糖模板法+真空浸渍:构建全贯通3D双网络,实现电磁-热功能一体化

来源：Journal of Materials Chemistry A

链接：https://doi.org/10.1039/D6TA01747A

背景介绍

电子器件与通信技术的高速发展，迫切需要兼具吸收主导型电磁干扰（EMI）屏蔽与高效热管理的聚合物复合材料，以降低二次电磁波污染并同步解决热量累积问题。传统导电填料基复合材料常以反射为主、易造成二次污染，且导热通路不连续；单独引入磁性填料难以构建贯通导电路径与磁损耗网络，阻抗匹配差、电磁损耗与导热能力难以协同提升，同时力学、热稳定性与疏水性难以兼顾，无法满足先进电子对一体化多功能防护的严苛需求。

研究成果

近日，韩国国立大学 Sung-Ryong Kim 团队提出3D 双网络构建创新策略，制备 GnP@PDMS/Co–Ni@C 复合体系，实现吸收主导型 EMI 屏蔽与高导热协同突破。研究先以糖模板法构建三维多孔 GnP@PDMS 导电骨架，再通过真空辅助浸渍 MOF 衍生磁性 Co/Ni@C 纳米颗粒，形成全互联导电–磁性双网络，协同优化阻抗匹配、增强磁损耗与界面极化，实现从反射主导到吸收主导的屏蔽转变，同时构筑高效导热通路，显著提升散热能力。

核心性能优势显著：电磁屏蔽方面，最优 GnP30@PDMS/CM5 复合材料总 EMI 屏蔽效能达 71.5 dB，吸收系数高达 0.69，远高于无磁性组分的 GnP30@PDMS（0.15）；导热方面，面外热导率达 1.37 W/(m·K)，散热效率大幅提升；同时材料兼具优异力学强度、热稳定性与疏水性，综合性能领先同类体系。该工作为构建一体化多功能复合材料提供通用设计范式，相关成果以 “3D dual network MOF-derived magnetic Co/Ni@C-GnP@PDMS composites for absorption-dominant EMI shielding with enhanced thermal conductivity” 为题，发表于《Journal of Materials Chemistry A》。

图文速览

图1. (a) 采用糖模板法结合真空辅助浸渗工艺制备三维双网络280 GnP@PDMS/CM复合材料的流程示意图。(b) 碳化前原始Co/Ni-MOFs的SEM显微图像。(c) 碳化后的Co/Ni@C纳米颗粒。(d) 三维多孔GnP30@PDMS泡沫的横截面形貌。(e-g) GnP30@PDMS/CM0复合材料。(h-j) 不同放大倍数下观察到的GnP30@PDMS/CM5复合材料。

图2. (a) 原始Co/Ni-MOFs、Co/Ni@C纳米颗粒、多孔412 GnP30@PDMS泡沫以及GnP30@PDMS/CM5的XRD图谱。(b) FTIR光谱。(c) 拉曼光谱。(d) 原始Co/Ni-MOFs和Co/Ni@C纳米颗粒的XPS全谱。Co/Ni@C纳米颗粒的高分辨XPS谱图：(e) C 1s, (f) N 1s, (g) Co 2p, (h) Ni 2p；(i) GnP30@PDMS/CM复合材料的M-H磁滞回线。

图3. (a) 所制备样品的电导率。(b, c) 不同GnP含量制备的三维多孔GnP@PDMS泡沫的EMI SET和SE。(d, e) GnP30@PDMS泡沫和GnP30@PDMS/CM复合材料的EMI SET和SE随Co/Ni@C纳米颗粒含量的变化。(f) GnP30@PDMS/CM复合材料相应的功率系数。(g) 具有三维双网络结构的GnP30@PDMS/CM5复合材料的EMI屏蔽吸收性能与厚度的关系，并与文献报道的其他三维聚合物复合材料进行比较。(h) 具有三维双网络特征的GnP30@PDMS/CM5复合材料的EMI屏蔽机理示意图。误差棒表示标准偏差 (n = 3)。

图4. (a) 不同Co/Ni@C含量的GnP30@PDMS/CM复合材料的垂直热导率和TCE（导热增强效率）。误差棒表示标准偏差 (n = 3)。(b) 安装在复合材料上的LED芯片表面温度变化，展示了其散热能力。(c) LED芯片在不同加热时间下的红外热像图。(d) 具有三维双网络结构的GnP30@PDMS/CM5复合材料的导热率与填料含量的关系，并与文献报道的其他三维聚合物复合材料进行比较。(e) 多孔GnP30@PDMS泡沫与双网络GnP30@PDMS/CM5复合材料中热传输路径的示意图对比，突出显示了由互连的GnP和Co/Ni@C网络所构建的更高效的热传输通道。

图5. (a) 拉伸应力-应变曲线。(b) 拉伸强度和杨氏模量的比较。(c) 纯PDMS、GnP30@PDMS泡沫和GnP30@PDMS/CM复合材料的断裂伸长率。(d) 纯PDMS、单一填料以及GnP30@PDMS/CM复合材料的热重分析曲线。(e) 纯PDMS、GnP30@PDMS泡沫和GnP30@PDMS/CM复合材料的水接触角。(f) 展示PDMS、GnP30@PDMS泡沫和GnP30@PDMS/CM5复合材料表面水滴形状的光学图像。误差棒表示标准偏差 (n = 3)。