隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電磁泄漏和高溫紅外輻射成為嚴(yán)重問題。特別是在軍事防護(hù)領(lǐng)域，它們很容易導(dǎo)致信息泄露和紅外暴露。因此，設(shè)計(jì)和制造兼顧電磁干擾（EMI）屏蔽和紅外隱身功能的材料具有重大的應(yīng)用價(jià)值。聚合物基復(fù)合材料因其低密度、耐腐蝕性、低重量和良好的加工性能，逐漸成為EMI屏蔽與紅外隱身領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，現(xiàn)有研究仍面臨關(guān)鍵挑戰(zhàn)：金屬化聚合物非織造材料的高導(dǎo)電性易導(dǎo)致阻抗失配，使大部分入射電磁波反射回原介質(zhì)，造成二次污染，同時(shí)，金屬涂層的引入賦予了復(fù)合材料優(yōu)異的導(dǎo)熱性，較高的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)致明顯的紅外輻射的形成；而多孔隔熱材料雖能降低表面溫度，但其低介電常數(shù)和低磁導(dǎo)率難以有效耗散電磁波；此外，僅使用一種材料很難實(shí)現(xiàn)EMI屏蔽和高溫紅外隱身的集成構(gòu)建此外，單一材料難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)低反射電磁屏蔽與耐高溫紅外隱身的協(xié)同設(shè)計(jì)。因此，論文針對上述問題，提出通過堿處理、磁性顆粒原位生長及“自活化”化學(xué)鍍銀工藝，構(gòu)建分級聚酰亞胺（PI）非織造材料，旨在通過分層阻抗匹配結(jié)構(gòu)優(yōu)化電磁波吸收路徑，結(jié)合三維蓬松結(jié)構(gòu)的隔熱性能與鍍銀層的低紅外發(fā)射率特性，實(shí)現(xiàn)兼容低反射EMI屏蔽與高溫穩(wěn)定紅外隱身性能的一體化材料設(shè)計(jì)。相關(guān)工作以Hierarchical Polyimide Nonwoven Fabric with Ultralow?Reflectivity Electromagnetic Interference Shielding and High?Temperature Resistant Infrared Stealth Performance為題發(fā)表在Nano-Micro Letters期刊。
本研究通過堿處理、磁性顆粒原位生長及自激活化學(xué)鍍銀工藝制備了分級PI非織造布（PFA/PA），實(shí)現(xiàn)了超低反射EMI屏蔽與耐高溫紅外隱身性能的兼容。結(jié)構(gòu)表征（圖1、圖2）表明，堿處理后的PI纖維表面羧酸活性位點(diǎn)促進(jìn)了Fe3O4磁性顆粒與Ag納米顆粒的均勻負(fù)載，XRD和XPS驗(yàn)證了Ag與Fe?O?的結(jié)晶結(jié)構(gòu)及化學(xué)狀態(tài)。電磁性能測試（圖3、圖4）顯示，通過PFA（Fe?O?/Ag負(fù)載層）與PA（純Ag涂層）的阻抗匹配設(shè)計(jì)，4*PFA1/PA1.5在X波段展現(xiàn)出77 dB的高屏蔽效能（SE）和低于-10 dB的反射率，且通過層級結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了寬帶（8.2 – 40 GHz）高效電磁波吸收（圖6）。紅外隱身性能分析（圖5）表明，PA的低紅外發(fā)射率（3–5 μm: 0.36；8–14 μm: 0.43）與PFA的蓬松三維隔熱結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，使材料在250°C高溫下仍能有效抑制熱輻射。模擬沙漠環(huán)境測試（圖5e）及人體熱偽裝實(shí)驗(yàn)（圖5f）進(jìn)一步驗(yàn)證了其環(huán)境適應(yīng)性。最終，4*PFA1/PA1.5在60 GHz頻段下展示了兼容的電磁屏蔽與紅外隱身功能（圖6e–h），證明其在軍事偽裝等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
示意圖1. PFA/PA非織造材料制備過程
圖1.不同鍍銀時(shí)間下PA和PFA的形貌變化圖：a、e、i為示意圖，b、c、d、f、g、h、j為SEM圖像，k、l為PFA1纖維的EDS映射圖像
圖2.PA、PFA、PFA/PA材料的多尺度表征：(a) PI、PA1.5、PFA0和PFA1的XRD圖譜。(b) PFA0、PFA1和PFA2的磁滯回線。(c)PA1、PA1.5和PA2的電導(dǎo)率和密度。(d)PA1.5、PFA0、PFA1和PFA2的XPS光譜。(e) Fe 2p高分辨XPS譜（PFA?）。(f) Ag 3d高分辨XPS譜（PFA?）。(g) 4*PFA1、(h) PA1.5的光學(xué)照片。4*PFA?/PA1.5的正、負(fù)極(i)表面色差和(j)柔韌性展示。
圖3. PFA/PA材料的超低反射電磁干擾屏蔽性能分析：不同N值下N*PFA1/PA1.5的(a) SET, (b)電磁干擾屏蔽效能(EMI SE), (c)吸收系數(shù)A, (d)反射系數(shù)R, (e)功率系數(shù), (f)反射率。4*PFAx/PA1.5(g) EMI SE, (h) A, (i) R的表征情況。
圖4.阻抗匹配對電磁干擾屏蔽的效果：(a) 4*PFA1/PA1.5和PA1.5/4*PFA1的EMISE。(b) 4*PFA1/PA1.5和(c) PA1.5/4*PFA1在8.2–12.4 GH頻率范圍內(nèi)的功率系數(shù)變化曲線。(d) EMI屏蔽系統(tǒng)實(shí)物展示圖。在(e)無任何東西、4*PFA1/PA1.5和PA1.5/4*PFA1插入下EMI屏蔽系統(tǒng)的變化。
圖5.復(fù)合非織造材料的高溫紅外偽裝性能驗(yàn)證：(a) PAX的紅外發(fā)射率曲線。(b) 4*PFA1/PA1.5在150、200和250°C熱臺上的紅外圖像。(c) 4*PFA1/PA1.5在150°C熱臺上的表面和輻射溫度曲線。(d)模擬沙漠環(huán)境下的示意圖。(e)不同溫度熱臺下模擬沙漠環(huán)境中4*PFA1/PA1.5的紅外圖像。(f)手掌上4*PFA1/PA1.5的紅外圖像。
圖6.復(fù)合非織造材料的兼容電磁干擾屏蔽/紅外隱身性能驗(yàn)證：在8.2–40 GHz下4*PFA1/PA1.5的(a)EMI SE、(b)功率系數(shù)和(c)反射率變化曲線。(d) 4*PFA1/PA1.5的低反射率EMI屏蔽機(jī)制圖。(e–h) 4*PFA1/PA1.5兼容電磁干擾屏蔽和紅外隱身性能展示。
小結(jié)：綜上所述，通過堿處理、磁性粒子原位生長和“自激活”化學(xué)鍍銀工藝，論文成功制備了一種用于超低反射率EMI屏蔽/耐高溫紅外隱身的分層聚酰亞胺基非織造材料。該復(fù)合材料具有超低反射率EMI屏蔽性能（SET=77 dB，R=0.09）。此外，PFA中蓬松的3D空間結(jié)構(gòu)的隔熱性和鍍銀PA的紅外發(fā)射率帶來了優(yōu)異的紅外隱身性能。更重要的是，F(xiàn)e3O4、Ag和PI纖維之間的強(qiáng)粘附相互作用使其能夠抵抗高溫源（250°C）產(chǎn)生的熱應(yīng)力，增強(qiáng)了EMI屏蔽的熱穩(wěn)定性和耐高溫紅外隱身性能。如此出色的綜合性能使軍用帳篷有望保護(hù)內(nèi)部設(shè)備免受相鄰設(shè)備和/或敵人的電磁干擾，并抑制外部紅外探測。
論文信息：X. Tang, Y. Lu, S. Li, M. Zhu, Z. Wang, Y. Li, Z. Hu, P. Zheng, Z. Wang and T. Liu. Hierarchical polyimide nonwoven fabric with ultralow-reflectivity electromagnetic interference shielding and high-temperature resistant infrared stealth performance. Nano-Micro Letters, 2025, 17(1): 1-19.
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