Äskettäin Sun Rong ja muut tutkijat Kiinan tiedeakatemian Shenzhenin edistyneen teknologian instituutista esittivät yksinkertaisen yksivaiheisen lämpökäsittelystrategian kevyiden hopealla/pelkistettyä grafeenioksidia sisältävän hiilestetyn melamiinivaahtomateriaalin (CMF/rGO/Ag) valmistamiseksi. Hiiletetyllä komposiittimelamiinivaahtomateriaalilla oli erinomaiset mekaaniset ominaisuudet ja erinomainen sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) suojausvaikutus (EMI SE).
5G-viestinnän ja älypuhelinten yleistyminen on pahentanut sähkömagneettisten häiriöiden ongelmaa.
Vakava sähkömagneettinen häiriö voi aiheuttaa tietojen menetystä, järjestelmävikoja ja jopa vaarantaa ihmisten terveyden.
Korkean suorituskyvyn omaavien, erittäin matalatiheyksisten ja mekaanisesti joustavien sähkömagneettisten häiriöiden suojausmateriaalien kehittäminen on tehokas tapa estää haitallista sähkömagneettisten aaltojen aiheuttamaa saastumista tai säteilyä.
Perinteisten metallimateriaalien kohdalla johtavuuden parantaminen on aina ollut ensisijainen strategia korkean suorituskyvyn suojausmateriaalien saavuttamiseksi.
Lisäksi uusien nanomateriaalien, kuten grafeenin, hiilinanoputkien ja MXeenin, on raportoitu omaavan korkean EMI-suojauskyvyn.
Nanomateriaalien erittäin joustavan valmistusprosessin ansiosta nämä materiaalit prosessoidaan vaahto- tai kalvomuotoon EMI-suojausta varten. Vaahdotettuun nanomateriaalimuotoon verrattuna tiheät kalvot osoittavat parempaa johtavuutta.
Korkea johtavuus voi suoraan tuottaa korkean EMI SE:n heijastamalla voimakkaasti tulevia sähkömagneettisia aaltoja.
Esimerkiksi erittäin johtavien metallien sähkömagneettisten aaltojen heijastuskerroin on yleensä yli 90 %, mikä tarkoittaa, että 90 % tulevista sähkömagneettisista aalloista heijastuu vapaaseen tilaan.
Heijastuneet sähkömagneettiset aallot voivat myös aiheuttaa vakavaa toissijaista sähkömagneettista säteilysaastetta. Korkean suorituskyvyn omaavien EMI-suojausmateriaalien löytäminen, joilla on alhainen sähkömagneettisten aaltojen heijastuskerroin, on edelleen haasteellista.
Vaahtomuovinen suojausmateriaali koostuu huokoisesta rakenteesta. Keveytensä, hyvän mekaanisen kokoonpuristuvuutensa ja säädettävän EMI-suojauskykynsä ansiosta sillä on suuri potentiaali korvata perinteiset jäykät metalliset suojausmateriaalit.
Erityisesti huokoinen rakenne mahdollistaa vaahtomaisen suojausmateriaalin selkeät moninkertaiset heijastukset tulevista sähkömagneettisista aalloista, jolloin vaahto voi absorboida ja vaimentaa sähkömagneettisia aaltoja. On raportoitu, että huokoinen rakenne parantaa sähkömagneettisten aaltojen absorptiota MXenen avulla.
Kiinteisiin materiaaleihin verrattuna huokoisella rakenteella on parempi sähkömagneettisten aaltojen impedanssin sovituskyky, ja se voi saada tulevat sähkömagneettiset aallot pääsemään suojavaahdon sisäiseen rakenteeseen. Siksi EMI-suojausmateriaaleilla, joilla on alhainen heijastuskerroin ja korkea absorptiokerroin, tulisi olla hyvä impedanssin sovitus (alhainen heijastus) ja korkea moninkertaisen heijastuksen kyky. Esimerkiksi on valmistettu kerrosrakenteita, monikerroksisia rakenteita ja isotrooppisia rakenteita, joilla on korkea EMI-SE ja absorptiokerroin. Yleisesti ottaen monimutkaiset rakenteet ja monikomponenttiset osat vaativat usein monivaiheista prosessointia, ja mekaaninen joustavuus on heikko.
Hopeoitu polyimidivaahto valmistettiin fysikaalisella ruiskutusmenetelmällä, ja sen tiheys oli 23 kg/m3. Hopeoitu melamiinivaahto valmistettiin kemiallisella pinnoituksella. Valmistetun hopeoidun melamiinivaahdon EMI (high SE) on 90 dB ja hopeapitoisuus 63.5 painoprosenttia. Lisäksi esitetään myös kupari/nikkelipäällysteinen polymetakrylimidivaahto ja kulta-nanohiukkaspäällysteinen polymeeripohjainen nanokuitu, joka suojaa sähkömagneettisia häiriöitä.
Jäykän metallin ja joustavan rungon välisen rajapinnan epäsuhdan vuoksi galvanoinnilla, kemiallisella pinnoituksella ja fysikaalisella ruiskutuksella valmistetuilla metallivaahtosuojamateriaaleilla on kuitenkin heikot mekaaniset ominaisuudet. Metallihiukkasten ja joustavan vaahtorungon välisen yhteyden parantaminen ja erinomaisten mekaanisten ominaisuuksien omaavien metallivaahtosuojamateriaalien toteuttaminen on edelleen täynnä haasteita.
Tässä tutkimuksessa kirjoittaja ehdotti yksinkertaista yksivaiheista lämpökäsittelystrategiaa kevyen hopea/pelkistetty grafeenioksidi -päällysteisen hiilestetyn melamiinikomposiittivaahtomateriaalin (CMF/rGO/Ag) valmistamiseksi. Materiaalilla on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet ja erinomainen EMI-suojausvaikutus (EMI SE). Komposiittirungon ja hopean välisen parannetun rajapinnan ansiosta CMF/rGO/Ag-vaahdolla oli erinomainen rakenteellinen stabiilius 1000 kuormitus-puristuskoesyklin jälkeen. Lisäksi vaahdon EMI SE saavutti 50.6 dB:n tiheydellä vain 16 mg cm2 g-1 ja erittäin alhaisella Ag-pitoisuudella 0.09 tilavuusprosenttia.
Mielenkiintoista kyllä, huokoisen rungon ja useiden rajapintojen yhteistyö johti CMF/rGO/Ag-vaahdon epätavallisen korkeaan absorptiokertoimeen (yli 0.5). CMF/rGO/Ag-vaahdon korkean absorptiokertoimen omaavaa suojausmekanismia tutkittiin edelleen elementtimenetelmällä (FEA). CMF/rGO/Ag-vaahdon erinomainen lähikentän EMI-suojauskyky osoittaa, että matalatiheyksisellä, vahvalla CMF/rGO/Ag-vaahdolla on suuria etuja ja laajat sovellusmahdollisuudet EMI-suojausmateriaalina elektroniikkapakkauksissa.