PI電磁屏蔽材料的屏蔽機理和影響因素

摘要：電磁信號之間的干擾和混亂已成為當今 5G 無線通信的時代的首要挑戰，研發有效屏蔽高低頻電磁干擾的高性能電磁屏蔽材料已成為當前的研究熱點。未來電磁屏蔽材料將朝著超薄、柔性化、輕質化、寬頻高效吸收、耐高溫、力學性能好等方向發展。聚酰亞胺（PI）因其具有質量輕、可柔化、機械性能好、熱學穩定性好等特點，常被用作高性能電磁屏蔽復合材料的基體材料。該文介紹了 PI 電磁屏蔽材料的屏蔽機理，重點總結了其屏蔽性能的影響因素及研究進展，并闡述了高性能 PI 電磁屏蔽材料未來的發展趨勢，為后續 PI 類電磁屏蔽材料的研究提供參考。

高性能聚酰亞胺新材料開發與應用/報告更新

5G 通信技術的快速發展和 Wi-Fi 便攜設備市場的快速增長使空間中的電磁波過度擁擠，這些電磁波會對不同的通信渠道造成干擾（圖 1）。此外，電子設備的高度集成電路所產生的電磁輻射不僅有可能導致附近設備的功能故障，還有可能干擾自身設備的正常運轉。因此，電磁輻射成為許多領域的重要挑戰，如電子、通信、軍事以及醫療設備等領域。此外，世界衛生組織（WHO）最近的報告指出，電磁輻射還有可能對人體的健康具有潛在的危害，可能導致癌癥、頭痛、抑郁、疲勞等，至今電磁輻射是否對人類健康產生影響仍然有很大的爭議。為了減小這種不必要的電磁輻射的影響，使用有效的屏蔽材料是不可避免的。特別是，目前現代化電子設備需要輕質化、柔性化、高效化、耐高溫和機械性能好的高性能電磁干擾（EMI）屏蔽材料，期望屏蔽材料盡可能減少占據電子設備有限的空間，且不限制其常規的靈活功能。

圖 1 2020~2030 年中國 5G 用戶規模預測（a）；2020~2030 年中國 5G 直接經濟產出和間接經濟產出預測（b）

金屬材料多具有較高導電性和良好的磁導率，無論在電磁場還是在靜電場中都具有良好的 EMI屏蔽效能。傳統的 EMI 屏蔽材料主要采用金屬和磁性材料，如銅、鋁、鎳、鋼、鐵、鐵鎳合金等。盡管金屬具有良好的 EMI 屏蔽效能，但其由于密度大、易腐蝕、低靈活性等缺點并不適合應用于現代化設備。為了擺脫金屬 EMI 屏蔽材料的局限性，大量的研究工作已經開始研發具有靈活性、易加工性、可擴展性、耐化學性和輕質等特性的高性能 EMI 屏蔽材料。相較于傳統的金屬類 EMI 屏蔽材料，以聚酰亞胺（PI）為代表的高性能 PI EMI 屏蔽復合材料不僅具有優異的 EMI 屏蔽性能，還具有柔性、輕質、耐腐蝕、易加工、低成本、力學性能優異等特點，具有廣闊的應用前景。

為了確保設備的順利運行，避免不必要的信號干擾，輕質和高效的 EMI 屏蔽將是下一代電子和通信設備的關鍵要求。鑒于 EMI 屏蔽在現代電子時代的核心重要性，本文對 PI 材料在 EMI 屏蔽領域的研究進行了全面的回顧，以反映這一領域的現狀。首先討論了電磁屏蔽的關鍵概念及其屏蔽機理。隨后總結了 PI EMI 屏蔽材料的制備方法、分類及其研究進展。最后提出了 PI EMI 屏蔽材料未來的研究方向，以克服現有的技術瓶頸，研發先進的高性能 PI EMI 屏蔽材料。

1 電磁屏蔽機理

EMI 是指由于電磁波的傳輸而導致的對電子設備性能造成的干擾或中斷。EMI 有兩種主要的干擾類型：輻射干擾和傳導干擾。在輻射干擾中，輻射源是由設備產生，并通過空氣傳播遠離設備傳到另一個導電網絡。而傳導性干擾的輻射源是來自內部設備，通過電源或信號導體傳播。由于整個配電網絡是通過電源線連接，所以傳導干擾會嚴重影響設備的運轉。此外，EMI 也可以來自自然界，如電子風暴、太陽和星際輻射，也可能來自人造源，如商業無線電、雷達和電話。一般來說，EMI 發生在 1×104~1×1012Hz 的電磁頻率范圍內，通?？梢酝ㄟ^在輻射源和設備之間放置屏蔽材料來防止EMI。EMI 屏蔽材料的屏蔽效能（SE）為入射功率與傳輸功率的比率。如表 1 所示，根據 SE 大小可以對 EMI 屏蔽材料進行以下分類，EMI 屏蔽材料的 SE 計算如式（1）所示：

表1 屏蔽衰減層級

式中：SE 為 EMI 屏蔽材料的屏蔽效能，dB；P0為入射到屏蔽層上的功率，W；E0為電場強度，V/m；H0為磁場強度 A/m；Pt、Et和 Ht為通過屏蔽層材料傳輸的對應量。

如圖 2 所示，電磁波的衰減通過 3 種機制發生：反射、吸收和多重反射。第一種屏蔽機制是指對于像銅這樣的高導電材料主要通過反射電磁波以達到電磁波的衰減。對于反射屏蔽，材料必須有自由電荷載體（電子或空穴），可以與進入的電磁波相互作用。第二種屏蔽機制主要是指通過電磁波與固體中的電/磁偶極、電子和聲子的相互作用吸收電磁波達到電磁波的衰減。因此，吸收屏蔽可以通過增強屏蔽材料的電偶極子或磁偶極子的相互作用。然而在傳導屏蔽中，吸收也可能發生于電阻損失，包括通過焦耳效應將電磁能量轉化為熱量。第三種屏蔽機制是指屏蔽材料對傳入電磁波進行的多重反射。

圖 2 電磁干擾屏蔽機理示意圖

基于不同的屏蔽要求，可以采用不同的方法測量屏蔽材料的 SE，如開放場地/自由空間法、屏蔽箱法、屏蔽室法和波導法。然而在實驗中，大多采用矢量網絡分析儀（VNA）來測量屏蔽材料的SE（圖 3）。這是由于標量網絡分析儀（SNA）只能測量信號的振幅，而 VNA 除了可以測量屏蔽材料的散射（S）參數外，還可以提供屏蔽材料的介電常數、磁導率和 SE。在 EMI 屏蔽理論中，當電磁波入射到屏蔽材料上時，入射功率被分配轉化為反射、吸收和透射功率，相應的吸收率（A）、反射率（R）和透射率（T）的功率系數滿足 A+R+T=1。EMI SE（SET，dB）、反射效能（SER，dB）和吸收效能（SEA，dB）可按照式（2）~（4）進行計算。

式中：S11為電磁波的輸入反射系數；S12為電磁波的反向傳輸系數；SEM為電磁波在 EMI 屏蔽材料內部的多重反射效能，dB；當SET>10 dB 時，可以忽略。 圖 3 矢量網絡分析儀

2 PI EMI 屏蔽材料屏蔽性能的影響因素

通常，PI EMI 屏蔽材料的屏蔽效能受到多個因素共同作用。一是 PI EMI 屏蔽材料的結構類型：基于不同的應用需求，不同結構類型屏蔽材料的設計可實現高低頻電磁波的高效吸收；二是電磁損耗功能材料的種類及負載量：基于不同的電磁損耗功能材料會使最終的 PI EMI 屏蔽材料展現出不同的優勢，此外電磁損耗功能材料的負載量會直接影響 PI EMI 屏蔽材料的導電性能，從而影響 PI EMI 屏蔽材料的 SE；三是電磁功能損耗材料涂層厚度：基于電磁屏蔽理論，電磁損耗功能材料涂層厚度直接影響電磁波的吸收損耗和透射損耗，進而影響 PI EMI 屏蔽材料的整體屏蔽性能；四是 PI EMI 屏蔽材料的制備方法：不同的制備工藝則會影響電磁損耗功能材料在屏蔽體內的分布形態，從而影響電磁損耗功能材料的屏蔽性能。

2.1 PI EMI 屏蔽材料的結構類型

PI EMI 屏蔽材料主要有填充型和復合型兩種，如圖 4 所示。復合型是以起承載作用的 PI 基體層和電磁損耗功能層復合得到，可根據實際需求在 PI 基體層的基礎上對電磁吸波層和反射層進行多層組合，以實現導電網絡的構建以及對電磁波的梯度反射和吸收，達到優異的 EMI 屏蔽性能。如 KIM等首先利用倒裝工藝在 PI 膜表面嵌入銀納米線（AgNWs）涂層，隨后采用化學鍍法將銅（Cu）鍍覆在 AgNWs/PI 膜表面，制得了一種三層結構的 Cu/AgNWs/PI 膜，該復合膜在兩層電磁損耗功能材料的協同作用下實現了對電磁波的梯度反射和吸收，進而賦予了該復合膜優異的 EMI 屏蔽性能。而填充型的 PI EMI 屏蔽材料則是以 PI 樹脂與電磁損耗功能材料混合一次成形得到，填充型的 PI EMI屏蔽材料兼具承載和屏蔽電磁波的雙重功能。其中，填充型 PI EMI 屏蔽材料主要通過不同種類電磁損耗功能材料的混合添加實現導電網絡的構建以及對電磁波的梯度吸收。例如：劉沛江將具有介電損耗能力的石墨烯和磁損耗能力的鐵氧體加入到 PI 樹脂中通過熱壓成型法制備了一種三元復合材料。借助于石墨烯/鐵氧體的高效吸波能力與 PI 樹脂的高透波性、高強度，使得該復合材料表現出優異的吸波性能、力學性能和熱學性能。此外，填充型的 PI 基 EMI 屏蔽材料多以電磁屏蔽用 PI 復合泡沫和 PI 復合氣凝膠的形態呈現，這是因為，泡孔的引入即可降低 PI 基 EMI 屏蔽材料的密度，滿足當下電磁屏蔽材料輕量化的發展趨勢，同時也可實現電磁波在 PI 基 EMI 屏蔽材料內部的多次反射與吸收。

圖 4PI 電磁屏蔽材料結構示意圖

相交于復合型 PI EMI 屏蔽材料，填充型 PI EMI 屏蔽材料的制備較為簡單，適合工業化生產，然而電磁損耗功能材料在高黏度的 PI 基體中不易分散均勻，且在基體中不易形成貫通的導電網絡，進而會直接影響屏蔽材料的 SE。

2.2 電磁損耗功能材料的種類與用量

目前，電磁損耗功能材料主要有金屬系材料、碳系材料、導電高分子系材料和復合系材料，如表2 所示。其中銅、鋁等大多數的良導體金屬材料，主要以反射電磁波為主，而高導磁率的合金和鐵氧體主要是對電磁波的吸收而不是反射。此外，屏蔽材料的導電性是 EMI SE 的關鍵參數之一，然而導電性能的好壞取決于電磁損耗功能材料的選擇及其負載量。因此電磁損耗功能材料以及負載量的不同，屏蔽材料的 SE 也會不同。當電磁損耗功能材料含量較低時，無法在 PI 電磁屏蔽材料中形成良好導電通路，進而影響其 SE。

表2 電磁損耗功能材料分類

一般來將，在一定的范圍內隨著電磁損耗功能材料含量的增加，PI 電磁屏蔽材料的 SE 有所增加，如吳同華等探討了碳納米管（CNTs）含量對 PI 復合膜屏蔽性能的影響，結果發現，通過調節CNTs 的含量與分布，可以明顯改善 PI 復合膜的 SE。當 CNTs 的含量在一定范圍時，隨著 CNTs 含量的增加，CNTs 在 PI 基體中的導電網絡逐漸相互貫通，使 PI 復合膜表現出不同的 SE。但當 CNTs 含量（以 PI 基體的質量為基準，下同）增加到 5%時，其 SE 不再增加。這可能是因為 CNTs 的含量在5%時，CNTs 在基體中形成的導電結點已經飽和，過多的 CNTs 的反而影響 PI 復合膜微孔的形成，進而影響到屏蔽材料的 SE。因此，只有電磁損耗功能材料含量達到一定的程度時，才能在屏蔽材料中形成相互貫通的導電網絡，屏蔽材料才會顯示出優秀的導電性能，進而實現屏蔽材料對電磁波的高效吸收。

2.3 電磁損耗功能涂層的厚度

由電磁屏蔽機理可知，穿透到屏蔽材料中的電磁波的強度會隨著導體的深度而減小。目前，諸多研究顯示，不同的電磁損耗功能涂層厚度使屏蔽材料體現出不同的 SE，如 DING 等以通過控制化學沉積時間，制備了不同厚度的 PI 功能織物，并探討了鎳-鎢-磷（Ni-W-P）合金涂層厚度對 PI 功能織物屏蔽性能的影響，結果表明，不同厚度的 Ni-W-P 合金涂層使得 PI 功能織物體現出不同的 SE。當沉積時間為 2 h，厚度為 0.487 ?mm 時，該 PI 功能織物在 X 波段的 SE 可達到 65 dB 以上。一般認為，電磁損耗功能涂層的厚度越大，更有利于形成良好的導電網絡，屏蔽材料的屏蔽效果越好。但在某些情況下，電磁損耗功能涂層的厚度過大，反而會使得屏蔽材料變得厚重、靈活性變差，進而影響屏蔽材料的應用，所以屏蔽材料中的電磁損耗功能涂層存在一個最佳厚度。

2.4 PI 電磁屏蔽材料的制備方法

目前，PI 電磁屏蔽材料的制備有溶液共混法、原位聚合法、浸涂法、粘貼法、化學沉積法、靜電紡絲法等多種制備方法，如表 3 所示。不同的制備方法使電磁損耗功能材料在屏蔽材料體內分散狀態會有不同，同時也會影響到屏蔽材料的內部結構，進而影響到屏蔽材料的屏蔽性能以及力學性能。此外，不同的制備方法也會使 PI EMI 屏蔽材料呈現不同的結構形態。如 MIAO 等采用溶液共混法制備了一系列具有多孔結構的 PI/多壁碳納米管（MWCNTs）復合氣凝膠。PI/MWCNTs 復合氣凝膠的多孔結構既利于電磁波在材料內部的多次反射與吸收，同時也降低了該 PI/MWCNTs 復合氣凝膠的密度，滿足當下電磁屏蔽材料的輕量化發展趨勢。該方法制備工藝簡單，操作簡便，但此方法需要使用大量的溶劑。CHENG 等以 PI 氣凝膠為基材，通過單向浸涂和熱壓工藝構建了一種具有連續導電通路的分級多孔 PI/二維過渡金屬碳化物（MXene）復合薄膜。同樣泡孔的引入即可降低該復合薄膜的密度，同時可加強對電磁波的多次反射，另外該薄膜在 90 μm 的厚度下其 SE 可高達 52 dB。該浸涂法因其操作簡單、可控、成本低廉、可工業化生產被認為是一種簡單高效制備屏蔽材料的制備方法，但是電磁損耗功能材料在高性能 PI 基底材料上分布的均勻性較差，導致 PI EMI 屏蔽材料存在局部的屏蔽性能差異。ZHANG 等以 PI 纖維紙為基材，通過原位聚合法制備了一種具有柔性、輕質的鎳-鐵-磷（Ni-Fe-P）/聚吡咯（PPy）/PI 纖維紙基復合材料。該方法制備工藝簡單，可大批量工業化生產，此外導電材料可均勻分布 PI 基體材料中。然而原位聚合法大多使用的是導電聚合物，因此該方法具有一定的局限性。SANG 等通過簡單、快速的“切割和粘貼”方法將聚四氟乙烯（PTFE）和 PI 膠帶粘貼到 MXene 薄膜表面上，構建了一種柔性、疏水、機械強度大的 PTFE/MXene/PI 電磁屏蔽復合材料。該方法雖然較為簡單易于操作，但 PI 層與導電薄膜層的結合強度較差。

表3不同種類聚酰亞胺電磁屏蔽材料制備方法及特點

現如今，隨著 5G 通信技術的發展，傳統的制備方法已不能滿足輕質、柔性、耐高溫、低負載量、多孔多層 PI EMI 屏蔽材料的發展趨勢，需要更多的簡潔高效的方法來滿足當下的需求。因此。需要在現有的 PI EMI 屏蔽材料制備技術技術上不斷對其進行優化，同時尋找更加更具優勢的 PI EMI屏蔽材料的制備方法。

3 PI EMI 屏蔽材料的研究進展

PI 材料因其具有質量輕、可柔化、機械性能好、熱學穩定性好等特點，被用作很多高性能電磁屏蔽復合材料的基體材料。目前，PI EMI 屏蔽材料主要有兩種類型，一種是以 PI 樹脂制備的 PI 基EMI 屏蔽材料；另一種是以 PI 纖維制備的 PI 纖維基 EMI 屏蔽材料。借助于 PI 材料的優良特性，使得高性能 PI EMI 屏蔽材料表現出非常好的熱學穩定性、機械穩定性以及環境適應性，有望在航空航天、機械化工、電磁屏蔽、原子能工業和國防軍工等重要領域獲得廣泛的應用。

3.1 PI 基電磁屏蔽材料 3.1.1 MXene 系 PI 基電磁屏蔽材料

MXene 材料是一類二維層狀結構的金屬碳/氮化物，具有過渡金屬/碳化物的金屬導電性，在電磁屏蔽、超級電容器、電池等領域中得到越來越廣泛的應用，MXene 材料已經成為最熱門的導電材料之一。

目前，一些研究人員將 MXene 材料作為導電填料制備了一系列 MXene/PI 基電磁屏蔽材料。SANG 等首先將導電 MXene 沉積在聚偏氟二乙烯（PVDF）薄膜表面，然后集成在自帶黏結性能的PI 膠帶上構建了一種多功能 PVDF/MXene/PI 復合材料?；趯щ姷?MXene 網絡，PVDF/MXene/PI復合材料表現出優異的 EMI SE。ZENG 等通過浸涂和化學交聯方法制備了一種輕質、超柔韌和堅固的 C-MXene@PI 復合泡沫（圖 5）。如圖 6 所示，C-MXene@PI 復合泡沫在 X 波段 EMI SE 為22.5~62.5 dB。此外，該復合泡沫還具有一定的疏水性、抗氧化性和極端溫度穩定性，可在惡劣極端環境下使用。

圖 5 MXene 薄片（a）和 C-MXene@PI 復合泡沫的制備過程示意圖（b）

圖 6 PI、MXene@PI、C-MXene@PI 復合泡沫在 X 波段的電磁屏蔽效能

MXene 系 PI 基 EMI 屏蔽材料在 X 波段的 SE 效能存在較大的波動性，因此為了不斷提升 MXene系 PI 基 EMI 屏蔽材料 SE 的穩定性以及屏蔽材料的綜合性能，仍需大量的研究學者投入到高性能MXene 系 PI 基 EMI 屏蔽材料的研發之中。

3.1.2 金屬系 PI 基電磁屏蔽材料

盡管金屬材料具有良好的電磁屏蔽效能，但其由于易腐蝕、密度大以及低靈活性等缺陷阻礙了其在某些領域的應用。然而電導率是影響電磁屏蔽材料 SE 的重要因素之一，因此在制備電磁屏蔽材料時又必不可免的需要使用具有良好的導電性的金屬材料。

AgNWs 由于納米級別的尺寸效應，具有優良的導電性以及優異的透光性和耐曲撓性，被廣泛用于導電、導熱材料等領域。MA 等[60]以 AgNWs 為導電填料，通過一鍋液體發泡工藝制備了一種具有微孔結構、低密度的 AgNWs/PI 復合泡沫。當復合泡沫中 AgNWs 的含量為 PI 基體質量的 4.6％時，其 SE 在 8~12 GHz 頻率范圍內可達 3.5~4.0 dB（圖 7）。張林等以 PI 板為基底，通過化學鍍銅技術在其表面沉積了一層致密均勻且具有良好導電性的銅層，制備了一種鍍銅 PI 基板。該鍍銅 PI 基板具有優異的導電性，且其方阻隨鍍層厚度的增加而減小。進一步測試其電磁性能可知，該材料在 100kHz~12 GHz 頻率范圍內，鍍銅 PI 基板的最高 SE 可達 55 dB。PI 基板表面的金屬銅鍍層在室內環境下性能較為穩定。然而，在高濕度環境下容易與空氣中的 CO2或氯化物作用，生成堿式碳酸銅或氯化銅。由于金屬銅鍍層的厚度很薄，時間久了依然會被腐蝕。因此，金屬系 PI 基 EMI 屏蔽材料不適合在高濕環境下使用。

圖 7 不同密度、納米填充量的 AgNWs/PI 復合泡沫數碼照片（a）；PIF-0、PIF-P、PIF-W 和 PIF-WS 復合泡沫材料在 8~12 GHz 頻率范圍內 的 EMI SE 測試（b）

基于納米金屬粒子制備的 PI 基 EMI 屏蔽材料表現出令人滿意的 SE、力學性能以及靈活性。因此，現如今很多學者將納米金屬粒子作為導電填料制備金屬系 PI 基電磁屏蔽材料。然而納米金屬粒子在屏蔽材料表面容易發生氧化，不能形成持續良好的導電網絡，進而影響屏蔽體的 SE。

3.1.3 碳系 PI 基電磁屏蔽材料

相較于納米金屬系 PI 基 EMI 屏蔽材料，傳統的碳系（石墨、炭黑、乙炔黑等）PI 基電磁屏蔽材料的電磁屏蔽性能較差。然而近年來，隨著新型碳系〔碳納米纖維（CNFs）、碳納米管（CNTs）和石墨烯（Gr）〕材料的研究與開發，碳系 PI 基 EMI 屏蔽材料又展現出新的應用潛力。

CNTs 具有高模量、高強度和高導電性以及良好的柔韌性，以 CNTs 為填料制備的復合材料表現出良好的強度、導電性、各向同性及抗疲勞特性，可給復合材料的電磁屏蔽性能帶來極大改善。WANG 等首先借助氧化石墨烯（GO）表面的官能團以及 GO 與 CNTs 之間的 π-π 共軛，解決了CNTs 的分散性。然后以 CNTs 為導電填料設計制備了一種具有低密度、高耐熱性、優異的 SE 和良好可壓縮性的輕質 PI 泡沫，其平均 SE 為 28.2 dB。YANG 等以 CNTs/GO 為導電填料，采用溶劑蒸發相分離法制備了一種微孔 CNTs/GO/PI 泡沫，制備過程如圖 8 所示。借助于 PI 材料優異的耐溫性能，CNTs/GO/PI 泡沫具有出色的耐溫性能，此外其楊氏模量可達到 789 MPa，可適用于高溫環境下的電磁屏蔽需求。

圖 8 CNTs/GO/PI 泡沫制備示意圖（a）；純 PI、CGP 泡沫和 CP21 的 EMI SE（b）

碳系納米材料與 PI 基體材料在電學性能方面匹配性較好，但其在 PI 基體中的分散性差，不能形成穩定貫通的到導電網絡，使得碳系 PI 基 EMI 屏蔽材料的整體性能仍然較差，不能滿足當下對高性能 EMI 屏蔽材料的需求。

3.2 PI 纖維基電磁屏蔽材料

PI 纖維繼承了 PI 的優異特性，具有優良的機械性能、耐高低溫性能、介電性能、阻燃性能、化學穩定性、尺寸穩定性和較低的吸水性等，特別是其它材料所無法比擬的耐化學腐蝕性、耐紫外性能和特有的耐輻照性能。此外，基于不同的制備工藝，PI 纖維基電磁屏蔽材料可分 PI 納米纖維 EMI屏蔽材料（靜電紡）、PI 紙基 EMI 屏蔽材料（濕法造紙）和 PI EMI 屏蔽織物（織造）。

3.2.1 PI 納米纖維電磁屏蔽材料

靜電紡絲技術制備的納米纖維材料具有孔徑小、孔隙率高、纖維均一性好、力學性能好等優點，因此靜電紡納米纖維在制備輕質、柔性和高性能 PI EMI 屏蔽材料方面具有巨大的應用潛力。

ZHANG 等以 AgNWs 和 MXene 為導電材料，采用靜電紡絲和熱壓技術制備了具有高熱穩定性和高韌性的“三明治結構”的AgNWs/MXene/AgNWs（APxMyAPx）納米復合膜，如圖 9 所示。該復合膜除了具有優異的力學性能和電磁屏蔽性能(38 dB )以外，還具有優異耐酸性能及機械穩定性。該納米復合膜經過強酸處理（pH 2.0 和 1.0）以及機械彎曲測試（1000 次）后其電磁屏蔽性能仍能保持在80％以上，因此該復合膜可在惡劣環境下長期使用。

圖 9 APxMyAPx 納米復合膜的制備示意圖（a）；不同 MXene 加載下 APxMyAPx 的 EMI SE（b）

董馨茜等首先采用共沉淀法制備出了一種 F3O4磁性納米粒子，隨后采用原位聚合法，將制備出的 Fe3O4磁性納米粒子加入到聚酰胺酸溶液中，最后經靜電紡絲及熱亞胺化后制備出了一種 F3O4/PI復合纖維膜。當 F3O4的添加量為 PI 基體質量的 7%時，該復合纖維膜在 X 波段的 SE 為 35 dB，可達到一般工業或商業電子設備用電磁屏蔽的要求。

PI 納米纖維 EMI 屏蔽材料在制備過程中，電紡體系內只能添加 PI 基體質量的 10%左右的電磁損耗功能材料，紡絲效率低，且紡絲過程用到的強腐蝕性或高劇毒性溶劑成本高、不易回收，易造成環境污染。以上缺點均限制了 PI 納米纖維 EMI 屏蔽材料的進一步工業化生產。因此，目前 PI 納米纖維EMI 屏蔽材料僅限于實驗室范圍內的研究。

3.2.2 PI 電磁屏蔽織物

基于織物的透氣性、延展性和靈活性等特點，以 PI 纖維制備輕質、柔性的 PI EMI 屏蔽織物受到了越來越多人的廣泛關注。通過在 PI 纖維表面鍍覆金屬導電層制備 PI EMI 屏蔽織物是制備織物電磁屏蔽材料用得最多且效果最好的方法。常用的鍍覆金屬導電層制備技術有化學鍍、電鍍等?；瘜W鍍和電鍍是通過氧化還原法將金屬離子（Ni2+、Al3+、Ag+、Cu2+等）鍍覆在 PI 纖維織物表面，獲得 PIEMI 屏蔽織物。

鍍覆金屬 PI EMI 屏蔽織物的主要電磁屏蔽機理是通過金屬鍍層表面反射電磁波以達到電磁屏蔽的目的，其中鎳鍍覆 PI EMI 屏蔽織物除了表面反射外，還存在吸收損耗。WANG 等通過原位聚合和化學鍍制備了一種具有低反射、強吸收特性的鎳-鈷-鐵-磷（Ni-Co-Fe-P）/PANI/PI 復合織物（圖10）。隨著化學鍍時間的延長，其電磁屏蔽性能不斷提升。Ni-Co-Fe-P/PANI/PI 復合織物的厚度僅為0.2 mm 時，其在 X 波段的 SE 為 40.5~69.4 dB，優于傳統金屬織物或導電聚合物涂層織物。DING等同樣通過鎳-鎢-磷（Ni-W-P）化學鍍的方法制備了一種具有良好導電性和電磁屏蔽效果的功能 PI織物。該功能 PI 織物在 1000 次的彎曲測試后仍可保持良好的導電性。此外，該功能 PI 織物還具有良好的抗氧化性能、優異的防腐性能，其在不同 pH 的溶液中浸泡 12 h 后，其表面電阻略有增加。

圖 10 Ni-Co-Fe-P/PANI/PI 復合織物的電磁屏蔽機理（a）；樣品在 12.1?GHz 時的 SET、SEA 和 SER（b）；Ni-Co-Fe-P/PANI/PI 復合織物的數碼照片（c）

PI EMI 屏蔽織物多用做室內屏蔽墻布或作為電磁屏蔽防護面料使用，但電磁損耗功能材料涂層與皮膚直接接觸可能引起過敏或不適，因而不適宜直接作為防護內衣面料使用，可與另一種材料復合制為親服型屏蔽織物使用。

3.2.3 PI 紙基電磁屏蔽材料

紙基材料因其制備工藝成熟、易于操作、可工業化生產等特點受到了越來越多研究學者的關注。因此，基于紙基材料獨有的網絡結構，在濕法造紙的基礎上構造結構和功能一體化復合材料-紙基EMI 屏蔽復合材料已成為當下研究的熱點。

PI 紙基 EMI 屏蔽材料的制備如同 PI EMI 屏蔽紡織物的制備，大多都是通過在 PI 纖維表面涂覆一層電磁損耗功能涂層，進而構建一層導電網絡，以達到電磁屏蔽的效果。ZHANG 等以 PI 纖維紙為基材，首先通過氣相聚合在 PI 纖維紙上成功地生長了一層導電 PPy 涂層。然后，采用一種新型、簡單、經濟的無鈀活化化學鍍工藝在復合材料表面生長了一層 Ni-Fe-P 合金制備了一種超薄、輕質的 Ni-Fe-P/PPy/PI 紙基 EMI 屏蔽材料。結果表明，Ni-Fe-P/PPy/PI 紙基 EMI 屏蔽材料在厚度只有0.19 mm 的情況下，其 SE 可達 85 dB 以上。此外，Ni-Fe-P/PPy/PI 紙基 EMI 屏蔽材料在反復彎曲測試 200 次后仍能保持較高的導電率，然而該紙基 EMI 屏蔽材料在 60 S 明火處理后雖能保持原有形態，但其 SE 能會有所下降，因此為了提升 PI 紙基 EMI 屏蔽材料在高溫條件下的 SE 保持率，張如強等進一步以 PI 纖維和碳纖維為原料制備了一種三維網絡結構、耐高溫的紙基導電骨架，通過氣相沉積和化學沉積工藝在紙基骨架上進行聚合物和鎳基金屬涂層的層層組裝, 制備了具有一種“夾芯結構”的高性能 Ni/PPy@PI 紙基 EMI 屏蔽材料（圖 11）。結果表明，其在高溫處理后其 SE 仍保持在80％以上?；?PI 紙基 EMI 屏蔽材料輕質、柔性、耐高溫、易加工等特點，其在航空航天、國防軍工以及特種設備等領域具有較大的應用潛力。然而紙張材料固有的力學性相對較差，限制了其在某些領域的應用。

圖 11 Ni/PPy@PI 紙基復合材料的制備方案（a）；測試樣品在 X 波段的電磁屏蔽性能（b）

綜上可知，相較于其他 PI 電磁屏蔽材料，PI 纖維紙典型的粗糙而多孔結構賦予了 PI 基體材料較大的界面面積和吸附性能，易與電磁損耗功能材料的沉積或涂布。此外，借助于 PI 纖維的優異特性，PI 紙基 EMI 屏蔽材料滿足柔性、輕質、耐高溫、形狀可控的發展要求，能夠取代傳統的金屬板以及樹脂基和陶瓷基等電磁屏蔽材料，是當下很有發展前景和應用潛力的新型電磁屏蔽材料。

4 結束語與展望

隨著 5G 通信技術的不斷發展，未來電磁屏蔽市場對于高性能電磁屏蔽材料的需求也在不斷增加，因此電磁屏蔽材料行業將迎來巨大的發展機遇。結合當前國家相關政策以及發展規劃，從電磁屏蔽材料的發展現狀和趨勢來看，未來 PI EMI 材料將朝著超薄、輕質化、柔性化、寬頻高效吸收、耐高溫、力學性能好等方向發展。

PI EMI 屏蔽材料的 SE 主要取決于屏蔽材料的結構、電磁損耗功能材料的選擇以及在 PI 基體材料內的分散等。多層電磁損耗功能涂層結構材料是增加電磁波反射損耗的有效方式，作用與不同頻段的電磁損耗功能材料的堆疊可實現較寬頻率范圍內電磁波的有效屏蔽。因此，后期 PI EMI 屏蔽材料的研究可通過優化復合型多層材料的結構設計，實現電磁波的梯度反射與吸收，提高電磁波的吸收損耗和多次反射損耗。此外，電磁損耗功能材料的分散對于屏蔽材料形成穩定貫通的導電網絡至關重要，因此在后期的研究中，可通過改性電磁損耗功能材料以優化其在基體中的分散均勻性，提高 PIEMI 屏蔽材料的吸收損耗、反射損耗以及電磁損耗功能材料間的增強協同效應，實現其較高的電磁屏蔽性能。

總而言之，隨著 PI 材料在電磁屏蔽材料領域的深入研究，PI EMI 屏蔽材料的整體性能會不斷得到提升，以滿足當下對高性能電磁屏蔽材料應用需求，同時打破現有西方技術對高性能電磁屏蔽材料的壟斷，拓寬高性能 PI 材料的應用領域，實現 PI 材料利用最大化。因此，有必要投入更多的精力來克服現有的技術瓶頸，設計和開發性能更加優異的高性能 PI EMI 屏蔽材料。

來源：精細化工

作者：張如強 1,2，龍柱 1,2，張丹 1,2

1.江南大學 生態紡織教育部重點實驗室

2.江南大學 紡織科學與工程學院造紙技術研究室

審核編輯：湯梓紅