近日，我校材料与环境工程学院张雪峰、刘先国课题组在工程技术权威期刊Composites Part B: Engineering（2021年影响因子/JCR分区：9.078/Q1）发表了最新的电磁屏蔽研究成果。论文题为“Multiscale collaborative coupling of wood-derived porous carbon modified by three-dimensional conductive magnetic networks for electromagnetic interference shielding”（三维导电磁性网络修饰木质衍生多孔碳的多尺度协同耦合用于电磁屏蔽），已在线发表在Composites Part B: Engineering期刊上。（https://doi.org/10.1016/j.composite**.2021.109169）
随着科学技术飞速发展，电子器件的广泛应用造成了严重的电磁污染。因此，开发轻质高效的电磁屏蔽材料对于抑制电磁污染至关重要。该研究提出了通过化学气相催化法在天然木材中制备由氮掺杂碳纳米管和镍纳米颗粒组成的导电磁性网络这一策略。微米级骨架通道、纳米级网络间隙和原子级元素掺杂的多尺度协同耦合效应，实现了吸收和反射两种电磁屏蔽损耗的匹配。论文第一作者为张雪峰教授团队硕士研究生成明亮，通讯作者为李红霞副教授和刘先国教授。
选择具有三维多级孔结构和优异力学性能的可再生杉木作为合成电磁屏蔽材料的结构框架，制备方法如图1a所示。木材衍生电磁屏蔽复合材料完全保留了天然木材的结构，在微孔道壁上生长出绒毛状碳纳米管(图1b–i)，通过改变催化剂浓度可以实现对导电磁性网络形态的调控。随着导电磁网络的引入，反射屏蔽效能（SER）逐渐增大，相比之下，吸收屏蔽效能（SEA）先呈逐渐增大的趋势，在Ni@NCNT/CW-2位置达到最大值，然后减小（图2b-f）。根据S参数计算了功率系数A、R和T，通过A值和R值之间的比例关系，可以具体分析耗散电磁波的形式。结合EMI-SE值，可以得出最佳屏蔽效果出现在吸收主导和反射主导的过渡状态，这意味着在木质微通道中引入过少或过多的导电磁网络不是最佳选择，而是适当的含量将尽可能实现吸收-反射之间的最佳匹配。木质基电磁复合材料完美继承了天然木材规则开放的微通道结构，内部生长了由碳纳米管和镍纳米粒子组成的可控三维导电磁性网络。通过复合材料之间的多尺度和多样性协同耦合效应来实现对电磁波吸收和反射的平衡，其中最佳平均电磁屏蔽强度在X波段内高达73.71 dB。图3a显示了燃烧乙醇浸泡的天然木材和电磁屏蔽材料的流程图。对比它们的燃烧残渣，发现木质衍生电磁屏蔽材料具有优异的力学性能和隔热性能。如图3b所示，随着导电磁网络引入量的增加以形成大量微突起可以增加粗糙度，木质材料由亲水变为疏水。碳纳米管还具有低表面能和毛细管效应，可以显著降低碳化木材表面的自由能，表现出防水和自清洁特性。
该工作得到了浙江省高校基础研究经费（GK209907299001-002和GK209907299001-013）、浙江省重点研发计划（2020C05014、2020C01008和2021C01193）、中国国家重点科学仪器设备开发项目（51927802）的资助。
图1.结构表征 a.合成过程示意图；b-i.形貌表征示意图
图2.电磁屏蔽性能表征 a.测试方法及原理示意图；b-f.电磁屏蔽效能；g.吸收、反射和透射比例
图3.多功能性表征 a.隔热性能测试；b.疏水性能测试