高屏蔽效能静电纺纳米纤维基复合材料的组成和空间结构与屏蔽性能关联机制研究

Electromagnetic radiation is very harmful to human body. It is of great importance to design and prepare electromagnetic (EMI) shielding materials with defined composition and structure for achieving light weight, flexibility and high shielding effectiveness. In this project, we will explore the synthetic approaches to fabricate electrospun nanofiber-based composites with unique spatial structure for EMI shielding studies. Herein, we will focus on the synthetic routes to prepare electrospun two-dimensional (2D) nanofiber membranes and three-dimensional (3D) aerogels. We will also search the methods for the preparation of polymer/conducting material-based 2D membranes and 3D aerogels with different densities. We will study the influence of the composition, size and morphology of the conducting material in the composites on their EMI shielding effectiveness. We will further investigate the influence of the size of nanofibers, the size of the pores and porosity in the polymer/conducting material-based 2D membranes and 3D aerogels on their EMI shielding effectiveness. We will reveal the relationship between the composition and spatial structure of the polymer/conducting material composites and the EMI shielding effectiveness, providing an important basis for the preparation of high-performance composite EMI shielding materials.

电磁辐射对人体具有巨大伤害，设计和制备具有特定组成和结构的电磁屏蔽材料，实现轻质、柔性以及高屏蔽效能是该领域的研究重点。本项目拟开展具有明确空间结构的静电纺丝纳米纤维基复合材料的可控构筑及其电磁屏蔽性能研究。探索具有不同密度的静电纺二维层状纳米纤维膜以及三维气凝胶材料的可控制备技术，探索具有不同空间结构的聚合物/导电材料复合纳米纤维膜及三维气凝胶材料的构筑策略。以不同空间结构的聚合物/导电材料复合纳米纤维膜及三维气凝胶材料的电磁屏蔽研究为导向，探讨复合材料中导电材料的组成、尺寸、形貌等对复合材料屏蔽效能的影响，考察二维层状纳米纤维膜和三维气凝胶材料中纤维尺寸、孔径、孔隙率对复合材料屏蔽效能的影响，阐明聚合物/导电材料复合纳米纤维膜及三维气凝胶材料的组成和空间结构对电磁屏蔽性能的影响规律，为高性能复合电磁屏蔽材料制备提供重要依据。

围绕电磁屏蔽防护材料的研制，通过静电纺丝技术和后处理的方式，开展了大量工作，我们取得三大成果：.1. 纳米粒子种类是电磁波防护材料的关键。金属纳米粒子、纳米合金、无机氧化物-金属、氧化物-氧化物等纳米粒子都可以用于电磁波防护材料。采用哪一种粒子，取决于电磁波波段。一般来说，金属粒子Ag用于微波波段，金属-氧化物异质结Ag-WO3用于红外波段，金属Ag和高Z元素氧化物纳米粒子Bi可用于X，r-高能射线防护。聚合物通常作为载体，机械强度是相当重要的。.2. 电磁波防护机理。用于微波波段防护的金属纳米粒子Ag/聚合物纳米纤维膜消耗机理是，当电磁波照射时，产生的电子可以沿纳米纤维轴向的快速传递，导致电子快速消耗，因而防护性能提高；金属-氧化物Ag-WO3纳米粒子可以形成肖特基结，使得电磁波响应波段红移，让纳米纤维复合膜在红外区具有防护作用；在X高能射线波段，高原子序数的元素是起到防护作用的关键，例如：Ag、Bi、W等。.3. 电磁波防护材料的多功能化。传统研究电磁波防护仅仅基于波的屏蔽效应，但材料在使用过程中是处于不同环境下的，多功能电磁波防护材料的开发势在必行。因此，我们研制了具有自清洁效应的硬脂酸/Ag/PAN、多频段防护功能的Ag-WO3/PU-PAN废弃时具有环境保护性能钨酸铋/氧化铋的防护材料，大大丰富了电磁波防护材料种类，并提高了实用性。