华南农大胡传双/林秀仪团队《Compos. Commun.》：孔隙结构对碳化木的宽频电磁干扰屏蔽性能的影响

电子设备的普及和 5G/6G 通讯技术的发展带来了日益严重的电磁辐射污染，不仅影响电子元件的工作寿命、隐私安全，甚至影响人类健康。电磁辐射已经成为继水污染、大气污染、噪音污染之后的第四大公害。同时， 5G 和 6G 通信技术的高速发展，商用、雷达监测和军事应用等应用场景的复杂化，也促进了科研人员对电磁干扰屏蔽材料的探索。为满足下一代电磁屏蔽的要求， 亟需发展 可用于高频率和宽频率覆盖的屏蔽材料。传统的电磁屏蔽材料如金属基屏蔽材料能表现出优异的屏蔽性能，但是存在易腐蚀和密度大的问题。一些新兴的碳基纳米屏蔽材料则需要复杂的制备过程、价格昂贵。为顺应国家节能减排、实现碳中和的政策，探索绿色高效的可再生电磁屏蔽材料尤为关键。

近期， 华南农业大学材料与能源学院胡传双、林秀仪团队 通过对杨木进行热压再碳化的处理，调控出具有不同孔径结构的碳化木。然后揭示了碳化木的孔隙结构与其电磁屏蔽性能（ X 波段、 K 波段和太赫兹波段）之间的关系，详细探讨了不同结构的碳化木的电磁屏蔽机理，并通过有限元分析仿真进一步揭示其潜在屏蔽机理。相关工作以 “Effects of pore structure on wide-frequency electromagnetic interference shielding performance of carbonized wood” 为题，发表于《 Composites Communications 》。 华南农业大学材料与能源学院在读硕士生 戴振华 为该论文的第一作者，通讯作者为 胡传双 教授、 林秀仪 副教授。

采用整体压缩的工艺调控出均匀的孔隙结构，压缩率为 20% 和 40% 的压缩木材分别被标记为 W-20 和 W-40 ，而未压缩的木材被命名为 W-0 。对上述样品进行 1000 °C 碳化处理，所得碳化木分别命名为 CW-0 ， CW-20 ， CW-40 。图 1 为碳化木的细胞结构，随着压缩率的升高，木纤维细胞和导管的尺寸减小。采用高斯拟合来量化不同压缩率的碳化木的尺寸变化。如图 2 所示， CW-0 、 CW-20 和 CW-40 的导管的平均值分别为 118.51 、 84.36 和 62.56 µm ，其木纤维细胞的平均值分别为 14.83 、 10.36 和 8.90 µm 。所有统计数据的 R ² 都高于 0.95 ，证明了拟合的准确性。

图 1 碳化木的细胞结构

图 2 碳化木的导管和木纤维细胞的尺寸大小

首先讨论碳化木在 K 波段的性能，以揭示结构和电磁屏蔽性能之间的关系。通过拉曼光谱得知不同压缩率的碳化木具有相似的石墨化程度，因此其导电特性和屏蔽性能的差异主要来源于结构的差异。随压缩率的增加，细胞结构变得更加紧密，细胞壁的接触增加，电导率 CW-0 的 2.55 S/cm 增加到 CW-40 的 4.60 S/cm （图 3b ）。相应地，高电导率提高了 CW-40 的衰减常数（图 3c ）。如图 3d 所示， CW-0 、 CW-20 和 CW-40 在 K 波段的平均屏蔽性能分别为 28.08 、 58.16 和 71.69 dB 。 CW-0 和 CW-40 之间的屏蔽性能差异高达 43.61 dB ，其中 SE _A 起了主导作用，特别是 CW-40 具有最高的 SE _A ， SE _A /SE _T ~ 87.4% （图 3e 和 3f ）。随着压缩率的增加，碳化木的导管和木纤维细胞的孔隙变得更小，导管和木纤维细胞中入射电磁波的多重反射随着孔径的减小而增加。同时，高导电性增强了衰减常数，导致传入的电磁波迅速衰减成热能，促成了高 SE _A 。图 3g 展示了不同压缩率碳化木的屏蔽机理，入射电磁波首先由于高电导率引起的阻抗失配而被反射，然后剩余的电磁波以热能的形式在孔隙中被多重反射，特别是在小孔隙中。

图 3 不同压缩率碳化木在 K 波段的电磁屏蔽性能

此外，探讨了碳化木在 X 波段和太赫兹波段的电磁屏蔽性能。如图 4a 所示，不同压缩率的碳化木在 X 波段的变化趋势和 K 波段相似，但 K 波段的波长更短，对结构差异的响应更加灵敏（图 4b ）。然而，碳化木在太赫兹波段的屏蔽性能相似，平均值为 50 ~ 60 dB （图 4c ）。在 X 波段和 K 波段，四分之一波长（ 6.05 ~ 9.15 mm 和 2.83 ~ 4.17 mm ）大于导管和木纤维细胞的尺寸（图 4e 和 4f ），屏蔽性能取决于孔隙大小。然而，在太赫兹波段，四分之一波长范围从 720 µm 到 37 µm （图 4g ），不同压缩率的碳化木的孔隙尺寸都在太赫兹波段的四分之一波长内，它们之间的差异很小，由于强干扰，观察到的屏蔽性能波动明显。当频率增加和孔径减小时，碳化木对入射电磁波的吸收增加，在太赫兹波段， CW-40 的吸收系数为 0.377 ，因为碳化木的孔径接近四分之一波长时，通道中的入射波和反射波相位相差 180 度，相互抵消，导致吸收增强（图 4d ）。

图 4 不同压缩率碳化木在不同波段的电磁屏蔽性能

通过有限元仿真分析电磁波在不同压缩率的碳化木上的衰减情况。在输入端口的电场强度相同的情况下，表面电流密度随着导管和木纤维细胞尺寸的减小而增加（图 5b 和 5c ）。同时，电磁波的内部反射在小孔径的情况下更容易进行，因此， CW-40 具有最高的电磁损耗（图 5d ）和输出端口的最低电场强度（图 5e ）。实验和仿真结果都显示，碳化木的结构对电磁屏蔽性能有突出的影响。入射电磁波的内部反射随着导管和木纤维细胞尺寸的减小而增加，从而导致更高的吸收损耗。

图 5 不同压缩率碳化木的有限元仿真分析

碳化木的导管和木纤维细胞的孔径尺寸减小不仅有效提升其电磁屏蔽性能，而且对其抗压性能和传热性能也产生了显著的影响。随着压缩率的增加，碳化木的密度增加，细胞壁更加密集，使得碳化木沿生长方向的抗压性能增加，几乎接近原始杨木的抗压性能（图 6 ）。压缩率的增加也使得 CW-40 沿其生长方向的热导率提升了 48.71% ，热导率的增加也有利于电磁波以热能的方式进行耗散（图 7 ）。

图 6 不同压缩率碳化木的抗压性能

图 7 不同压缩率碳化木的热导率

在这项工作中，通过采用不同的压缩率来调节碳化木的细胞结构，然后研究了细胞结构对碳化木电磁屏蔽性能的影响。当压缩率从 0 提升到 40% 时，碳化木在 K 波段的屏蔽性能从 28.08 dB 增加到 71.69 dB 。密集的结构赋予了碳化木高导电性，并增强了电磁波的内部反射。此外，屏蔽性能也与入射波的频率有关。当孔径尺寸接近四分之一波长时，内部反射会增强，从而产生更多的吸收。因此，通过结构优化，碳化木具有宽频覆盖的特性且表现出优异的屏蔽性能。同时，碳化木沿其生长方向的抗压强度和热导率都随着压缩率的增加而增加。这种轻质、性能优异的碳化木有成为下一代屏蔽材料的潜能。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.coco.2023.101501

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