電磁輻射不僅會(huì)使得高精度的電子器件發(fā)生故障和退化,同時(shí)還對(duì)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(fā)和設(shè)計(jì)就顯得格外有意義。
金屬和碳基復(fù)合材料通常被用于電磁屏蔽領(lǐng)域。然而，高密度的金屬材料與電子設(shè)備的便攜性設(shè)計(jì)相沖突，從而限制其廣泛的實(shí)際應(yīng)用。輕質(zhì)且高導(dǎo)電的非金屬?gòu)?fù)合材料成為近些年來人們青睞的對(duì)象。隨著可持續(xù)發(fā)展需求的日益增長(zhǎng)，對(duì)材料在環(huán)境友好、可循環(huán)性和可降解性等方面提出更高的要求。因此，亟需設(shè)計(jì)一種輕質(zhì)、符合可持續(xù)需求的高導(dǎo)電性電磁屏蔽材料。
天然木材作為一種豐富的生物質(zhì)資源，其在許多領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異的可持續(xù)應(yīng)用潛力。同時(shí)，輕質(zhì)和高強(qiáng)度的特點(diǎn)也使其可以通過功能化改性得到高性能的導(dǎo)電材料。近日，馬里蘭大學(xué)胡良兵教授和約翰霍普金斯大學(xué)王超教授等以天然木材為基材，通過多孔道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到復(fù)合導(dǎo)電木質(zhì)材料，具備杰出的壓縮性能、高電磁屏蔽、輕質(zhì)和可持續(xù)特性。
在聚吡咯覆蓋后其密度僅為0.12 g·cm-3而電導(dǎo)率達(dá)到了39 S m-1，在3.5cm厚度下其電磁屏蔽效能在8-12 GHz達(dá)到58 dB。此外，在化學(xué)處理后其壓縮和拉伸強(qiáng)度分別達(dá)到了15.46MPa和20.18MPa，在未來的工程電磁屏蔽領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的潛力。該研究成果以“Conductive Wood for High-Performance Structural Electromagnetic Interference Shielding”為題發(fā)表在《Chemistry of Materials》上（見文后原文鏈接）。文章第一作者是馬里蘭大學(xué)博士生甘文濤
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受益于水分和離子在木材內(nèi)部蒸騰和光合作用地啟發(fā)，作者通過脫除木質(zhì)素和氣相沉積的方法制備結(jié)構(gòu)導(dǎo)電木材，首先用NaClO2去除天然木材中的木質(zhì)素形成一種有序陣列通道、纖維素和多級(jí)孔共存的結(jié)構(gòu)；然后將其浸潤(rùn)到FeCl3溶液中進(jìn)行吸附；最后將處理后的木材置于吡咯蒸汽中實(shí)現(xiàn)聚吡咯的形成和生長(zhǎng)，制備得到了結(jié)構(gòu)良好的導(dǎo)電木材。
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作者指出存在與木材內(nèi)部的納米纖維素表面的大量羥基可以對(duì)FeCl3和吡咯分子進(jìn)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(diǎn)定向連續(xù)的使吡咯分子在其表面進(jìn)行成核和生長(zhǎng)。同時(shí)，形成的聚吡咯通過氫鍵作用可以穩(wěn)定的存在于木槽內(nèi)部。通過成分分析和紅外表征可以發(fā)現(xiàn)化學(xué)處理后木質(zhì)素基本上被完全去除，且聚吡咯覆蓋在木質(zhì)結(jié)構(gòu)的表面。
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在未進(jìn)行化學(xué)處理前，天然木材呈現(xiàn)出光滑的木質(zhì)細(xì)胞孔結(jié)構(gòu)。而在去除木質(zhì)素后，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(shí)密度減小。作者指出納米纖維素的生成和細(xì)長(zhǎng)的通道有利于FeCl3粒子的吸附和沉積，是導(dǎo)電木材制備成功的關(guān)鍵。在天然木材浸潤(rùn)FeCl3溶液后，在其木質(zhì)孔的內(nèi)部并未發(fā)現(xiàn)明顯的FeCl3粒子。同時(shí)，由于FeCl3的配位作用，聚吡咯均勻的覆蓋在木槽通道的內(nèi)部，形成了連續(xù)的導(dǎo)電通路。
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通過對(duì)外部、中部和內(nèi)部的木材表面元素進(jìn)行EDX分析，可以發(fā)現(xiàn)聚吡咯中N元素含量分別達(dá)到27at.%，18at.%，14at.%，這主要?dú)w結(jié)于氣體的自由擴(kuò)散。并且，導(dǎo)電率測(cè)試結(jié)果則顯示三者分別達(dá)到39，26，18 S m-1。對(duì)其進(jìn)行電磁屏蔽測(cè)試，結(jié)果顯示7mm厚度通道的導(dǎo)電木材在8-12GHz下達(dá)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(jī)子與電磁波間的相互作用實(shí)現(xiàn)。這種細(xì)長(zhǎng)型的通道使得電磁波在其內(nèi)部與聚吡咯發(fā)生多重反射而被吸收和消耗很難透射出去。并且通過測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)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(dá)到63dB, 從而驗(yàn)證其吸收主導(dǎo)屏蔽機(jī)理。
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作者從五個(gè)方面對(duì)本材料以及常見的電磁屏蔽材料進(jìn)行了對(duì)比，表明導(dǎo)電木材呈現(xiàn)出優(yōu)異的復(fù)合性能，具備輕質(zhì)、可持續(xù)特性、高性能力學(xué)強(qiáng)度以及良好的導(dǎo)電率和電磁屏蔽性能。對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)性能表征，作者提出導(dǎo)電木材內(nèi)部存在的定向納米纖維的通道結(jié)構(gòu)使其力學(xué)強(qiáng)度得到明顯改善。與傳統(tǒng)的碳化木材相比，在壓縮后導(dǎo)電木材可以維持定型而碳化木材轉(zhuǎn)變?yōu)樗槠?/span>。從測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電木材的壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別達(dá)到15.46MPa和20.18MPa，為相應(yīng)碳化木材的3倍和28倍。同時(shí)，其拉伸狀態(tài)下的斷裂伸長(zhǎng)率比碳化木材增加了8倍，呈現(xiàn)出良好的韌性。
【總結(jié)】
作者以天然木材與基材，通過去除木質(zhì)素的化學(xué)手段得到含有定向納米纖維的多重通道結(jié)構(gòu)；再通過化學(xué)吸附和氣相沉積的方法制備了一種高性能的導(dǎo)電材料。與天然木材相比，導(dǎo)電木材具備輕質(zhì)、高導(dǎo)電率和高電磁屏蔽特性，同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。該材料滿足了工程建設(shè)領(lǐng)域所需要的承重功能和電磁屏蔽特性，為發(fā)展下一代的結(jié)構(gòu)電磁屏蔽材料提供了新的研究方向。
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