PI电磁屏蔽材料的屏蔽机理和影响因素

摘要：电磁信号之间的干扰和混乱已成为当今 5G 无线通信的时代的首要挑战，研发有效屏蔽高低频电磁干扰的高性能电磁屏蔽材料已成为当前的研究热点。未来电磁屏蔽材料将朝着超薄、柔性化、轻质化、宽频高效吸收、耐高温、力学性能好等方向发展。聚酰亚胺（PI）因其具有质量轻、可柔化、机械性能好、热学稳定性好等特点，常被用作高性能电磁屏蔽复合材料的基体材料。该文介绍了 PI 电磁屏蔽材料的屏蔽机理，重点总结了其屏蔽性能的影响因素及研究进展，并阐述了高性能 PI 电磁屏蔽材料未来的发展趋势，为后续 PI 类电磁屏蔽材料的研究提供参考。

高性能聚酰亚胺新材料开发与应用/报告更新

5G 通信技术的快速发展和 Wi-Fi 便携设备市场的快速增长使空间中的电磁波过度拥挤，这些电磁波会对不同的通信渠道造成干扰（图 1）。此外，电子设备的高度集成电路所产生的电磁辐射不仅有可能导致附近设备的功能故障，还有可能干扰自身设备的正常运转。因此，电磁辐射成为许多领域的重要挑战，如电子、通信、军事以及医疗设备等领域。此外，世界卫生组织（WHO）最近的报告指出，电磁辐射还有可能对人体的健康具有潜在的危害，可能导致癌症、头痛、抑郁、疲劳等，至今电磁辐射是否对人类健康产生影响仍然有很大的争议。为了减小这种不必要的电磁辐射的影响，使用有效的屏蔽材料是不可避免的。特别是，目前现代化电子设备需要轻质化、柔性化、高效化、耐高温和机械性能好的高性能电磁干扰（EMI）屏蔽材料，期望屏蔽材料尽可能减少占据电子设备有限的空间，且不限制其常规的灵活功能。

图 1 2020~2030 年中国 5G 用户规模预测（a）；2020~2030 年中国 5G 直接经济产出和间接经济产出预测（b）

金属材料多具有较高导电性和良好的磁导率，无论在电磁场还是在静电场中都具有良好的 EMI屏蔽效能。传统的 EMI 屏蔽材料主要采用金属和磁性材料，如铜、铝、镍、钢、铁、铁镍合金等。尽管金属具有良好的 EMI 屏蔽效能，但其由于密度大、易腐蚀、低灵活性等缺点并不适合应用于现代化设备。为了摆脱金属 EMI 屏蔽材料的局限性，大量的研究工作已经开始研发具有灵活性、易加工性、可扩展性、耐化学性和轻质等特性的高性能 EMI 屏蔽材料。相较于传统的金属类 EMI 屏蔽材料，以聚酰亚胺（PI）为代表的高性能 PI EMI 屏蔽复合材料不仅具有优异的 EMI 屏蔽性能，还具有柔性、轻质、耐腐蚀、易加工、低成本、力学性能优异等特点，具有广阔的应用前景。

为了确保设备的顺利运行，避免不必要的信号干扰，轻质和高效的 EMI 屏蔽将是下一代电子和通信设备的关键要求。鉴于 EMI 屏蔽在现代电子时代的核心重要性，本文对 PI 材料在 EMI 屏蔽领域的研究进行了全面的回顾，以反映这一领域的现状。首先讨论了电磁屏蔽的关键概念及其屏蔽机理。随后总结了 PI EMI 屏蔽材料的制备方法、分类及其研究进展。最后提出了 PI EMI 屏蔽材料未来的研究方向，以克服现有的技术瓶颈，研发先进的高性能 PI EMI 屏蔽材料。

1 电磁屏蔽机理

EMI 是指由于电磁波的传输而导致的对电子设备性能造成的干扰或中断。EMI 有两种主要的干扰类型：辐射干扰和传导干扰。在辐射干扰中，辐射源是由设备产生，并通过空气传播远离设备传到另一个导电网络。而传导性干扰的辐射源是来自内部设备，通过电源或信号导体传播。由于整个配电网络是通过电源线连接，所以传导干扰会严重影响设备的运转。此外，EMI 也可以来自自然界，如电子风暴、太阳和星际辐射，也可能来自人造源，如商业无线电、雷达和电话。一般来说，EMI 发生在 1×104~1×1012Hz 的电磁频率范围内，通常可以通过在辐射源和设备之间放置屏蔽材料来防止EMI。EMI 屏蔽材料的屏蔽效能（SE）为入射功率与传输功率的比率。如表 1 所示，根据 SE 大小可以对 EMI 屏蔽材料进行以下分类，EMI 屏蔽材料的 SE 计算如式（1）所示：

表1 屏蔽衰减层级

式中：SE 为 EMI 屏蔽材料的屏蔽效能，dB；P0为入射到屏蔽层上的功率，W；E0为电场强度，V/m；H0为磁场强度 A/m；Pt、Et和 Ht为通过屏蔽层材料传输的对应量。

如图 2 所示，电磁波的衰减通过 3 种机制发生：反射、吸收和多重反射。第一种屏蔽机制是指对于像铜这样的高导电材料主要通过反射电磁波以达到电磁波的衰减。对于反射屏蔽，材料必须有自由电荷载体（电子或空穴），可以与进入的电磁波相互作用。第二种屏蔽机制主要是指通过电磁波与固体中的电/磁偶极、电子和声子的相互作用吸收电磁波达到电磁波的衰减。因此，吸收屏蔽可以通过增强屏蔽材料的电偶极子或磁偶极子的相互作用。然而在传导屏蔽中，吸收也可能发生于电阻损失，包括通过焦耳效应将电磁能量转化为热量。第三种屏蔽机制是指屏蔽材料对传入电磁波进行的多重反射。

图 2 电磁干扰屏蔽机理示意图

基于不同的屏蔽要求，可以采用不同的方法测量屏蔽材料的 SE，如开放场地/自由空间法、屏蔽箱法、屏蔽室法和波导法。然而在实验中，大多采用矢量网络分析仪（VNA）来测量屏蔽材料的SE（图 3）。这是由于标量网络分析仪（SNA）只能测量信号的振幅，而 VNA 除了可以测量屏蔽材料的散射（S）参数外，还可以提供屏蔽材料的介电常数、磁导率和 SE。在 EMI 屏蔽理论中，当电磁波入射到屏蔽材料上时，入射功率被分配转化为反射、吸收和透射功率，相应的吸收率（A）、反射率（R）和透射率（T）的功率系数满足 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）进行计算。

式中：S11为电磁波的输入反射系数；S12为电磁波的反向传输系数；SEM为电磁波在 EMI 屏蔽材料内部的多重反射效能，dB；当SET>10 dB 时，可以忽略。 图 3 矢量网络分析仪

2 PI EMI 屏蔽材料屏蔽性能的影响因素

通常，PI EMI 屏蔽材料的屏蔽效能受到多个因素共同作用。一是 PI EMI 屏蔽材料的结构类型：基于不同的应用需求，不同结构类型屏蔽材料的设计可实现高低频电磁波的高效吸收；二是电磁损耗功能材料的种类及负载量：基于不同的电磁损耗功能材料会使最终的 PI EMI 屏蔽材料展现出不同的优势，此外电磁损耗功能材料的负载量会直接影响 PI EMI 屏蔽材料的导电性能，从而影响 PI EMI 屏蔽材料的 SE；三是电磁功能损耗材料涂层厚度：基于电磁屏蔽理论，电磁损耗功能材料涂层厚度直接影响电磁波的吸收损耗和透射损耗，进而影响 PI EMI 屏蔽材料的整体屏蔽性能；四是 PI EMI 屏蔽材料的制备方法：不同的制备工艺则会影响电磁损耗功能材料在屏蔽体内的分布形态，从而影响电磁损耗功能材料的屏蔽性能。

2.1 PI EMI 屏蔽材料的结构类型

PI EMI 屏蔽材料主要有填充型和复合型两种，如图 4 所示。复合型是以起承载作用的 PI 基体层和电磁损耗功能层复合得到，可根据实际需求在 PI 基体层的基础上对电磁吸波层和反射层进行多层组合，以实现导电网络的构建以及对电磁波的梯度反射和吸收，达到优异的 EMI 屏蔽性能。如 KIM等首先利用倒装工艺在 PI 膜表面嵌入银纳米线（AgNWs）涂层，随后采用化学镀法将铜（Cu）镀覆在 AgNWs/PI 膜表面，制得了一种三层结构的 Cu/AgNWs/PI 膜，该复合膜在两层电磁损耗功能材料的协同作用下实现了对电磁波的梯度反射和吸收，进而赋予了该复合膜优异的 EMI 屏蔽性能。而填充型的 PI EMI 屏蔽材料则是以 PI 树脂与电磁损耗功能材料混合一次成形得到，填充型的 PI EMI屏蔽材料兼具承载和屏蔽电磁波的双重功能。其中，填充型 PI EMI 屏蔽材料主要通过不同种类电磁损耗功能材料的混合添加实现导电网络的构建以及对电磁波的梯度吸收。例如：刘沛江将具有介电损耗能力的石墨烯和磁损耗能力的铁氧体加入到 PI 树脂中通过热压成型法制备了一种三元复合材料。借助于石墨烯/铁氧体的高效吸波能力与 PI 树脂的高透波性、高强度，使得该复合材料表现出优异的吸波性能、力学性能和热学性能。此外，填充型的 PI 基 EMI 屏蔽材料多以电磁屏蔽用 PI 复合泡沫和 PI 复合气凝胶的形态呈现，这是因为，泡孔的引入即可降低 PI 基 EMI 屏蔽材料的密度，满足当下电磁屏蔽材料轻量化的发展趋势，同时也可实现电磁波在 PI 基 EMI 屏蔽材料内部的多次反射与吸收。

图 4PI 电磁屏蔽材料结构示意图

相交于复合型 PI EMI 屏蔽材料，填充型 PI EMI 屏蔽材料的制备较为简单，适合工业化生产，然而电磁损耗功能材料在高黏度的 PI 基体中不易分散均匀，且在基体中不易形成贯通的导电网络，进而会直接影响屏蔽材料的 SE。

2.2 电磁损耗功能材料的种类与用量

目前，电磁损耗功能材料主要有金属系材料、碳系材料、导电高分子系材料和复合系材料，如表2 所示。其中铜、铝等大多数的良导体金属材料，主要以反射电磁波为主，而高导磁率的合金和铁氧体主要是对电磁波的吸收而不是反射。此外，屏蔽材料的导电性是 EMI SE 的关键参数之一，然而导电性能的好坏取决于电磁损耗功能材料的选择及其负载量。因此电磁损耗功能材料以及负载量的不同，屏蔽材料的 SE 也会不同。当电磁损耗功能材料含量较低时，无法在 PI 电磁屏蔽材料中形成良好导电通路，进而影响其 SE。

表2 电磁损耗功能材料分类

一般来将，在一定的范围内随着电磁损耗功能材料含量的增加，PI 电磁屏蔽材料的 SE 有所增加，如吴同华等探讨了碳纳米管（CNTs）含量对 PI 复合膜屏蔽性能的影响，结果发现，通过调节CNTs 的含量与分布，可以明显改善 PI 复合膜的 SE。当 CNTs 的含量在一定范围时，随着 CNTs 含量的增加，CNTs 在 PI 基体中的导电网络逐渐相互贯通，使 PI 复合膜表现出不同的 SE。但当 CNTs 含量（以 PI 基体的质量为基准，下同）增加到 5%时，其 SE 不再增加。这可能是因为 CNTs 的含量在5%时，CNTs 在基体中形成的导电结点已经饱和，过多的 CNTs 的反而影响 PI 复合膜微孔的形成，进而影响到屏蔽材料的 SE。因此，只有电磁损耗功能材料含量达到一定的程度时，才能在屏蔽材料中形成相互贯通的导电网络，屏蔽材料才会显示出优秀的导电性能，进而实现屏蔽材料对电磁波的高效吸收。

2.3 电磁损耗功能涂层的厚度

由电磁屏蔽机理可知，穿透到屏蔽材料中的电磁波的强度会随着导体的深度而减小。目前，诸多研究显示，不同的电磁损耗功能涂层厚度使屏蔽材料体现出不同的 SE，如 DING 等以通过控制化学沉积时间，制备了不同厚度的 PI 功能织物，并探讨了镍-钨-磷（Ni-W-P）合金涂层厚度对 PI 功能织物屏蔽性能的影响，结果表明，不同厚度的 Ni-W-P 合金涂层使得 PI 功能织物体现出不同的 SE。当沉积时间为 2 h，厚度为 0.487  mm 时，该 PI 功能织物在 X 波段的 SE 可达到 65 dB 以上。一般认为，电磁损耗功能涂层的厚度越大，更有利于形成良好的导电网络，屏蔽材料的屏蔽效果越好。但在某些情况下，电磁损耗功能涂层的厚度过大，反而会使得屏蔽材料变得厚重、灵活性变差，进而影响屏蔽材料的应用，所以屏蔽材料中的电磁损耗功能涂层存在一个最佳厚度。

2.4 PI 电磁屏蔽材料的制备方法

目前，PI 电磁屏蔽材料的制备有溶液共混法、原位聚合法、浸涂法、粘贴法、化学沉积法、静电纺丝法等多种制备方法，如表 3 所示。不同的制备方法使电磁损耗功能材料在屏蔽材料体内分散状态会有不同，同时也会影响到屏蔽材料的内部结构，进而影响到屏蔽材料的屏蔽性能以及力学性能。此外，不同的制备方法也会使 PI EMI 屏蔽材料呈现不同的结构形态。如 MIAO 等采用溶液共混法制备了一系列具有多孔结构的 PI/多壁碳纳米管（MWCNTs）复合气凝胶。PI/MWCNTs 复合气凝胶的多孔结构既利于电磁波在材料内部的多次反射与吸收，同时也降低了该 PI/MWCNTs 复合气凝胶的密度，满足当下电磁屏蔽材料的轻量化发展趋势。该方法制备工艺简单，操作简便，但此方法需要使用大量的溶剂。CHENG 等以 PI 气凝胶为基材，通过单向浸涂和热压工艺构建了一种具有连续导电通路的分级多孔 PI/二维过渡金属碳化物（MXene）复合薄膜。同样泡孔的引入即可降低该复合薄膜的密度，同时可加强对电磁波的多次反射，另外该薄膜在 90 μm 的厚度下其 SE 可高达 52 dB。该浸涂法因其操作简单、可控、成本低廉、可工业化生产被认为是一种简单高效制备屏蔽材料的制备方法，但是电磁损耗功能材料在高性能 PI 基底材料上分布的均匀性较差，导致 PI EMI 屏蔽材料存在局部的屏蔽性能差异。ZHANG 等以 PI 纤维纸为基材，通过原位聚合法制备了一种具有柔性、轻质的镍-铁-磷（Ni-Fe-P）/聚吡咯（PPy）/PI 纤维纸基复合材料。该方法制备工艺简单，可大批量工业化生产，此外导电材料可均匀分布 PI 基体材料中。然而原位聚合法大多使用的是导电聚合物，因此该方法具有一定的局限性。SANG 等通过简单、快速的“切割和粘贴”方法将聚四氟乙烯（PTFE）和 PI 胶带粘贴到 MXene 薄膜表面上，构建了一种柔性、疏水、机械强度大的 PTFE/MXene/PI 电磁屏蔽复合材料。该方法虽然较为简单易于操作，但 PI 层与导电薄膜层的结合强度较差。

表3不同种类聚酰亚胺电磁屏蔽材料制备方法及特点

现如今，随着 5G 通信技术的发展，传统的制备方法已不能满足轻质、柔性、耐高温、低负载量、多孔多层 PI EMI 屏蔽材料的发展趋势，需要更多的简洁高效的方法来满足当下的需求。因此。需要在现有的 PI EMI 屏蔽材料制备技术技术上不断对其进行优化，同时寻找更加更具优势的 PI EMI屏蔽材料的制备方法。

3 PI EMI 屏蔽材料的研究进展

PI 材料因其具有质量轻、可柔化、机械性能好、热学稳定性好等特点，被用作很多高性能电磁屏蔽复合材料的基体材料。目前，PI EMI 屏蔽材料主要有两种类型，一种是以 PI 树脂制备的 PI 基EMI 屏蔽材料；另一种是以 PI 纤维制备的 PI 纤维基 EMI 屏蔽材料。借助于 PI 材料的优良特性，使得高性能 PI EMI 屏蔽材料表现出非常好的热学稳定性、机械稳定性以及环境适应性，有望在航空航天、机械化工、电磁屏蔽、原子能工业和国防军工等重要领域获得广泛的应用。

3.1 PI 基电磁屏蔽材料 3.1.1 MXene 系 PI 基电磁屏蔽材料

MXene 材料是一类二维层状结构的金属碳/氮化物，具有过渡金属/碳化物的金属导电性，在电磁屏蔽、超级电容器、电池等领域中得到越来越广泛的应用，MXene 材料已经成为最热门的导电材料之一。

目前，一些研究人员将 MXene 材料作为导电填料制备了一系列 MXene/PI 基电磁屏蔽材料。SANG 等首先将导电 MXene 沉积在聚偏氟二乙烯（PVDF）薄膜表面，然后集成在自带黏结性能的PI 胶带上构建了一种多功能 PVDF/MXene/PI 复合材料。基于导电的 MXene 网络，PVDF/MXene/PI复合材料表现出优异的 EMI SE。ZENG 等通过浸涂和化学交联方法制备了一种轻质、超柔韧和坚固的 C-MXene@PI 复合泡沫（图 5）。如图 6 所示，C-MXene@PI 复合泡沫在 X 波段 EMI SE 为22.5~62.5 dB。此外，该复合泡沫还具有一定的疏水性、抗氧化性和极端温度稳定性，可在恶劣极端环境下使用。

图 5 MXene 薄片（a）和 C-MXene@PI 复合泡沫的制备过程示意图（b）

图 6 PI、MXene@PI、C-MXene@PI 复合泡沫在 X 波段的电磁屏蔽效能

MXene 系 PI 基 EMI 屏蔽材料在 X 波段的 SE 效能存在较大的波动性，因此为了不断提升 MXene系 PI 基 EMI 屏蔽材料 SE 的稳定性以及屏蔽材料的综合性能，仍需大量的研究学者投入到高性能MXene 系 PI 基 EMI 屏蔽材料的研发之中。

3.1.2 金属系 PI 基电磁屏蔽材料

尽管金属材料具有良好的电磁屏蔽效能，但其由于易腐蚀、密度大以及低灵活性等缺陷阻碍了其在某些领域的应用。然而电导率是影响电磁屏蔽材料 SE 的重要因素之一，因此在制备电磁屏蔽材料时又必不可免的需要使用具有良好的导电性的金属材料。

AgNWs 由于纳米级别的尺寸效应，具有优良的导电性以及优异的透光性和耐曲挠性，被广泛用于导电、导热材料等领域。MA 等[60]以 AgNWs 为导电填料，通过一锅液体发泡工艺制备了一种具有微孔结构、低密度的 AgNWs/PI 复合泡沫。当复合泡沫中 AgNWs 的含量为 PI 基体质量的 4.6％时，其 SE 在 8~12 GHz 频率范围内可达 3.5~4.0 dB（图 7）。张林等以 PI 板为基底，通过化学镀铜技术在其表面沉积了一层致密均匀且具有良好导电性的铜层，制备了一种镀铜 PI 基板。该镀铜 PI 基板具有优异的导电性，且其方阻随镀层厚度的增加而减小。进一步测试其电磁性能可知，该材料在 100kHz~12 GHz 频率范围内，镀铜 PI 基板的最高 SE 可达 55 dB。PI 基板表面的金属铜镀层在室内环境下性能较为稳定。然而，在高湿度环境下容易与空气中的 CO2或氯化物作用，生成碱式碳酸铜或氯化铜。由于金属铜镀层的厚度很薄，时间久了依然会被腐蚀。因此，金属系 PI 基 EMI 屏蔽材料不适合在高湿环境下使用。

图 7 不同密度、纳米填充量的 AgNWs/PI 复合泡沫数码照片（a）；PIF-0、PIF-P、PIF-W 和 PIF-WS 复合泡沫材料在 8~12 GHz 频率范围内 的 EMI SE 测试（b）

基于纳米金属粒子制备的 PI 基 EMI 屏蔽材料表现出令人满意的 SE、力学性能以及灵活性。因此，现如今很多学者将纳米金属粒子作为导电填料制备金属系 PI 基电磁屏蔽材料。然而纳米金属粒子在屏蔽材料表面容易发生氧化，不能形成持续良好的导电网络，进而影响屏蔽体的 SE。

3.1.3 碳系 PI 基电磁屏蔽材料

相较于纳米金属系 PI 基 EMI 屏蔽材料，传统的碳系（石墨、炭黑、乙炔黑等）PI 基电磁屏蔽材料的电磁屏蔽性能较差。然而近年来，随着新型碳系〔碳纳米纤维（CNFs）、碳纳米管（CNTs）和石墨烯（Gr）〕材料的研究与开发，碳系 PI 基 EMI 屏蔽材料又展现出新的应用潜力。

CNTs 具有高模量、高强度和高导电性以及良好的柔韧性，以 CNTs 为填料制备的复合材料表现出良好的强度、导电性、各向同性及抗疲劳特性，可给复合材料的电磁屏蔽性能带来极大改善。WANG 等首先借助氧化石墨烯（GO）表面的官能团以及 GO 与 CNTs 之间的 π-π 共轭，解决了CNTs 的分散性。然后以 CNTs 为导电填料设计制备了一种具有低密度、高耐热性、优异的 SE 和良好可压缩性的轻质 PI 泡沫，其平均 SE 为 28.2 dB。YANG 等以 CNTs/GO 为导电填料，采用溶剂蒸发相分离法制备了一种微孔 CNTs/GO/PI 泡沫，制备过程如图 8 所示。借助于 PI 材料优异的耐温性能，CNTs/GO/PI 泡沫具有出色的耐温性能，此外其杨氏模量可达到 789 MPa，可适用于高温环境下的电磁屏蔽需求。

图 8 CNTs/GO/PI 泡沫制备示意图（a）；纯 PI、CGP 泡沫和 CP21 的 EMI SE（b）

碳系纳米材料与 PI 基体材料在电学性能方面匹配性较好，但其在 PI 基体中的分散性差，不能形成稳定贯通的到导电网络，使得碳系 PI 基 EMI 屏蔽材料的整体性能仍然较差，不能满足当下对高性能 EMI 屏蔽材料的需求。

3.2 PI 纤维基电磁屏蔽材料

PI 纤维继承了 PI 的优异特性，具有优良的机械性能、耐高低温性能、介电性能、阻燃性能、化学稳定性、尺寸稳定性和较低的吸水性等，特别是其它材料所无法比拟的耐化学腐蚀性、耐紫外性能和特有的耐辐照性能。此外，基于不同的制备工艺，PI 纤维基电磁屏蔽材料可分 PI 纳米纤维 EMI屏蔽材料（静电纺）、PI 纸基 EMI 屏蔽材料（湿法造纸）和 PI EMI 屏蔽织物（织造）。

3.2.1 PI 纳米纤维电磁屏蔽材料

静电纺丝技术制备的纳米纤维材料具有孔径小、孔隙率高、纤维均一性好、力学性能好等优点，因此静电纺纳米纤维在制备轻质、柔性和高性能 PI EMI 屏蔽材料方面具有巨大的应用潜力。

ZHANG 等以 AgNWs 和 MXene 为导电材料，采用静电纺丝和热压技术制备了具有高热稳定性和高韧性的“三明治结构”的AgNWs/MXene/AgNWs（APxMyAPx）纳米复合膜，如图 9 所示。该复合膜除了具有优异的力学性能和电磁屏蔽性能(38 dB )以外，还具有优异耐酸性能及机械稳定性。该纳米复合膜经过强酸处理（pH 2.0 和 1.0）以及机械弯曲测试（1000 次）后其电磁屏蔽性能仍能保持在80％以上，因此该复合膜可在恶劣环境下长期使用。

图 9 APxMyAPx 纳米复合膜的制备示意图（a）；不同 MXene 加载下 APxMyAPx 的 EMI SE（b）

董馨茜等首先采用共沉淀法制备出了一种 F3O4磁性纳米粒子，随后采用原位聚合法，将制备出的 Fe3O4磁性纳米粒子加入到聚酰胺酸溶液中，最后经静电纺丝及热亚胺化后制备出了一种 F3O4/PI复合纤维膜。当 F3O4的添加量为 PI 基体质量的 7%时，该复合纤维膜在 X 波段的 SE 为 35 dB，可达到一般工业或商业电子设备用电磁屏蔽的要求。

PI 纳米纤维 EMI 屏蔽材料在制备过程中，电纺体系内只能添加 PI 基体质量的 10%左右的电磁损耗功能材料，纺丝效率低，且纺丝过程用到的强腐蚀性或高剧毒性溶剂成本高、不易回收，易造成环境污染。以上缺点均限制了 PI 纳米纤维 EMI 屏蔽材料的进一步工业化生产。因此，目前 PI 纳米纤维EMI 屏蔽材料仅限于实验室范围内的研究。

3.2.2 PI 电磁屏蔽织物

基于织物的透气性、延展性和灵活性等特点，以 PI 纤维制备轻质、柔性的 PI EMI 屏蔽织物受到了越来越多人的广泛关注。通过在 PI 纤维表面镀覆金属导电层制备 PI EMI 屏蔽织物是制备织物电磁屏蔽材料用得最多且效果最好的方法。常用的镀覆金属导电层制备技术有化学镀、电镀等。化学镀和电镀是通过氧化还原法将金属离子（Ni2+、Al3+、Ag+、Cu2+等）镀覆在 PI 纤维织物表面，获得 PIEMI 屏蔽织物。

镀覆金属 PI EMI 屏蔽织物的主要电磁屏蔽机理是通过金属镀层表面反射电磁波以达到电磁屏蔽的目的，其中镍镀覆 PI EMI 屏蔽织物除了表面反射外，还存在吸收损耗。WANG 等通过原位聚合和化学镀制备了一种具有低反射、强吸收特性的镍-钴-铁-磷（Ni-Co-Fe-P）/PANI/PI 复合织物（图10）。随着化学镀时间的延长，其电磁屏蔽性能不断提升。Ni-Co-Fe-P/PANI/PI 复合织物的厚度仅为0.2 mm 时，其在 X 波段的 SE 为 40.5~69.4 dB，优于传统金属织物或导电聚合物涂层织物。DING等同样通过镍-钨-磷（Ni-W-P）化学镀的方法制备了一种具有良好导电性和电磁屏蔽效果的功能 PI织物。该功能 PI 织物在 1000 次的弯曲测试后仍可保持良好的导电性。此外，该功能 PI 织物还具有良好的抗氧化性能、优异的防腐性能，其在不同 pH 的溶液中浸泡 12 h 后，其表面电阻略有增加。

图 10 Ni-Co-Fe-P/PANI/PI 复合织物的电磁屏蔽机理（a）；样品在 12.1 GHz 时的 SET、SEA 和 SER（b）；Ni-Co-Fe-P/PANI/PI 复合织物的数码照片（c）

PI EMI 屏蔽织物多用做室内屏蔽墙布或作为电磁屏蔽防护面料使用，但电磁损耗功能材料涂层与皮肤直接接触可能引起过敏或不适，因而不适宜直接作为防护内衣面料使用，可与另一种材料复合制为亲服型屏蔽织物使用。

3.2.3 PI 纸基电磁屏蔽材料

纸基材料因其制备工艺成熟、易于操作、可工业化生产等特点受到了越来越多研究学者的关注。因此，基于纸基材料独有的网络结构，在湿法造纸的基础上构造结构和功能一体化复合材料-纸基EMI 屏蔽复合材料已成为当下研究的热点。

PI 纸基 EMI 屏蔽材料的制备如同 PI EMI 屏蔽纺织物的制备，大多都是通过在 PI 纤维表面涂覆一层电磁损耗功能涂层，进而构建一层导电网络，以达到电磁屏蔽的效果。ZHANG 等以 PI 纤维纸为基材，首先通过气相聚合在 PI 纤维纸上成功地生长了一层导电 PPy 涂层。然后，采用一种新型、简单、经济的无钯活化化学镀工艺在复合材料表面生长了一层 Ni-Fe-P 合金制备了一种超薄、轻质的 Ni-Fe-P/PPy/PI 纸基 EMI 屏蔽材料。结果表明，Ni-Fe-P/PPy/PI 纸基 EMI 屏蔽材料在厚度只有0.19 mm 的情况下，其 SE 可达 85 dB 以上。此外，Ni-Fe-P/PPy/PI 纸基 EMI 屏蔽材料在反复弯曲测试 200 次后仍能保持较高的导电率，然而该纸基 EMI 屏蔽材料在 60 S 明火处理后虽能保持原有形态，但其 SE 能会有所下降，因此为了提升 PI 纸基 EMI 屏蔽材料在高温条件下的 SE 保持率，张如强等进一步以 PI 纤维和碳纤维为原料制备了一种三维网络结构、耐高温的纸基导电骨架，通过气相沉积和化学沉积工艺在纸基骨架上进行聚合物和镍基金属涂层的层层组装, 制备了具有一种“夹芯结构”的高性能 Ni/PPy@PI 纸基 EMI 屏蔽材料（图 11）。结果表明，其在高温处理后其 SE 仍保持在80％以上。基于 PI 纸基 EMI 屏蔽材料轻质、柔性、耐高温、易加工等特点，其在航空航天、国防军工以及特种设备等领域具有较大的应用潜力。然而纸张材料固有的力学性相对较差，限制了其在某些领域的应用。

图 11 Ni/PPy@PI 纸基复合材料的制备方案（a）；测试样品在 X 波段的电磁屏蔽性能（b）

综上可知，相较于其他 PI 电磁屏蔽材料，PI 纤维纸典型的粗糙而多孔结构赋予了 PI 基体材料较大的界面面积和吸附性能，易与电磁损耗功能材料的沉积或涂布。此外，借助于 PI 纤维的优异特性，PI 纸基 EMI 屏蔽材料满足柔性、轻质、耐高温、形状可控的发展要求，能够取代传统的金属板以及树脂基和陶瓷基等电磁屏蔽材料，是当下很有发展前景和应用潜力的新型电磁屏蔽材料。

4 结束语与展望

随着 5G 通信技术的不断发展，未来电磁屏蔽市场对于高性能电磁屏蔽材料的需求也在不断增加，因此电磁屏蔽材料行业将迎来巨大的发展机遇。结合当前国家相关政策以及发展规划，从电磁屏蔽材料的发展现状和趋势来看，未来 PI EMI 材料将朝着超薄、轻质化、柔性化、宽频高效吸收、耐高温、力学性能好等方向发展。

PI EMI 屏蔽材料的 SE 主要取决于屏蔽材料的结构、电磁损耗功能材料的选择以及在 PI 基体材料内的分散等。多层电磁损耗功能涂层结构材料是增加电磁波反射损耗的有效方式，作用与不同频段的电磁损耗功能材料的堆叠可实现较宽频率范围内电磁波的有效屏蔽。因此，后期 PI EMI 屏蔽材料的研究可通过优化复合型多层材料的结构设计，实现电磁波的梯度反射与吸收，提高电磁波的吸收损耗和多次反射损耗。此外，电磁损耗功能材料的分散对于屏蔽材料形成稳定贯通的导电网络至关重要，因此在后期的研究中，可通过改性电磁损耗功能材料以优化其在基体中的分散均匀性，提高 PIEMI 屏蔽材料的吸收损耗、反射损耗以及电磁损耗功能材料间的增强协同效应，实现其较高的电磁屏蔽性能。

总而言之，随着 PI 材料在电磁屏蔽材料领域的深入研究，PI EMI 屏蔽材料的整体性能会不断得到提升，以满足当下对高性能电磁屏蔽材料应用需求，同时打破现有西方技术对高性能电磁屏蔽材料的垄断，拓宽高性能 PI 材料的应用领域，实现 PI 材料利用最大化。因此，有必要投入更多的精力来克服现有的技术瓶颈，设计和开发性能更加优异的高性能 PI EMI 屏蔽材料。

来源：精细化工

作者：张如强 1,2，龙柱 1,2，张丹 1,2

1.江南大学 生态纺织教育部重点实验室

2.江南大学 纺织科学与工程学院造纸技术研究室

审核编辑：汤梓红