我国科研人员用秸秆、瓦楞纸制备高效电磁屏蔽材料

  • 日期:01-09
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据中国科学院12月3日消息,随着现代电子工业的快速发展,各种高集成度、大功率无线通信系统和电子设备的数量急剧增加,导致电磁干扰和电磁污染问题日益突出,不仅对通信领域信号的产生、传输和接收产生了巨大影响,也给人类社会的生产和生活,特别是对人类健康带来了难以言表的危害。早在1969年,联合国人类环境会议就将电磁辐射列为仅次于水、空气和噪音污染的第四大公害。电磁屏蔽材料是一种能够通过吸收和反射来衰减电磁波能量传播,从而有效抑制电磁干扰和污染的功能材料。中国科学院宁波材料技术与工程研究所高分子部研究员郑戈文和副研究员沈斌一直致力于高效电磁屏蔽材料的开发。早期电磁屏蔽材料的制备和性能研究取得了一系列进展。最近,从“变废为宝”和可持续发展的角度出发,该团队利用生物质废料或生活垃圾设计并制备了轻质高效的电磁屏蔽材料。

每年夏收秋冬季,大量小麦、玉米等秸秆在田间焚烧,产生大量浓烟,这不仅成为农村环境保护的瓶颈问题,也成为影响城市环境的罪魁祸首。作为一个农业大国,中国每年可以生产数亿吨稻草,这是“无用的”,但必须处理掉。农作物秸秆是农业生态系统中非常有价值的生物质能源。农作物秸秆资源的综合利用对增加农民收入、保护环境、节约资源和农业经济的可持续发展具有重要意义。在本研究中,研究人员选择麦秸作为碳源,设计并制备了一种新型中空多孔碳管阵列(ScA),通过直接碳化和有序组装实现高效电磁屏蔽(如图1所示)。结果表明,外径约1.7-3.3m、表观密度仅约72-33mg/cm3的SCA表现出优异的电磁屏蔽效率(约57.7-44dB),这主要取决于材料内部多层单元结构中的强反射损耗、介电损耗和多次反射损耗。此外,研究人员在中空秸秆腔中构建氧化石墨烯气凝胶,以制备具有石墨烯气凝胶的多孔碳管阵列复合材料。与纯ScA相比,GA/ScA的密度仅略微增加到约78-39毫克/立方厘米,而电磁屏蔽效率增加到约66.1-70.6分贝,相关结果已发表在国际期刊《ACS可持续化学工程》(ACS Sustainable Chemistry Engineering)2019,7,9663-9670上。

空心多孔碳管阵列(ScA)用于高效电磁屏蔽图。中国科学院瓦楞纸板是目前最常见的包装材料。中国快递业发展迅速,包装材料数量巨大。2016年,中国快递业将消耗约86亿个包装箱,但我国快递包装材料的整体回收率不到20%,仅为发达国家的一半左右。快递包装已经成为一个主要的污染源。在日常生活中,每个人都把纸板直接扔进垃圾箱是很常见的。如何回收利用废旧瓦楞纸板值得深入思考。本研究中,由于瓦楞纸板的特殊结构(夹在两个平行平面之间的之字形折叠结构),研究者通过直接碳化和环氧涂层增强,设计并制备了高性能碳化瓦楞纸板(CCB)作为轻质结构电磁屏蔽材料(如图2所示)。密度仅为约0.07-0.17克/立方厘米的CCB样品具有优异的电磁屏蔽效率(约46.0-82.0分贝)和比屏蔽效率(约325-1171分贝/(克/立方厘米)),而屏蔽性能与CCB碳化温度或结构类型密切相关。此外,研究人员还在CCB表面构建了超薄石墨烯皮,以减少氧化

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