科学网—Advanced Nanocomposites:用于EMI屏蔽和焦耳加热的具有受限碳纳米管网络的柔性聚酰亚胺基导电复合膜
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2026-5-8 11:24
| 系统分类: 科研笔记
随着可穿戴电子、无线通信、航空航天装备及国防电子系统的快速发展，电磁干扰问题日益突出。高频电磁波不仅会影响电子设备的稳定运行和信号精度，也对信息安全和复杂环境下的装备可靠性提出了更高要求。传统金属屏蔽材料虽然具有较高电导率和优异屏蔽能力，但其密度大、柔性差、易腐蚀，难以满足柔性化、轻量化和极端环境服役需求。相比之下，聚合物基导电复合材料因质量轻、可加工性好和结构可设计性强，成为新一代电磁屏蔽材料的重要发展方向。然而，如何在高屏蔽效能、机械柔性、环境稳定性和多功能集成之间取得平衡，仍是该领域面临的关键挑战。针对这一问题，郑州大学刘虎教授和展鹏飞博士联合提出了一种基于聚酰亚胺（PI）和碳纳米管（CNT）受限导电网络的柔性复合薄膜，为高性能电磁屏蔽和热管理材料设计提供了新的思路。
图1. 聚酰亚胺/碳纳米管导电复合膜的制备工艺。
本文要点 构筑PI/CNT受限导电网络复合薄膜：该研究以耐高低温、耐化学腐蚀和力学性能优异的聚酰亚胺为基体，以高长径比、高导电性的碳纳米管为功能填料，通过溶液浇铸与热亚胺化工艺制备柔性PI/CNT导电复合薄膜。制备过程中，研究团队首先在玻璃基底上构建海藻酸钠牺牲支撑层，再将聚酰胺酸与CNT在NMP中均匀混合并浇铸成膜，随后经程序升温热亚胺化形成PI/CNT复合结构，最后通过水溶解除去支撑层，获得可自支撑的柔性薄膜。SEM结果显示，纯PI薄膜表面致密平整，而引入CNT后，碳纳米管在PI基体中形成均匀互联的导电网络；随着CNT含量升高，网络结构进一步致密化，为电子传输、电磁波耗散和焦耳热转换提供了连续通路。同时，薄膜可被裁剪、弯曲和扭转，显示出良好的柔性与加工适配性。
高电导率、高电磁屏蔽效能与环境稳定性：在性能方面，热亚胺化显著提升了PI/CNT复合薄膜的电导率。随着CNT含量增加，导电网络逐步由孤立分布转变为连续贯通结构，其中PI/CNT-6:4薄膜电导率达到1.96 × 10³ S m⁻¹。电磁屏蔽测试表明，PI/CNT薄膜在X波段（8.2–12.4 GHz）表现出优异屏蔽性能：PI/CNT-7:3和PI/CNT-6:4的平均屏蔽效能分别达到35.18 dB和39.71 dB，后者对应约99.99%的电磁波衰减。机理分析表明，CNT网络不仅提高了界面反射能力，也通过多重散射和欧姆损耗增强了电磁能量耗散；在不同厚度样品中，屏蔽效能随厚度增加而提升，主要归因于吸收损耗增强。更重要的是，PI/CNT-7:3薄膜在液氮环境（−196 °C）、150 °C高温、0.5 M NaCl和0.5 M HCl腐蚀溶液处理后，以及500次弯折循环后，仍能保持稳定屏蔽性能，最大屏蔽效率损失仅为1.53%，体现出优异的热、化学和机械服役稳定性。
低电压焦耳热与电热除冰应用：除了电磁屏蔽功能，该PI/CNT复合薄膜还表现出优异的焦耳热性能。以PI/CNT-7:3薄膜为例，在1–6 V低电压驱动下，其表面温度可在数秒内快速升高，并随电压增加实现可调控升温；在6 V条件下，薄膜温度可达到142 °C。稳态温度与电压平方呈良好线性关系，说明其加热行为符合焦耳定律，具备较好的可预测性和温控稳定性。循环加热测试和长时间通电测试进一步证明，该薄膜在多次加热–冷却循环及2400 s连续工作过程中仍能保持稳定热响应。研究团队还展示了其电热除冰能力：在4 V低电压下，覆盖于薄膜表面的冰层可在数分钟内逐步融化并完全去除。总体来看，该研究不仅实现了柔性PI/CNT复合薄膜在电磁屏蔽、环境耐受和焦耳热功能上的集成，也展示了其在可穿戴电子、航空航天除冰、国防防护、柔性热管理和智能电子封装等场景中的应用潜力。未来，若进一步优化CNT分散和多级结构设计，该类材料有望发展为面向极端环境服役的新一代多功能柔性防护平台。
原文信息：
Wenke Yang, Jiahan Dong, Hongsen Long, Pengfei Zhan, Hu Liu, Chuntai Liu, Changyu Shen
Flexible polyimide-based conductive composite film with confined carbon nanotubes networks for EMI shielding and joule heating
Advanced Nanocomposites, 2025, 2: 322-330.
https://doi.org/10.1016/j.adna.2025.10.004
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