专业报告

本文是关于一种新型多功能复合材料的原创科研研究报告，报告详尽阐述了一种适用于智能电磁干扰屏蔽的新型聚合物基复合材料的设计、制备与性能测试。以下为该研究的详细总结：

研究作者及出处

本文研究由 Sungkyunkwan University 的 Mina Seol, Uiseok Hwang, Junyoung Kim, Deokjoon Eom, In-Kyung Park, Hyoungsub Kim, Jonghwan Suhr 和 Jae-Do Nam 合作完成。研究结果最初以预印本形式发布于 arXiv 平台，并于 2023 年 1 月 20 日正式发表于《Advanced Composites and Hybrid Materials》。文章 DOI 为 https://doi.org/10.1007/s42114-022-00609-w。本研究得到了多个研究项目的资助，包括美国空军科学研究办公室和韩国国家研究基金会的支持。

研究背景

随着现代高性能电子器件的快速发展，电子元件的小型化和高度集成化使得电磁干扰（Electromagnetic Interference, EMI）问题日益突出。电磁波干扰不仅会损害设备功能，还可能对生物体产生不良影响。传统的 EMI 屏蔽材料多为金属基材料，易导电，但缺乏电绝缘性和热传导性能的平衡。近年来，研究者们尝试通过引入陶瓷填料和聚合物基材料来改善此类复合材料的多功能性。然而，现阶段 EMI 屏蔽材料的频率选择性能（Frequency Selective Properties）研究仍十分有限。

本研究旨在解决这一痛点，通过设计和开发一种多层复合材料来实现频率可调的 EMI 屏蔽。此外，该材料还兼具高热导率和电绝缘性能，为电磁干扰屏蔽和高效散热提供了理想选择。

研究流程及创新方法

材料制备阶段

1. 核心思想
   本研究通过多层复合材料（Multilayered Composites）设计来实现 EMI 屏蔽性能的频率选择性。材料主要由外层介电层（含六方氮化硼，BN颗粒）和内层导电层（含银包覆BN颗粒，Ag@BN）组成。制备方法采用简单的溶液打印技术（Solution Printing）。

2. 关键步骤

   • Ag@BN颗粒的制备
     银包覆六方氮化硼颗粒采用无电镀工艺（Electroless Plating）。研究者通过将六方氮化硼分散于硝酸银溶液中，通过静电吸附使银离子在 BN 表面沉积，随后使用还原剂葡萄糖进行处理以生长银纳米颗粒，最终得到均匀覆盖的 Ag@BN 颗粒。
   • 墨水制备及单层复合材料打印
     通过混合 PEI 聚合物与不同浓度 BN 或 Ag@BN 颗粒，制备成具有适当流变特性的复合墨水（Composite Ink）。研究者利用三轴分配喷涂系统打印每层复合材料，并经150°C热处理制备单层材料。
   • 多层复合材料的构建
     将两层 BN 含量不同的外层交替叠加银包覆BN导电层，通过热压技术生成3或5层复合材料（例如：3L-AgBN80 表示三层材料，中心层为高浓度Ag@BN层）。

材料测试及性能分析

研究主要涉及以下性能的结构分析与功能测试： - 微观结构特点
使用 XRD 和 XPS 分析材料的晶体结构与组成情况，通过 FE-SEM 观察颗粒及界面形貌。 - 电磁屏蔽测试
利用矢量网络分析仪测量不同复合材料在 8.2 - 12.4 GHz 范围的 EMI 屏蔽效能（SE），并详细分析每层材料的吸收、反射、透射能力。 - 热导率检测
使用激光闪光法测量材料的各向异性热导率，以评估材料散热能力。 - 电绝缘性评估
通过击穿强度测试评估复合材料的电气绝缘性能。 - 介电特性分析
测量复合材料的复数介电常数，通过损耗正切（tan δ）分析频率响应与损耗能力。

研究结果

1. Ag@BN颗粒的制备
   XRD 和 XPS 测试结果表明，银纳米颗粒成功沉积在 BN 表面，其粒径为 50-200 nm，表面覆盖均匀，具有理想的导电特性。

2. 墨水的流变特性
   高含量填料的墨水表现出剪切变稀的流变特性，适合打印后快速成型，展现优越的打印兼容性。

3. 电磁屏蔽性能

   • 单层材料：BN 层的 EMI 屏蔽效率较低（ dB）；而含 Ag@BN 的导电层可实现高达 25 dB 的屏蔽性能。
   • 多层材料：多层结构材料（如 5L-AgBN80）达到 32–62 dB 的 EMI 屏蔽效率，并展现频率选择性，可根据 BN 含量和层数调整屏蔽频率。

4. 热导率与绝缘性

   • 热导率：材料的热导率随 BN 和 Ag@BN 含量增加显著提高；5L-AgBN80 的垂直热导率达到 7.61 W/m·K。
   • 电绝缘性：尽管含有导电 Ag@BN 层，5L-AgBN80 的垂直方向击穿强度仍保持在 4.03 kV/mm，符合商用绝缘材料需求。

研究结论与意义

本研究成功开发了同时满足 EMI 屏蔽、热散热和电绝缘需求的多功能复合材料。这种材料通过层间介电特性差异实现了 EMI 的频率选择性，采用溶液打印技术确保了材料制备的可操作性和形状灵活性（Shape Controllability）。

这项研究的主要创新点包括通过 Ag@BN 与 BN 的多层设计实现频率选择性 EMI 屏蔽；从理论上弥合了高导电性屏蔽材料和绝缘性功能材料之间的技术鸿沟。这一新型方法对高集成化现代电子设备的性能优化具有重要的推动意义，尤其是能够在较高温度下工作，并适配各种三维复杂表面。

研究亮点

1. 独特的频率选择性 EMI 屏蔽
   多层结构设计和填料分布调节使屏蔽频率可调，同时在屏蔽效率与热导率之间达到了良好平衡。

2. 溶液打印工艺的应用
   制备方法简单、高效，适用于复杂几何形状的材料表面涂覆，具有很强的工业应用潜力。

3. 多功能综合平衡
   兼具高导热、高绝缘和 EMI 屏蔽特性，是下一代集成电子设备理想材料。

潜在应用及价值

这种复合材料在军事通信、高速电子设备、航空航天导航、智能传感器及新型柔性电子设备中具有广阔的应用前景。