Onlangs hebben Sun Rong en andere onderzoekers van het Shenzhen Institute of Advanced Technology, onderdeel van de Chinese Academie van Wetenschappen, een eenvoudige éénstaps warmtebehandelingsmethode voorgesteld voor de bereiding van lichtgewicht zilver/gereduceerd grafeenoxide-gecoate gecarboniseerde melamine (CMF/rGO/Ag) schuimmaterialen. Het gecarboniseerde composiet melamineschuimmateriaal vertoonde uitstekende mechanische eigenschappen en een uitstekend elektromagnetisch afschermend effect (EMI SE).
De opkomst van 5G-communicatie en smartphones heeft het probleem van elektromagnetische interferentie verergerd.
Ernstige elektromagnetische interferentie kan gegevensverlies, systeemstoringen en zelfs een gevaar voor de menselijke gezondheid veroorzaken.
De ontwikkeling van hoogwaardige materialen ter afscherming van elektromagnetische interferentie met een zeer lage dichtheid en goede mechanische flexibiliteit is een effectieve manier om schadelijke elektromagnetische golfvervuiling of straling te onderdrukken.
Voor traditionele metalen materialen is het verbeteren van de geleidbaarheid altijd de belangrijkste strategie geweest om hoogwaardige afschermingsmaterialen te verkrijgen.
Bovendien zouden nieuwe nanomaterialen, zoals grafeen, koolstofnanotubes en MXene, ook een hoge EMI-afschermingsprestatie hebben.
Dankzij het zeer flexibele productieproces van nanomaterialen worden deze materialen verwerkt tot schuim of folie voor EMI-afscherming. Vergeleken met de geschuimde vorm van nanomaterialen vertonen dichte folies een hogere geleidbaarheid.
Een hoge geleidbaarheid kan direct een hoge EMI SE genereren door de sterke reflectie van invallende elektromagnetische golven.
De reflectiecoëfficiënt van elektromagnetische golven van goed geleidende metalen bedraagt bijvoorbeeld doorgaans meer dan 90%. Dat wil zeggen dat 90% van de binnenvallende elektromagnetische golven in de vrije ruimte wordt weerkaatst.
De gereflecteerde elektromagnetische golven kunnen ook ernstige secundaire elektromagnetische stralingsvervuiling veroorzaken. Het is nog steeds een uitdaging om hoogwaardige EMI-afschermingsmaterialen te verkrijgen met een lage reflectiecoëfficiënt voor elektromagnetische golven.
Het schuimachtige afschermingsmateriaal heeft een poreuze structuur. Door het lichte gewicht, de goede mechanische samendrukbaarheid en de instelbare EMI-afscherming heeft het een groot potentieel om traditionele, stijve metalen afschermingsmaterialen te vervangen.
De poreuze structuur zorgt er met name voor dat het schuimachtige afschermingsmateriaal meervoudige reflecties op invallende elektromagnetische golven vertoont, waardoor het schuim elektromagnetische golven kan absorberen en verzwakken. Er is gerapporteerd dat de poreuze structuur de absorptie van elektromagnetische golven door MXene verbetert.
Vergeleken met vaste materialen heeft de poreuze structuur een betere impedantieaanpassing voor elektromagnetische golven en kan deze ervoor zorgen dat invallende elektromagnetische golven de interne structuur van het afschermingsschuim binnendringen. Daarom moeten EMI-afschermingsmaterialen met een lage reflectiecoëfficiënt en een hoge absorptiecoëfficiënt een goede impedantieaanpassing (lage reflectie) en een hoge meervoudige reflectie hebben. Zo zijn er bijvoorbeeld gelaagde structuren, meerlaagse structuren en isotrope structuren ontwikkeld met hoge EMI SE- en absorptiecoëfficiënten. Over het algemeen vereisen complexe structuren en multicomponenten vaak een meerstapsverwerking en is de mechanische flexibiliteit beperkt.
Het verzilverde polyimideschuim werd bereid door middel van fysisch spuiten en had een dichtheid van 23 kg/m³. Het verzilverde melamineschuim werd bereid door middel van chemische depositie. Het bereide verzilverde melamineschuim heeft een hoge EMI-waarde van 3 dB en een zilvergehalte van 90 gew.%. Daarnaast wordt ook een koper/nikkel-gecoat polymethacrylimide-hybrideschuim en een met goudnanodeeltjes gecoate polymeergebaseerde nanovezel-elektroless platingmethode voorgesteld, die elektromagnetische interferentie afschermt.
Door de inherente interface-mismatch tussen het stijve metaal en het flexibele frame hebben de metalen schuimafschermingsmaterialen die door middel van galvaniseren, chemisch verzinken en fysiek spuiten worden vervaardigd, echter slechte mechanische eigenschappen. Het verbeteren van de verbinding tussen de metaaldeeltjes en het flexibele schuimskelet en het realiseren van metalen schuimafschermingsmaterialen met uitstekende mechanische eigenschappen blijft een uitdaging.
In deze studie stelde de auteur een eenvoudige, eenstaps warmtebehandelingsstrategie voor om lichtgewicht composietschuimmateriaal te bereiden, gecarboniseerd melamine (CMF/rGO/Ag) met een zilver/gereduceerd grafeenoxide coating. Dit materiaal heeft uitstekende mechanische eigenschappen en een uitstekend EMI-afschermend effect (EMI SE). Dankzij de verbeterde interface tussen het composietframe en het zilver vertoonde het CMF/rGO/Ag-schuim een uitstekende structurele stabiliteit na 1000 belastende en ontlastende compressietestcycli. Bovendien bereikte de EMI SE van het schuim 50.6 dB bij een dichtheid van slechts 16 mg cm² g-2 en een extreem laag Ag-gehalte van 1 vol%.
Interessant genoeg resulteerde de samenwerking tussen het poreuze raamwerk en meerdere interfaces in de ongewoon hoge absorptiecoëfficiënt (meer dan 0.5) van het CMF/rGO/Ag-schuim. Het afschermingsmechanisme met hoge absorptiecoëfficiënt van CMF/rGO/Ag-schuim werd verder onderzocht met behulp van eindige-elementenanalyse (FEA). De uitstekende prestaties van CMF/rGO/Ag-schuim op het gebied van near-field EMI-afscherming tonen aan dat CMF/rGO/Ag-schuim met een lage dichtheid en een sterk materiaal grote voordelen en brede toepassingsmogelijkheden biedt als EMI-afschermingsmateriaal voor elektronische verpakkingen.