摘 要：高性能電磁屏蔽材料的應(yīng)用是解決電磁波污染和軍事武器隱身問題的有效途徑。利用熱膨脹微球（EM）和液態(tài)金屬（LM），通過簡單的加熱膨脹工藝，制備具有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)三維泡沫金屬復(fù)合材料（EM/LM）。當(dāng)制備樣品中EM和LM質(zhì)量比為3∶25時(shí)，電導(dǎo)率為1.15×103 "S/m，X波段平均電磁屏蔽性能達(dá)到43.6 dB，并且覆蓋整個(gè)X波段。所制備的電磁屏蔽材料輕質(zhì)、可壓縮又具有高屏蔽效能，工藝簡單，性能良好，為快速、低成本制備高效能電磁屏蔽材料提供了新思路。

關(guān)鍵詞：熱膨脹微球；液態(tài)金屬；泡沫金屬；電磁屏蔽；界面極化

中圖分類號：TB333 " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007 - 9734 （2025） 01 - 0098 - 06

0 引 言

現(xiàn)代電子技術(shù)給人們的生活提供極大便利的同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的電磁污染。比如電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用導(dǎo)致大量的電磁輻射產(chǎn)生[1-2]，電磁輻射不僅會干擾電子儀器的正常運(yùn)行，降低儀器的使用壽命，還會影響人類的身心健康[3]。另外，在軍事上，電磁波會干擾軍用通信設(shè)備、雷達(dá)、戰(zhàn)機(jī)和衛(wèi)星導(dǎo)航的使用，嚴(yán)重的電磁干擾甚至?xí){國家安全[4]。因此，為了解決日益嚴(yán)峻的電磁污染問題，也為了適應(yīng)現(xiàn)代電子設(shè)備輕型化和高度集成化的發(fā)展趨勢，開發(fā)輕質(zhì)、工藝簡單、性能良好的電磁屏蔽材料已逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。

熱膨脹微球（EM）是理想的輕質(zhì)材料、物理發(fā)泡劑和改性劑，具有良好的膨脹性、彈性、保溫性、環(huán)保性、隔音性、減震性、阻燃性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域[5]。在航空航天領(lǐng)域，熱膨脹微球可作為熱控涂層材料，用于調(diào)節(jié)航天器表面的溫度，提高航天器的熱穩(wěn)定性。另外，EM作為典型的熱響應(yīng)發(fā)泡/膨脹材料，微球之間的空隙結(jié)構(gòu)和接觸界面可以很好地為電磁波傳輸提供路徑，同時(shí)，微球之間的空隙也為其他組分材料的填充提供可利用的空間。然而EM優(yōu)異的電絕緣性能嚴(yán)重限制了其在電磁屏蔽技術(shù)方面的應(yīng)用，因此如何對EM進(jìn)行改性成為了該領(lǐng)域研究的關(guān)鍵。

鎵基液態(tài)金屬合金（LM）具有獨(dú)特的表面化學(xué)性質(zhì)，還兼具金屬導(dǎo)電性和液體流動性，被廣泛應(yīng)用于柔性電子材料、軟體機(jī)器人、微流體、可穿戴壓力傳感器等領(lǐng)域。此外，LM因其優(yōu)良的物理、化學(xué)特性，吸引了電磁波吸收領(lǐng)域眾多研究者的關(guān)注，其中大多數(shù)的研究者是將聚合物復(fù)合形成LM/聚合物復(fù)合吸波材料[6]。例如，西安交通大學(xué)姚斌團(tuán)隊(duì)[7]通過在彈性體泡沫中引入三維LM網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)一種柔性復(fù)合材料，當(dāng)壓縮到60%的應(yīng)變時(shí)，3D LM/彈性體泡沫的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和電磁屏蔽效能（EMI SE）分別增加了14倍、8.3倍和1.8倍，這是由于壓縮行為使得LM發(fā)生滲透，并改善復(fù)合材料中導(dǎo)電組分的接觸。四川大學(xué)賈利川團(tuán)隊(duì)[8]設(shè)計(jì)了可變形的LM涂層和聚二甲基硅氧烷（PDMS）保護(hù)層，開發(fā)出一種可高度拉伸且性能可靠的導(dǎo)電紡織品（CT），并發(fā)現(xiàn)通過在紡織品表面沉積液態(tài)金屬，再利用PDMS將LM封裝在其內(nèi)部，可以形成一種穩(wěn)定、可靠的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，此CT在厚度為 0.35 mm時(shí)表現(xiàn)出72.6 dB的電磁屏蔽性能，并且應(yīng)力可達(dá)11 MPa左右。這些研究表明：借助液態(tài)金屬的優(yōu)異特性所開發(fā)的柔韌性好、導(dǎo)電性高的多功能電磁屏蔽復(fù)合材料具有巨大的應(yīng)用前景和市場潛力。

然而由于LM自身密度較大，導(dǎo)致LM基復(fù)合材料的整體質(zhì)量較大，為適應(yīng)現(xiàn)代電子設(shè)備輕型化和高度集成化的發(fā)展趨勢，我們選擇質(zhì)量輕的EM為基體材料，LM為功能介質(zhì)，利用簡單的熱膨脹工藝制備了兼具導(dǎo)電性、可壓縮性和電磁屏蔽性能的EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)EM和LM兩種材料的優(yōu)勢互補(bǔ)。對比壓縮前后EM/LM復(fù)合材料的電磁屏蔽性能可以發(fā)現(xiàn)，壓縮后，EMI SE提高了14.6%，達(dá)到較為理想的51.1 dB，并且有效電磁屏蔽頻率可以覆蓋整個(gè)X波段。這種能夠滿足輕質(zhì)、可壓縮、高屏蔽效能的新型電磁屏蔽材料和合成技術(shù)，為快速、低成本制備高效能電磁屏蔽材料提供了新思路。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 "實(shí)驗(yàn)原料

熱膨脹微球采購于上海碧鶴工貿(mào)有限公司；鎵（Ga，99.9%）、銦（In，99.9%）、錫（Sn，99%）采購于上海麥克林生化科技有限公司；去離子水是在實(shí)驗(yàn)室自制的；所有化學(xué)試劑均為分析級，無須進(jìn)一步純化。

1.2 "EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料的制備

1.2.1 LM的制備

將Ga （68 wt%）、In （22 wt%）和Sn（10 wt%）的混合物在150 ℃的油浴鍋中混合熔化并攪拌1 h，制成含有鎵、銦和錫的液態(tài)金屬合金（LM）。

1.2.2 不同LM填充量的EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料制備

取0.2 g EM和一定量的LM于小離心管中，攪拌30 min直至混合均勻；將所得混合物放入固定模具中，放入干燥箱110 ℃，45 min；待自然降溫后取出樣品。其中，為了研究LM的填充量對EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料的影響，樣品中EM和LM質(zhì)量比分別設(shè)置為： 3∶15、3∶20和3∶25。將不添加LM的樣品記作純EM泡沫。具體制備流程圖如圖1所示。

1.3 "樣品表征與測試

采用高溫X射線衍射（XRD，SmartLab ，日本理學(xué)）對樣品的物相組成成分進(jìn)行分析。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，JSM7001F，EDS X-act，日本和英國）對樣品的形貌和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征；采用四探針電導(dǎo)率儀（RTS-8，中國）測試樣品的電導(dǎo)率；利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA，N5234A，美國是德科技）測試樣品在X波段（8.2 GHz ～ 12.4 GHz）的電磁參數(shù)和S參數(shù)，并仿真分析樣品的電磁屏蔽效能，其中，X波段樣品尺寸為：22.86 mm × 10.16 mm。

2 結(jié)果與討論

利用SEM對EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料系列樣品的微觀形貌進(jìn)行分析，如圖2所示。圖2（a）是純EM泡沫的微觀形貌，可以看出，經(jīng)過加熱膨脹后的EM微球互相之間被擠壓并粘附形成空隙，其中，EM微球表面光滑。圖2（b） ～ （d）分別是不同LM填充量的樣品形貌，EM和LM質(zhì)量比依次為： 3∶15、3∶20和3∶25。從圖2可以看出，填充LM后，EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料仍保持純EM泡沫獨(dú)特的多空隙結(jié)構(gòu)，并且隨著LM填充量的增加，EM微球表面不再光滑，而是出現(xiàn)了明顯的附著物，即LM分散在EM表面；同時(shí)，LM導(dǎo)電填料被迫分布在相鄰EM微球的界面處，形成隔離或者連通的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。對EM和LM質(zhì)量比為3∶25的樣品進(jìn)行Mapping元素映射分析，如圖2（e）所示，可以發(fā)現(xiàn)樣品中存在C、O、Ga、In、Sn元素。

利用XRD分析不同LM填充量的EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料的物相，如圖3（a）所示?？梢钥闯觯珽M與LM混合后，各樣品均在35 °C附近出現(xiàn)較低強(qiáng)度的寬峰，根據(jù)已報(bào)道的文獻(xiàn)[9]，表明樣品中存在非晶態(tài)成分；對比純EM樣品和填充LM后樣品的XRD圖，可以明顯發(fā)現(xiàn)，填充LM后純EM泡沫固有的寬峰消失，根據(jù)已報(bào)道的文獻(xiàn)[9-10]，LM納米顆粒包裹在EM表面并形成新的非晶態(tài)衍射峰。電導(dǎo)率在預(yù)測非磁性材料（如碳基材料、高分子材料等）的電磁波屏蔽性能方面起著重要作用。不同LM填充量的EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料的電導(dǎo)率如圖3（b）所示。EM和LM質(zhì)量比為3∶25樣品的電導(dǎo)率達(dá)到1.15×103 S/m，比質(zhì)量比為3∶15樣品的電導(dǎo)率（0.29×103 S/m）高6倍，這是由EM和LM的電導(dǎo)率差異較大所致，EM為絕緣聚合物材料，LM為高導(dǎo)電材料，LM的增加導(dǎo)致樣品整體的電導(dǎo)率升高[11]。眾所周知，EMI屏蔽性能與其導(dǎo)電性密切相關(guān)[12-13]，同時(shí)，EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料的高導(dǎo)電性不僅促進(jìn)了電磁波在材料表面發(fā)生的反射行為，還在一定程度上影響了電磁波在材料內(nèi)部的耗散等。

材料的電磁屏蔽效果強(qiáng)弱主要由電磁屏蔽效能（EMI SE，dB）確定，可按照下列公式給出[14-15]：

EMI SE = 20 lg（E1/E2） = 20 lg（H1/H2） = 10 lg（P1/P2） （1）

SET = SER+SEA+SEM （2）

R = |S11|2 = |S22|2，T = |S12|2 = |S21|2，A = 1-R-T （3）

SER = -10 lg（1-R） = -10 lg（1-|S11|2） （4）

式（1）中，E1表示入射時(shí)電場強(qiáng)度；E2表示屏蔽后電場強(qiáng)度；H1表示入射時(shí)磁場強(qiáng)度；H2表示屏蔽后磁場強(qiáng)度；P1表示入射時(shí)輸入功率；P2表示屏蔽后輸出功率。式（2）中，SET、SER、SEA、SEM分別表示總屏蔽效能值、反射、吸收、多重反射的屏蔽效能值，當(dāng) SET gt; 15 dB 時(shí)，SEM可忽略不計(jì)。式（3） ～ （4）中，R和T分別表示反射系數(shù)和透射系數(shù)，S11、S12是VNA測量得到散射參數(shù)，其中Sij表示電磁波從端口j到端口i的傳輸。

圖4（a）展示了不同LM填充量對EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料SET的影響?？梢钥闯?，隨著LM填充量的增大，EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料的EMI SE數(shù)值也隨之增大，這主要與LM形成的導(dǎo)電通路有關(guān)。當(dāng)制備樣品中EM和LM的質(zhì)量比為3∶25時(shí)，最高電磁屏蔽效能可達(dá)到43.6 dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了工業(yè)生產(chǎn)所要求的20 dB[13，16]。為了進(jìn)一步研究EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料的電磁屏蔽機(jī)理，對各樣品的平均SER、SEA和SET進(jìn)行分析，如圖4（b）所示。隨著LM的填充，各樣品的電磁屏蔽效能（SEA值）獲得明顯改善，并且各樣品的SEA均高于SER。這表明吸收損耗對入射到EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料內(nèi)部的電磁波占絕對性優(yōu)勢。LM填充量的增加導(dǎo)致電磁波進(jìn)入復(fù)合材料內(nèi)部后與導(dǎo)電LM的接觸概率增加，并不斷形成多重反射和散射，從而增加了電磁波的衰減能力[17]。

圖4（c）詳細(xì)展示了所有樣品在X波段的平均SEA/SET和SER/SET數(shù)值。所有樣品的SEA/SET比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SER/SET的比值，這意味著吸收損耗對入射到復(fù)合材料內(nèi)部的電磁波損耗貢獻(xiàn)最大。多空隙結(jié)構(gòu)為EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料構(gòu)建出大量的多重界面，同時(shí)，導(dǎo)電LM增大了樣品整體的導(dǎo)電性能。因此，EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料中復(fù)雜的界面極化和電導(dǎo)損耗等使得復(fù)合材料的電磁屏蔽性能得到提升[18]。然而，較高的吸收效能占比，并不意味著復(fù)合材料的屏蔽機(jī)理以吸收為主導(dǎo)，因?yàn)镾EA是一個(gè)相對量，它僅代表材料對傳輸?shù)狡帘尾牧蟽?nèi)部的電磁波的衰減能力，并且電磁波在樣品表面發(fā)生的反射行為先于吸收行為。因此，為了進(jìn)一步探討EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料的電磁屏蔽機(jī)制，計(jì)算了各復(fù)合材料在X波段內(nèi)的功率系數(shù)（透射系數(shù)T、反射系數(shù)R和吸收系數(shù)A），結(jié)果如圖4（d）所示。從圖中可以看出，各樣品的T值接近于0，這說明EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料的EMI屏蔽效果很好，極大地降低了透波行為發(fā)生的可能性。另外，隨著LM填充量的增加，R值也隨之增大，并且各樣品的A值均低于R值。這是由于LM具有很高的介電常數(shù)，隨著LM填充量的增加，復(fù)合材料的阻抗失配程度增加，從而在材料表面反射更多的電磁波，即電磁波的反射行為大于吸收行為[18]。由于各樣品的R值均高于A值，故認(rèn)為反射是EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料的主導(dǎo)電磁屏蔽機(jī)制。

3 結(jié) 論

通過簡單的熱膨脹技術(shù)制備一種能夠滿足輕質(zhì)、可壓縮、高屏蔽效能的新型EM/LM泡沫金屬電磁屏蔽復(fù)合材料。研究不同LM填充量對EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料的電導(dǎo)率、電磁波屏蔽性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)制備樣品中EM和LM的質(zhì)量比為3∶25時(shí)，電導(dǎo)率可達(dá)1.15×103 S/m，X波段平均電磁屏蔽性能達(dá)43.6 dB，通過壓縮后樣品的EMI SET可達(dá)51.1 dB。EM/LM泡沫金屬復(fù)合材料優(yōu)異的導(dǎo)電性是決定其電磁屏蔽性能的主要原因，其中，內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)和組分之間電導(dǎo)率的差異性影響著材料內(nèi)部發(fā)生的界面極化、導(dǎo)電損耗等行為，并共同促進(jìn)電磁波在材料內(nèi)部的衰減。與其他屏蔽材料相比，EM/LM泡沫金屬電磁屏蔽材料的工藝制備簡單，輕質(zhì)、可壓縮，有優(yōu)異的屏蔽性能，能夠適應(yīng)現(xiàn)代復(fù)雜的電磁環(huán)境，滿足對現(xiàn)代新型屏蔽材料的要求。

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責(zé)任編校：劉 燕，孫詠梅

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