文献前沿丨Nano-Micro Lett.：具有超低反射电磁干扰屏蔽与耐高温红外隐身性能的分级聚酰亚胺材料

随着电子信息产业的快速发展，电磁泄漏和高温红外辐射成为严重问题。特别是在军事防护领域，它们很容易导致信息泄露和红外暴露。因此，设计和制造兼顾电磁干扰（EMI）屏蔽和红外隐身功能的材料具有重大的应用价值。聚合物基复合材料因其低密度、耐腐蚀性、低重量和良好的加工性能，逐渐成为EMI屏蔽与红外隐身领域的研究热点。然而，现有研究仍面临关键挑战：金属化聚合物非织造材料的高导电性易导致阻抗失配，使大部分入射电磁波反射回原介质，造成二次污染，同时，金属涂层的引入赋予了复合材料优异的导热性，较高的导热系数导致明显的红外辐射的形成；而多孔隔热材料虽能降低表面温度，但其低介电常数和低磁导率难以有效耗散电磁波；此外，仅使用一种材料很难实现EMI屏蔽和高温红外隐身的集成构建此外，单一材料难以同时实现低反射电磁屏蔽与耐高温红外隐身的协同设计。因此，论文针对上述问题，提出通过碱处理、磁性颗粒原位生长及“自活化”化学镀银工艺，构建分级聚酰亚胺（PI）非织造材料，旨在通过分层阻抗匹配结构优化电磁波吸收路径，结合三维蓬松结构的隔热性能与镀银层的低红外发射率特性，实现兼容低反射EMI屏蔽与高温稳定红外隐身性能的一体化材料设计。相关工作以Hierarchical Polyimide Nonwoven Fabric with Ultralow‑Reflectivity Electromagnetic Interference Shielding and High‑Temperature Resistant Infrared Stealth Performance为题发表在Nano-Micro Letters期刊。

本研究通过碱处理、磁性颗粒原位生长及自激活化学镀银工艺制备了分级PI非织造布（PFA/PA），实现了超低反射EMI屏蔽与耐高温红外隐身性能的兼容。结构表征（图1、图2）表明，碱处理后的PI纤维表面羧酸活性位点促进了Fe3O4磁性颗粒与Ag纳米颗粒的均匀负载，XRD和XPS验证了Ag与Fe₃O₄的结晶结构及化学状态。电磁性能测试（图3、图4）显示，通过PFA（Fe₃O₄/Ag负载层）与PA（纯Ag涂层）的阻抗匹配设计，4*PFA1/PA1.5在X波段展现出77 dB的高屏蔽效能（SE）和低于-10 dB的反射率，且通过层级结构调控实现了宽带（8.2 – 40 GHz）高效电磁波吸收（图6）。红外隐身性能分析（图5）表明，PA的低红外发射率（3–5 μm: 0.36；8–14 μm: 0.43）与PFA的蓬松三维隔热结构协同作用，使材料在250°C高温下仍能有效抑制热辐射。模拟沙漠环境测试（图5e）及人体热伪装实验（图5f）进一步验证了其环境适应性。最终，4*PFA1/PA1.5在60 GHz频段下展示了兼容的电磁屏蔽与红外隐身功能（图6e–h），证明其在军事伪装等领域的应用潜力。

示意图1. PFA/PA非织造材料制备过程

图2.PA、PFA、PFA/PA材料的多尺度表征：(a) PI、PA1.5、PFA0和PFA1的XRD图谱。(b) PFA0、PFA1和PFA2的磁滞回线。(c)PA1、PA1.5和PA2的电导率和密度。(d)PA1.5、PFA0、PFA1和PFA2的XPS光谱。(e) Fe 2p高分辨XPS谱（PFA₀）。(f) Ag 3d高分辨XPS谱（PFA₁）。(g) 4*PFA1、(h) PA1.5的光学照片。4*PFA₁/PA1.5的正、负极(i)表面色差和(j)柔韧性展示。

图3. PFA/PA材料的超低反射电磁干扰屏蔽性能分析：不同N值下N*PFA1/PA1.5的(a) SET, (b)电磁干扰屏蔽效能(EMI SE), (c)吸收系数A, (d)反射系数R, (e)功率系数, (f)反射率。4*PFAx/PA1.5(g) EMI SE, (h) A, (i) R的表征情况。

图4.阻抗匹配对电磁干扰屏蔽的效果：(a) 4*PFA1/PA1.5和PA1.5/4*PFA1的EMISE。(b) 4*PFA1/PA1.5和(c) PA1.5/4*PFA1在8.2–12.4 GH频率范围内的功率系数变化曲线。(d) EMI屏蔽系统实物展示图。在(e)无任何东西、4*PFA1/PA1.5和PA1.5/4*PFA1插入下EMI屏蔽系统的变化。

图5.复合非织造材料的高温红外伪装性能验证：(a) PAX的红外发射率曲线。(b) 4*PFA1/PA1.5在150、200和250°C热台上的红外图像。(c) 4*PFA1/PA1.5在150°C热台上的表面和辐射温度曲线。(d)模拟沙漠环境下的示意图。(e)不同温度热台下模拟沙漠环境中4*PFA1/PA1.5的红外图像。(f)手掌上4*PFA1/PA1.5的红外图像。

图6.复合非织造材料的兼容电磁干扰屏蔽/红外隐身性能验证：在8.2–40 GHz下4*PFA1/PA1.5的(a)EMI SE、(b)功率系数和(c)反射率变化曲线。(d) 4*PFA1/PA1.5的低反射率EMI屏蔽机制图。(e–h) 4*PFA1/PA1.5兼容电磁干扰屏蔽和红外隐身性能展示。

小结：综上所述，通过碱处理、磁性粒子原位生长和“自激活”化学镀银工艺，论文成功制备了一种用于超低反射率EMI屏蔽/耐高温红外隐身的分层聚酰亚胺基非织造材料。该复合材料具有超低反射率EMI屏蔽性能（SET=77 dB，R=0.09）。此外，PFA中蓬松的3D空间结构的隔热性和镀银PA的红外发射率带来了优异的红外隐身性能。更重要的是，Fe3O4、Ag和PI纤维之间的强粘附相互作用使其能够抵抗高温源（250°C）产生的热应力，增强了EMI屏蔽的热稳定性和耐高温红外隐身性能。如此出色的综合性能使军用帐篷有望保护内部设备免受相邻设备和/或敌人的电磁干扰，并抑制外部红外探测。

论文信息：X. Tang, Y. Lu, S. Li, M. Zhu, Z. Wang, Y. Li, Z. Hu, P. Zheng, Z. Wang and T. Liu. Hierarchical polyimide nonwoven fabric with ultralow-reflectivity electromagnetic interference shielding and high-temperature resistant infrared stealth performance. Nano-Micro Letters, 2025, 17(1): 1-19.

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