『电磁屏蔽最新AM』超薄、可拉伸且可3D打印的互补型纳米管-聚合物复合材料,用于极端环境下的多模式辐射屏蔽

针对极端环境下运行的先进航空航天、国防、医疗及下一代电子应用中的多功能钝化平台需求，当前亟需一种能够同时衰减电磁干扰（EMI）和中子辐射，同时保持轻量化、机械可拉伸性等多功能特性的新型材料体系。本文报道：（1）由互补型纳米管（氮化硼纳米管BNNTs和单壁碳纳米管SWCNTs）构成的纯复合材料，可实现电磁屏蔽与中子防护的双模衰减；（2）将该材料体系拓展至采用本质可拉伸聚二甲基硅氧烷（PDMS）基体的3D打印结构，从而为新兴应用构建强韧且适形的屏蔽架构。通过直写成型技术，本文实现了具有可调力学与屏蔽性能的复杂几何结构（如独立蜂窝晶格）的可规模化制造。所制备的纯复合材料在数十微米厚度下，电磁屏蔽效能超过50 dB，中子衰减系数达1.27 mm^–¹（相当于毫米厚度下约72%衰减率）；而聚合物复合材料在亚毫米厚度下屏蔽效能可达23 dB，并在循环应变和极端热环境（–196℃至250℃）中保持力学回弹性。这些发现为极端环境下新一代电子设备提供了一种轻质强韧的屏蔽策略。

图1：3D打印SWCNT/BNNT/PDMS复合材料概述：双重屏蔽、力学性能及可编程几何结构

（A）复合材料应用于近地轨道（LEO）卫星及星载电子设备的概念示意图。（B）集成于微电子封装中的图案化复合网格的光学图像。（C）通过直写成型技术制备的独立式复合薄膜，展示了其柔韧性和结构保真度。（D、E）复合材料的（D）电磁屏蔽与（E）中子屏蔽机理示意图。电磁波通过反射、吸收和多次内反射被衰减，而热中子通过与BNNT中的¹⁰B相互作用产生α粒子和⁷Li核而被衰减。（F）复合材料的电子显微镜图像，显示出致密、交织的纳米管网络。（G、H）3D打印的蜂窝结构，展示了可编程的几何形状和可扩展性。（I、J）聚合物复合材料的力学柔顺性，展示了其（I）可拉伸性和（J）可弯曲性。

图2：纯复合材料的结构、光谱及界面表征

（A）示意图描绘了SWCNTs和BNNTs因其富碳与富硼的差异化组成，分别与电磁波和中子发生选择性相互作用的机制。（B）示意图阐述纯复合材料的形成过程：（1）SWCNTs与BNNTs在溶液中分散；（2）SWCNTs包裹BNNTs形成核-壳结构。（C）不同SWCNT:BNNT比例纯复合材料的FTIR光谱。（D）原始SWCNT薄膜及SWCNT:BNNT比例分别为5:5和2:8的复合材料的拉曼光谱。（E、F）纯复合材料的高分辨率透射电子显微镜图像，显示SWCNTs围绕BNNTs的同轴包裹形态。插图为杂化界面的剖面示意图。（G-I）纯复合材料的元素分布分析图，显示了硼、氮、碳的共定位，证实了杂化结构的形成。

图3：SWCNT/BNNT纯复合材料的双重屏蔽性能

（A）不同SWCNT:BNNT比例的SWCNT/BNNT纯复合材料在X波段范围内的电磁屏蔽性能。（B）总屏蔽效能分解为反射分量和吸收分量。（C）不同SWCNT:BNNT比例下纯复合材料的电导率。（D）不同SWCNT:BNNT比例下纯复合材料对EMI屏蔽的功率系数变化。（E）本工作中纯复合材料（红色星标，厚度系列）的厚度归一化总屏蔽效能（SSE/t）与文献报道中基于石墨烯（黑色方块）和基于CNT（蓝色菱形）材料的对比。（F）中子线性衰减系数随厚度变化的对比。所测试的纯复合材料展现出约1.27 mm^-1的衰减系数，性能优于多种聚合物复合材料，并可媲美纯BNNT体系。

图4：SWCNT/BNNT/PDMS复合材料的热机械性能及极端环境稳定性

（A）SWCNT/BNNT/PDMS油墨的储能模量随振荡应变的变化；插图示出稳定的油墨配方。（B）聚合物复合材料的应力-应变曲线；插图：拉伸测试装置。（C）复合材料在重复应变循环下的EMI屏蔽性能。（D）热重分析曲线，突显了聚合物复合材料相较于原始组分增强的热稳定性。（E）纯复合材料在高温暴露12小时后的EMI屏蔽性能。（F）聚合物复合材料先后经历低温条件（液氮，1小时）和250℃加热1小时后的EMI屏蔽性能。（G）序列照片显示薄膜在液氮浸泡前、中、后（上方）以及高温暴露前、中、后（下方）的状态。复合材料保持结构完整性，证实了其在极端条件下的强健性。

图5：3D打印SWCNT/BNNT/PDMS复合材料的设计灵活性与结构可调性

（A）使用复合油墨进行直写成型工艺的示意图。（B）大面积图案化打印，展示了复合油墨配方的可扩展性。（C）打印复合材料的多层堆叠（1层、10层和20层），以及5层至30层对应的横截面侧视图。（D）六边形晶格图案中可调的特征尺寸，展示了尺寸控制能力。（E）打印结构的独立特性及其在微电子基板上的集成。（F-G）复合材料在（F）形状和（G）成分上的多样化控制，可形成不同的图案和外形因素。

总之，本文开发了可3D打印的SWCNT/BNNT/PDMS复合材料，该材料能同时屏蔽电磁波和中子辐射，同时具备机械柔韧性和热稳定性。通过利用直写成型技术，研究人员制造了具有可调几何形状、厚度和内部图案的高度复杂结构，从而展示了该复合材料的结构多样性。纯SWCNT/BNNT复合材料在数十微米厚度下表现出优异的电磁干扰屏蔽效能（超过50 dB）和中子衰减系数（μ = 1.27 mm^-1），并显示出对成分变化的高度耐受性。光谱和显微分析揭示了聚合物基体内BNNT和SWCNT形成了互连的同轴纳米管网络，这同时促进了电荷传输和中子捕获。对聚合物复合材料的力学和热学测试表明，其在极端环境条件下具有显著的可拉伸性和回弹性，并能持续保持功能性能。总体而言，这项研究强调了混合纳米管体系结合基于直写成型的增材制造技术，作为一个强大的平台，在 tailored 用于航空航天电子、可穿戴系统及其他极端环境应用的多功能屏蔽部件工程化方面的潜力。

Ultrathin, Stretchable, and 3D-Printable Complementary Nanotubes–Polymer Composites for Multimodal Radiation Shielding in Extreme Environments

Flandy, Kun Kim, Jaehyoung Ko, Daeun Kim, Daekwon Lee, Heesuk Rho, Sang Seok Lee, Dong Su Lee, Se Gyu Jang, Seokhoon Ahn, Seung-Yeol Jeon, Dae-Young Jeon, Yongho Joo*

本文由安徽大学时俊杰整理发布。如有遗漏和错误之处，敬请通过微信联系，我将及时更正！