随着现代5G技术的迅猛发展，电磁辐射污染已成为威胁电子设备可靠运行与人体健康的关键因素。同时，高功率器件产生的热积累会显著降低设备性能与寿命。开发兼具高效电磁干扰（EMI）屏蔽与热管理能力的多功能材料，已成为保障电子系统在复杂电磁环境中稳定运行的核心需求。尽管耐用型EMI屏蔽材料备受关注，但导电填料间的界面电阻问题严重制约其性能突破。
近日，郑州大学刘春太教授/苏凤梅副教授团队在《Composites Part B: Engineering》发表题为“Robust PI composites with high-connected AgNPs for multifunctional electromagnetic interference shielding in harsh environment”研究成果。该工作通过原位沉积-低温烧结技术，在静电纺丝聚酰亚胺（PI）纳米纤维表面构建高连通银纳米颗粒（AgNPs）网络（图1），成功制备PI@Ag-S纳米纤维复合材料，突破性实现：（i）烧结形成的互连银网络显著地将电导率从49 S/cm提高到154 S/cm；（ii）优异的EMI屏蔽效果（86.7 dB），SSE/t达14985 dB cm2 g−1；（iii）出色的面内导热性能，2.6011 W/（m⋅K），较纯PI提升8670%；（iV）卓越的电加热性能，1.5 V电压驱动下实现144 oC稳态温度，支持快速除雾/除冰。此外，该复合材料由8 μm PI涂层保护，表现出优异的环境适应性，包括耐极端温度、强酸碱腐蚀和阻燃性能，这使PI@Ag-S纳米纤维复合材料能够在极端环境中实现高效EMI屏蔽和热管理。
图1：PI@Ag-S薄膜的制备流程以及与特性。
通过静电纺丝结合化学沉积工艺制备PI@Ag薄膜后（图1c），将材料置于200 oC环境下进行低温烧结。如图1d所示，AgNPs通过表面扩散与晶界迁移实现自发烧结连接，在相邻纤维间形成跨尺度导电通路。该过程使电导率提升214%（从49 S/cm至154 S/cm）。得益于三维连通银网络的构建，复合材料在保持柔性（弯曲半径<2 mm）与疏水性（接触角>135o）的同时，电磁屏蔽效能（EMI SE）提升至86.7 dB（图1e），并展现出显著增强的电热转换性能（图1e）。
图2：PI@Ag-S薄膜的形貌与结构表征。
通过SEM、XRD和XPS多种手段对材料形貌和结构进行表征。SEM证实化学还原后AgNPs均匀锚定于PI@PDA纤维表面（图2i-j），纤维直径增加至约0.9 μm（图2c-d）。高分辨SEM显示未烧结样品中AgNPs存在一定的间隙，而烧结后纤维表面的Ag层更加致密和光滑，这是由于200 °C烧结促使AgNPs表面扩散与晶界迁移，银层致密度提升，同时相邻纤维间形成跨尺度连接点（图2e-f）。
图3：PI@Ag-S薄膜的EMI屏蔽性能以及与其他EMI屏蔽材料的比较
在PI纳米纤维上构建互连的AgNPs可增强膜的导电性，从而影响EMI SE性能。如图3c所示为PI、PI@Ag和PI@Ag-S膜的电磁屏蔽测试结果，改性后的PI@Ag-S（86.7 dB）的EMI SE远高于PI@Ag（47.9dB）。这是因为烧结过程降低了AgNPs之间的界面电阻，同时减少了AgNPs的晶格缺陷。
图4：PI@Ag-S薄膜的导热性能。
如图3所示，纯PI的面内热导率（TC）仅为0.003 W/（m⋅K），在PI膜上镀银以后TC增加至2.2804 W/（m⋅K），而AgNP烧结以后TC提高至2.6011 W/（m⋅K）。这归因于AgNP自身的高热导率以及AgNP烧结后的高连接性，这降低了界面热阻并完善了热传导通道，从而极大地促进了高效的声子传输。
图5：PI@Ag-S薄膜的电加热性能。
在复合材料中成功构建导电通路也显著提高了PI@Ag-S材料的焦耳加热性能。如图5a-d所示，PI@Ag-S膜在0.5 V、1 V和1.5 V电压下的稳态温度分别为39 oC、81 oC和144 oC，即使在弯曲条件下也能保持均匀稳定的加热（图5e）。因此，在极端环境应用中，PI@Ag-S膜可以用作焦耳加热器快速稳定地为除雾和除冰等任务提供适当的温度（图5f）。
图6：PIAS复合材料在极端环境下服役性能
通过热压、PAA溶液浸渍和热亚胺化制备PIAS复合材料，横截面呈三明治状形貌，其中PI@Ag层的厚度为41 μm，表面PI层的厚度约为8 μm（图6b）。PIAS复合材料能够在高、低温；强酸强碱；超声处理后仍然保持较高电磁屏蔽性能，此外，优异的机械强度和阻燃性也能使其能够适应更复杂的工作环境。
综上所述，我们通过结合静电纺丝-化学沉积-低温烧结工艺，成功开发了一种柔性轻质的PI@Ag-S复合膜。该材料性能突破性实现：EMI屏蔽效能：86.7 dB（X波段）、面内热导率：2.60 W/(m·K)以及焦耳加热性能：1.5V驱动下144 oC稳态温度（响应时间<15s）。同时该材料具有优异的环境耐受性和阻燃性能，在高低温、强酸、强碱等极端环境中性能稳定。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112735
人物简介：
刘春太：教授，博导，郑州大学橡塑模具国家工程研究中心执行主任，郑州大学副校长。从事高分子及其复合材料成型过程数值模拟及模具优化设计，高分子及其复合材料成型加工中的物理问题，轻量化及功能纳米复合材料，以及国家战略领域用塑料制品的研制等。广东省珠江学者讲座教授，江苏省创新团队负责人。曾获国家科技进步二等奖2项、中国载人航天工程突出贡献等多项奖励。
苏凤梅：副教授，硕士生导师。主要研究方向：高分子加工物理；航空航天辐射防护复合材料，中子屏蔽材料；导热、电磁屏蔽功能复合材料等。研究成果在 Macromolecules、Nano Res.、Nano-Micro Lett.、Compos. Part B: Eng.、Chen Eng J、J Mater Sci Technol.等杂志发表论文30余篇。曾获教育部科技进步二等奖1项，主持主持国家自然科学基金、横向/军工项目等多项科研项目。
