速提升了环氧树脂电磁屏蔽复合材料的σ和EMI SE(Compos Sci Technol, 2019, 181: 107698)。

图3 MCF/环氧树脂电磁屏蔽纳米复合材料的制备示意图

  最近,SFPC课题组2017级博士研究生梁超博同学基于三维石墨烯泡沫(rGF)结构的优化设计,制备出一种轻质、高强、电磁屏蔽性能优异的银纳米片(AgPs)/rGF/环氧树脂复合材料,实现了AgPs在环氧树脂基体内的最佳分散。利用石墨烯辅助成型技术在环氧树脂基体内成功构筑了三维异质中空球型结构,极大延长了电磁波在材料内部的反射路径,仅加入1.34 vol AgPs/rGH(0.40 vol% rGH + 0.94 vol% Ag),AgPs/rGF/环氧树脂复合材料在X波段的EMI SE就达到58 dB。此外,基于对“电磁波-屏蔽体”响应关系的研究,通过有限元模拟分析真实还原了AgPs/rGF/环氧树脂对入射电磁波的耗散过程(图4),揭示了复合材料结构构造与电磁波的作用机制,这种全新的研究思路和制备方法有望为新型电磁屏蔽高分子复合材料的设计研发提供必要的理论依据和技术支撑。

图4 AgPs/rGF/环氧树脂电磁屏蔽纳米复合材料的制备、仿真模拟及屏蔽机理研究

  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”为题发表在Nanoscale上(2019, DOI: 10.1039/C9NR06022G),论文第一作者为17级博士研究生梁超博。本研究工作得到了国家自然科学基金(51973173)、陕西省自然科学基础计划杰出青年基金项目(2019JC-11)、航天科学技术基金(2019-HT-XG,2018-HT-XG)、航空科学基金(2017ZF53071)和西北工业大学2019年度研究生校企协同创新基金(XQ201913)的资助。

  论文链接:https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/NR/C9NR06022G#!divAbstract

  梁超博,辽宁开原人,西北工业大学2017级博士研究生。2015年在西北工业大学获学士学位,同年加入顾军渭教授SFPC课题组攻读硕士学位,并于2017年提前攻读博士学位。主要从事电磁屏蔽复合材料微结构设计、性能调控及机理研究。获2015~2016学年、2017~2018学年和2018~2019学年研究生国家奖学金;2018年陕西省第四届研究生创新成果展评奖理科三等奖;2019年全国高分子学术论文报告会Chinese Journal of Polymer Science冠名最佳POSTER奖。主持西北工业大学研究生校企协同创新基金(XQ201913)1项。协助导师指导大学生创新训练项目2项。在Nanoscale, J Mater Chem C和Compos Sci Technol等国际知名期刊发表SCI论文24篇,SCI引用1000余次,H因子14;以第一作者身份(含导师第一)发表SCI论文10篇,SCI引用430余次(入选ESI热点论文3篇、高被引论文4篇);参加国际会议4次并作口头报告;授权、公开国家发明专利4件。

附第一作者发表论文清单

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热点论文、ESI高被引论文. 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热点论文、ESI高被引论文. 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热点论文、ESI高被引论文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高被引论文. SCI引用105次!

  顾军渭,教授、博导,陕西省杰出青年科学基金获得者(2019-2021)。主要从事功能高分子复合材料和先进树脂基透波复合材料的结构/功能一体化设计、制备及加工研究。现任理学院应用化学系主任、无人系统技术研究院智能材料与结构研究所负责人;兼任中国复合材料学会导热复合材料专业委员会常务副主任和中国复合材料学会青年工作委员会委员等。担任Advan Compos Hybrid Mater期刊副主编,Eng Sci期刊执行主编,Composites Part B期刊助理编辑、编委,Sci Progress和Compos Commun期刊编委等。主持国家自然科学基金3项;军品配套项目、国防科技项目基金国家级基金项目2项;高校博士点基金、陕西省杰出青年科学基金项目和航空科学基金等省部级项目12项。已在Nat Commun, Angew Chem Int Edit, ACS Nano和Compos Sci Technol等期刊发表SCI论文142篇(SCI引用4400余次,11篇论文单篇SCI引用超过100次,2019年SCI引用已超过1500次);第一作者/通讯作者SCI论文93篇(入选ESI热点论文14篇、ESI高被引论文24篇),第一作者/通讯作者H因子36。授权和受理国家发明专利33项;参编Wiley出版社专著1部、高等学校规划教材1部。

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