胡良兵/王超《CM》:高強度、高電磁屏蔽性能的導電木材​

電磁輻射不僅會使得高精度的電子器件發生故障和退化,同時還對人們的健康問題存在威脅。因此,高性能電磁屏蔽特性材料的開發和設計就顯得格外有意義。

金屬和碳基復合材料通常被用於電磁屏蔽領域。然而,高密度的金屬材料與電子設備的便攜性設計相沖突,從而限制其廣泛的實際應用。輕質且高導電的非金屬復合材料成為近些年來人們青睞的對象。隨著可持續發展需求的日益增長,對材料在環境友好、可循環性和可降解性等方面提出更高的要求。因此,亟需設計一種輕質、符合可持續需求的高導電性電磁屏蔽材料。

天然木材作為一種豐富的生物質資源,其在許多領域表現出優異的可持續應用潛力。同時,輕質和高強度的特點也使其可以通過功能化改性得到高性能的導電材料。近日,馬裡蘭大學胡良兵教授和約翰霍普金斯大學王超教授等以天然木材為基材,通過多孔道的結構設計得到復合導電木質材料,具備傑出的壓縮性能、高電磁屏蔽、輕質和可持續特性。

在聚吡咯覆蓋後其密度僅為0.12 g·cm-3而電導率達到瞭39 S m-1,在3.5cm厚度下其電磁屏蔽效能在8-12 GHz達到58 dB。此外,在化學處理後其壓縮和拉伸強度分別達到瞭15.46MPa和20.18MPa,在未來的工程電磁屏蔽領域表現出極大的潛力。該研究成果以“Conductive Wood for High-Performance Structural Electromagnetic Interference Shielding”為題發表在《Chemistry of Materials》上(見文後原文鏈接)。文章第一作者是馬裡蘭大學博士生甘文濤

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圖1. 輕質導電木材的主要制備過程及其表觀形貌

 

受益於水分和離子在木材內部蒸騰和光合作用地啟發,作者通過脫除木質素和氣相沉積的方法制備結構導電木材,首先用NaClO2去除天然木材中的木質素形成一種有序陣列通道、纖維素和多級孔共存的結構;然後將其浸潤到FeCl3溶液中進行吸附;最後將處理後的木材置於吡咯蒸汽中實現聚吡咯的形成和生長,制備得到瞭結構良好的導電木材。

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圖2. 輕質導電木材的氣相沉積過程及其結構表征

 

作者指出存在與木材內部的納米纖維素表面的大量羥基可以對FeCl3和吡咯分子進行吸附。利用羥基與FeCl3之間的配位作用,納米纖維的羥基可以作為靶點定向連續的使吡咯分子在其表面進行成核和生長。同時,形成的聚吡咯通過氫鍵作用可以穩定的存在於木槽內部。通過成分分析和紅外表征可以發現化學處理後木質素基本上被完全去除,且聚吡咯覆蓋在木質結構的表面。

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圖3. 輕質導電木材在形成過程中的表面和截面形貌

 

在未進行化學處理前,天然木材呈現出光滑的木質細胞孔結構。而在去除木質素後,大量的纖維素納米纖維暴露出來形成粗糙的表面,孔隙率有所增加同時密度減小。作者指出納米纖維素的生成和細長的通道有利於FeCl3粒子的吸附和沉積,是導電木材制備成功的關鍵。在天然木材浸潤FeCl3溶液後,在其木質孔的內部並未發現明顯的FeCl3粒子。同時,由於FeCl3的配位作用,聚吡咯均勻的覆蓋在木槽通道的內部,形成瞭連續的導電通路。

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圖4. 輕質導電木材的導電率和電磁屏蔽性能測試

 

通過對外部、中部和內部的木材表面元素進行EDX分析,可以發現聚吡咯中N元素含量分別達到27at.%,18at.%,14at.%,這主要歸結於氣體的自由擴散。並且,導電率測試結果則顯示三者分別達到39,26,18 S m-1。對其進行電磁屏蔽測試,結果顯示7mm厚度通道的導電木材在8-12GHz下達到21-25dB。作者指出其電磁波的衰減以吸收為主,主要通過聚吡咯的電偶機子與電磁波間的相互作用實現。這種細長型的通道使得電磁波在其內部與聚吡咯發生多重反射而被吸收和消耗很難透射出去。並且通過測試可以發現隨著厚度由1層增加為5層,其電磁屏蔽能力逐漸提高,最高達到63dB, 從而驗證其吸收主導屏蔽機理。

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圖5. 輕質導電木材與其他材料的對比以及力學性能測試

 

作者從五個方面對本材料以及常見的電磁屏蔽材料進行瞭對比,表明導電木材呈現出優異的復合性能,具備輕質、可持續特性、高性能力學強度以及良好的導電率和電磁屏蔽性能。對其進行瞭力學性能表征,作者提出導電木材內部存在的定向納米纖維的通道結構使其力學強度得到明顯改善。與傳統的碳化木材相比,在壓縮後導電木材可以維持定型而碳化木材轉變為碎片。從測試結果發現導電木材的壓縮強度和拉伸強度分別達到15.46MPa和20.18MPa,為相應碳化木材的3倍和28倍。同時,其拉伸狀態下的斷裂伸長率比碳化木材增加瞭8倍,呈現出良好的韌性。

【總結】

作者以天然木材與基材,通過去除木質素的化學手段得到含有定向納米纖維的多重通道結構;再通過化學吸附和氣相沉積的方法制備瞭一種高性能的導電材料。與天然木材相比,導電木材具備輕質、高導電率和高電磁屏蔽特性,同時表現出優異的力學性能。該材料滿足瞭工程建設領域所需要的承重功能和電磁屏蔽特性,為發展下一代的結構電磁屏蔽材料提供瞭新的研究方向。

全文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemmater.0c01507

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