一种具有多孔电导梯度结构的电磁屏蔽复合材料制备方法及应用

本发明涉及电磁屏蔽材料，具体涉及一种具有多孔电导梯度结构的电磁屏蔽复合材料制备方法及应用。

背景技术：

1、随着电子产品的普及，智能手机等数码产品在工作时会散发出大量的电磁波，这些无用的电磁(em)波不仅会对电子设备的正常运行造成干扰，还会对人体健康带来潜在的危害。根据schelkunoff经典传输理论，电磁屏蔽材料的主要作用是利用其良好的导电性能和介电损耗或磁滞损耗，实现对电磁波的吸收和消耗。然而，过去的研究大多关注于提高材料的导电性能，忽略了电磁波的二次辐射问题。在电导型屏蔽材料中，导电网络的形成通常与其它填料的添加无关，因此难以实现对电磁波的有效调控。另一方面，研究表明，高磁导率的材料能够有效地吸收电磁波，并且能够显著地降低二次电磁辐射，所以在电导型屏蔽材料中添加磁性填料是一种可行的方法，而且不会影响复合材料的阻抗匹配。

2、为了获得以吸收为主的电磁干扰(emi)屏蔽材料，研究发现，一种有效的方法是在材料中引入磁导和电导梯度，从而增强电磁波在材料内部的损耗。磁性材料由于其复杂的纳米多孔蜂窝结构，能够对入射的电磁波产生多次反射和损耗，从而降低电磁波的强度。这种结构的优势在于，它能够延长电磁波在材料中的传输路径，增强材料内壁的多次反射，同时充分协调材料的阻抗匹配和空气的介电损耗，使电磁波的衰减更加有效。另外，通过对材料结构的设计，也可以提高材料对电磁波的吸收能力。例如，泡沫结构由于其密集的孔隙和蜂窝状的内部结构，也能够对电磁波造成多次反射和损耗，达到类似的效果。而且，多孔泡沫结构还具有填料用量少、成本低廉、制备简便等优点，有利于材料的研发和应用。

3、电磁屏蔽材料是通过设计反射或吸收入射电磁波的材料，从而防止不必要的电磁辐射对电子设备和人体造成干扰或危害。电磁波在穿透材料的过程中，会发生复杂的电磁波反射和吸收现象，通常用吸收(a)，反射(r)和穿透(t)三个值来衡量材料的电磁屏蔽效果。电磁屏蔽材料的具有较低的r值，以减少电磁波的反射，但同时也要注意控制t值，以避免电磁波的二次辐射。因此，提高a值，即增强材料对电磁波的吸收能力，是实现高效电磁屏蔽的最佳方案。然而，磁性材料由于其导电性能不佳，容易导致电磁波的反射，如何在不影响r值的情况下，开发出以吸收为主的电磁屏蔽材料，是一个重要的研究课题。

4、为了有效降低电磁波的二次污染，我们将mf(mos2@sic-fe3o4)/pva阻抗匹配吸收层和cnt/mxene/pva电导梯度层组合成吸收为主的emi屏蔽mf/cnt/mxene复合材料。研究表明，这种复合材料中的非对称电导梯度层和mf/pva泡沫能够有效地吸收入射的电磁波，表现出优异的电磁屏蔽特性，从而降低了电磁波的二次辐射问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种具有多孔电导梯度结构的电磁屏蔽复合材料制备方法及应用，制备方法为：通过氢氟酸选择性蚀刻得到剥离的mxene片；高温掺入pva基体方式得到cnt/pva薄膜和mxene/pva薄膜；热压工艺组装cnt/mxene/pva电导梯度薄膜；采用水热法提取mos2@sic杂化物；利用mos2@sic杂化物和fe3o4及pva基体得到mos2@sic-fe3o4/pva泡沫；最后利用冷压(模压)工艺，得到多孔电导梯度结构的电磁屏蔽复合材料；这种复合材料中的非对称电导梯度层和mos2@sic-fe3o4/pva泡沫能够有效地吸收入射的电磁波，采用cnt/pva和mxene/pva导电层来提高电磁波的穿透效果，cnt/mxene/pva的电导梯度引发电磁波损耗，mos2@sic-fe3o4/pva阻抗匹配吸收电磁波，有效降低电磁穿透率表现出优异的电磁屏蔽特性，从而降低了电磁波的二次辐射问题；该方法的制备过程简单而高效，采用了工业化成熟的热压、离心、超声分散和磁性搅拌等工艺，不仅保证了材料的均匀性和稳定性，而且大大提高了材料的工业化水平和应用前景。

2、为实现以上技术效果，采用如下技术方案：

3、一种具有多孔电导梯度结构的电磁屏蔽复合材料制备方法包括如下步骤：

4、步骤s1：mos2@sic-磁性填料/pva阻抗匹配层泡沫制备

5、将磁性填料和mos2@sic杂化物分散到去离子水中，保温后加入pva，搅拌并升温使pva完全溶解，将溶液转移至真空干燥箱中去除气泡；定量倒入模具中，预冷，使用冰模板法进行真空冷冻干燥，得到mos2@sic-磁性填料/pva泡沫；

6、步骤s2：导电填料/mxene/pva电导梯度层薄膜制备

7、将导电填料分散到去离子水中，保温后缓慢加入pva，搅拌均匀后升温使pva完全溶解，最后将溶液转移至真空干燥箱中，烘干，得到导电填料/pva膜，备用；

8、将mxene分散液分散到去离子水中，保温后缓慢加入pva，搅拌均匀后升温使pva完全溶解，最后将溶液转移至真空干燥箱中，烘干，得到mxene/pva膜，备用；

9、通过热压成型工艺，将导电填料/pva膜和mxene/pva膜热压组装成具有电导梯度的导电填料/mxene/pva复合薄膜；

10、步骤s3：多孔电导梯度结构的mos2@sic-磁性填料/导电填料/mxene电磁屏蔽复合材料制备

11、将步骤s2中得到的导电填料/mxene/pva电导梯度薄膜置于底层，将步骤s1中得到的mos2@sic-磁性填料/pva泡沫置于顶层，通过冷压方式结合，得到具有多孔电导梯度结构的mos2@sic-磁性填料/导电填料/mxene电磁屏蔽复合材料。

12、进一步的，所述步骤s1中的磁性填料包括fe、ni、co合金或氧化物的任意一种或者多种；所述磁性填料、mos2@sic杂化物及pva的质量比为1-1.2：1-1.2：40-50。

13、进一步的，所述步骤s1中磁性填料和mos2@sic杂化物通过超声分散到去离子水中，搅拌时间为1.5-2.5h，升温到85-95℃使pva完全溶解，置于液氮氛围进行预冷，使用冰模板法进行真空冷冻干燥72-75h。

14、进一步的，所述步骤s2中的导电填料包括石墨烯、碳纤维、cu颗粒、ag颗粒和炭黑高导电填料的任意一种或者多种；所述导电填料与pva的质量比为1-1.5：20-30；所述mxene与pva的质量比为1-1.5:20-30，所述mxene分散液的浓度为4-6mg/ml；所述步骤s2中导电填料和mxene分散液通过超声分散到去离子水中。

15、进一步的，所述步骤s1中mos2@sic杂化物的具体制备方法为：

16、通过简单的水热法制备：

17、在超声环境将1g sicnw分散到400-500ml去离子水中，静置30-40min，离心并收集上清液溶液，得到sicnw分散液；

18、将2.16mmol(nh4)6mo7o4·4h2o和12.96mmol cs(nh2)2缓慢溶解到60ml上述制备的sicnw分散液中；

19、经过30-40min的连续磁力搅拌形成均匀的悬浮液，转移至ptfe内衬和配套的不锈钢高压釜中，并保持200℃反应22h，自然冷却室温；

20、收集沉淀物，并用无水乙醇洗涤三次以上，收集mos2@sic杂化物，在35-45℃下真空干燥，备用。

21、进一步的，所述步骤s2中mxene分散液的具体制备方法为：

22、将2g lif和40ml 9m hcl装入35℃的teflon容器中，通过磁力搅拌使其均匀混合，得到刻蚀溶液；

23、将2g ti3c2al粉末缓慢添加到上述蚀刻溶液，并缓慢磁力搅拌36-40h；

24、把上述反应液以3500rpm/min进行离心，除去液体中的酸溶液，然后滴加1m稀盐酸，至上清液ph＝5.5-6.5；

25、最后，将上述产物置于冰水浴下超声1.5-2.5h，离心收集上清液，重复此操作以获得mxene分散液。

26、进一步的，所述步骤s2中导电填料/pva膜与mxene/pva膜的制备工艺参数相同；所述分散时间为30-60min，搅拌时间为1.5-2.5h，升温温度为80-100℃；所述烘干温度为35-45℃；所述将导电填料/pva膜和mxene/pva膜热压组装前，用40℃的温水处理导电填料/pva膜和mxene/pva膜结合面，静置5-10min；所述热压工艺为：在平板硫化机上进行，热压温度80-90℃，压强9-10mpa，时间10-15min。

27、进一步的，所述步骤s3中冷压之前用40℃的温水涂敷mos2@sic-磁性填料/pva泡沫与导电填料/mxene/pva电导梯度薄膜的结合面处，静置5-10min；所述冷压在平板硫化机上进行，压强为9-10mpa。

28、一种具有多孔电导梯度结构的电磁屏蔽复合材料，采用上述任意一项制备方法制备得到。

29、上述制备的具有多孔电导梯度结构的电磁屏蔽复合材料可以应用在电磁屏蔽领域。

30、实际应用中pva可以替换为包括但不限于pva、pe、pp、ps、pet等众多热熔型聚合物材料的任意一种；

31、本发明的有益效果为：

32、1、本发明提供了一种具有多孔电导梯度结构的mos2@sic-fe3o4/cnt/mxene电磁屏蔽复合材料制备方法，该材料具有明显的非对称和多孔结构，有利于提高材料的多功能性。它由两种不同功能的层结构组成，一种是cnt/mxene/pva复合薄膜导电层，它具有明显的电导梯度；另一种是mos2@sic-fe3o4/pva多孔泡沫吸收层，它以磁性fe3o4为主要成分，具有吸波功能。两种层结构主要负责电磁屏蔽的反射和吸收，形成了明显的非对称功能差异。cnt/pva和mxene/pva复合薄膜能够保持材料的电磁屏蔽能力，它们的电导率呈现梯度变化，有助于部分吸收电磁波；mf泡沫和fe3o4颗粒则能有效吸收和消耗电磁波，最终得到的mos2@sic-fe3o4/cnt/mxene复合泡沫具有优异的电磁屏蔽吸收特性，进一步证明了电导梯度和磁导梯度对提高电磁屏蔽效果的重要作用，也为设计和制备以吸收为主的电磁屏蔽材料提供了一个有效的方法。

33、2、本发明提供了一种具有多孔电导梯度结构的mos2@sic-fe3o4/cnt/mxene电磁屏蔽复合材料制备方法，该方法以pva为聚合物基体。pva是一种环境友好、可降解、易加工的高分子材料，它不仅具有良好的成膜性、机械强度、生物相容性和可降解性，而且还保证了pva材料的质量和加工性。此外，pva是一种水溶性高分子材料，可以大幅降低复合材料的生产成本，是一种符合绿色环保理念的新型材料，具有广阔的发展前景。

34、3、本发明提供了一种具有多孔电导梯度结构的mos2@sic-fe3o4/cnt/mxene电磁屏蔽复合材料制备方法，它由两层不同的功能材料组成。其中，电导梯度层是由cnt/pva薄膜和mxene/pva薄膜复合而成，具有优异的导电性能，能有效地反射电磁波，提高材料的屏蔽效率。另一层是由磁性材料为主要成分的mos2@sic-fe3o4/pva阻抗匹配层，能够吸收电磁波的能量，使电磁波在材料内部发生多次的反射和损耗，从而增强材料的吸收性能。这种多孔电导梯度结构的电磁屏蔽材料，不仅能有效地屏蔽电磁波，而且能降低电磁波的穿透率，减少对周围环境的二次污染。

35、本发明提供了一种具有多孔电导梯度结构的mos2@sic-fe3o4/cnt/mxene电磁屏蔽复合材料制备方法，该材料具有多孔电导梯度结构，能够有效吸收电磁波。该方法的制备过程简单而高效，采用了工业化成熟的热压、离心、超声分散和磁性搅拌等工艺，不仅保证了材料的均匀性和稳定性，而且大大提高了材料的工业化水平和应用前景。