DOI: https://doi.org/10.20517/ss.2024.66
تاريخ النشر: 2025-01-22
المؤلف: Ruihan Yan وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية
نظرة عامة
يتناول القسم القلق المتزايد بشأن تلوث الموجات الكهرومغناطيسية (EMW) بسبب انتشار الأجهزة الإلكترونية الصغيرة والمتوسطة، مشدداً على الحاجة إلى مواد فعالة لحماية التداخل الكهرومغناطيسي (EMI). تواجه حلول الحماية التقليدية للتداخل الكهرومغناطيسي صعوبة في التعامل مع التشغيل عالي السرعة للأجهزة الإلكترونية، مما يولد حرارة كبيرة ويزيد من مشاكل إدارة الحرارة. يبرز الاستعراض إمكانيات مواد تغيير الطور (PCMs) في تحسين إدارة الحرارة عند دمجها مع مواد حماية التداخل الكهرومغناطيسي المرنة، مما يؤدي إلى تطوير مركبات متعددة الوظائف من EMI ومواد تغيير الطور (PCCs).
تحدد الخاتمة التقدم في مواد حماية التداخل الكهرومغناطيسي المرنة، مشيرة إلى أنه على الرغم من تحقيق تحسينات، لا تزال هناك تحديات في تلبية متطلبات الأجهزة الإلكترونية الحديثة عالية السرعة. تشمل القضايا الرئيسية خطر الهستيريا الحرارية في مواد تغيير الطور تحت التعرض العالي للموجات الكهرومغناطيسية، والحاجة إلى مركبات EMI ذكية تستجيب للمؤثرات البيئية، وأهمية تطوير مواد بخصائص إضافية مثل الكارهية للماء ومقاومة اللهب. يدعو الاستعراض إلى نهج شامل في التصميم، يوازن بين وظائف متعددة في مواد حماية التداخل الكهرومغناطيسي، ويقترح أن التطور المستمر لمركبات EMI المرنة سيعزز بشكل كبير أداء وتطبيق الأجهزة الإلكترونية، مما يحسن في النهاية حياة الإنسان.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القلق المتزايد بشأن كثافة نقل الموجات الكهرومغناطيسية (EMW) بسبب التقدم في الأجهزة الإلكترونية وتكنولوجيا الاتصالات. يشكل هذا الارتفاع في الموجات الكهرومغناطيسية مخاطر مثل التداخل مع العمليات الإلكترونية والمشاكل الصحية المحتملة للبشر، مما يستدعي حلول فعالة لحماية التداخل الكهرومغناطيسي (EMI). تواجه مواد الحماية التقليدية للتداخل الكهرومغناطيسي، التي تتكون أساساً من المعادن، قيوداً في المرونة والكثافة ومقاومة التآكل، مما يدفع إلى استكشاف بدائل خفيفة ومرنة، خاصة البوليمرات. تظهر البوليمرات، خاصة عند دمجها مع مواد مالئة موصلة مثل MXene والمواد القائمة على الكربون، وعداً في تعزيز أداء حماية التداخل الكهرومغناطيسي مع الحفاظ على الخصائص الميكانيكية المرغوبة.
علاوة على ذلك، تؤكد المقدمة على الحاجة إلى مواد لا تحمي فقط من الموجات الكهرومغناطيسية ولكن أيضاً تدير الأداء الحراري، حيث يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى التأثير على وظيفة الأجهزة الإلكترونية. تم تحديد مواد تغيير الطور (PCMs) كمرشحين محتملين لإدارة الحرارة بسبب قدراتها على تخزين الحرارة، على الرغم من وجود تحديات مثل التسرب وانخفاض الموصلية الحرارية. يهدف البحث إلى مراجعة منهجية للتقدمات الأخيرة في مواد حماية التداخل الكهرومغناطيسي المرنة ودمج مواد تغيير الطور، مقترحاً إطاراً لتطوير مركبات تجمع بشكل فعال بين حماية التداخل الكهرومغناطيسي وإدارة الحرارة. كما يناقش آليات تحويل الطاقة من الموجات الكهرومغناطيسية وتبددها، مقدماً رؤى حول اتجاهات البحث المستقبلية والتحديات في هذا المجال.
طرق
يتناول القسم طرقاً متنوعة لتطوير مواد حماية التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) المرنة باستخدام MXenes والمعادن النانوية والمركبات القائمة على الكربون النانوية. تم دمج MXenes، التي تتميز بموصلية كهربائية ممتازة وتعديل سطحي، بشكل فعال في المصفوفات البوليمرية لإنشاء مواد حماية تداخل كهرومغناطيسي خفيفة وقوية. على سبيل المثال، طور زينغ وآخرون مركب بوليميد مغطى بـ MXene حقق فعالية حماية (SE) تبلغ 62.50 ديسيبل، بينما أنتج ليو وآخرون رغوات MXene مسامية بفعالية حماية تبلغ 70.00 ديسيبل، مما يظهر إمكانياتها في الإلكترونيات المرنة والتقنيات القابلة للارتداء.
أظهرت المواد القائمة على المعادن النانوية، وخاصة تلك التي تحتوي على الفضة (Ag) والأسلاك النانوية الفضية (AgNWs)، أيضاً وعداً كبيراً. أفاد شينغ وآخرون عن قماش كربوني مرن/فيلم فضي بموصلية مثيرة للإعجاب تبلغ 11,986.8 S/cm وفعالية حماية تبلغ 102.90 ديسيبل، وذلك بفضل تكوين مسارات موصلة من خلال ترسيب الفضة. بالمثل، أنشأ ليانغ وآخرون فيلم متعدد الوظائف من AgNWs/سليلوز حقق فعالية حماية تبلغ 101 ديسيبل، مما يبرز فعالية دمج المواد عالية الموصلية مع المصفوفات المرنة لتطبيقات حماية التداخل الكهرومغناطيسي.
أخيراً، تم استكشاف المواد القائمة على الكربون النانوية مثل الجرافين وأنابيب الكربون النانوية (CNTs) لخصائصها الكهربائية الفائقة وقوتها الميكانيكية. على سبيل المثال، قام سونغ وآخرون بتخليق هلام كربوني من الجرافين والسليلوز الذي أظهر قدرات ممتازة في حماية التداخل الكهرومغناطيسي بفضل شبكاته الموصلة المزدوجة، بينما استخدم جيا وآخرون مطاط إطارات مستعمل مع CNTs لتحقيق فعالية حماية تبلغ 66.90 ديسيبل. لا تعزز دمج هذه المواد فقط أداء حماية التداخل الكهرومغناطيسي ولكن تدعم أيضاً تطوير أجهزة إلكترونية مرنة ودائمة، مما يبرز إمكانياتها في التطبيقات المستقبلية.
نقاش
يتناول قسم النقاش في ورقة البحث الآليات الأساسية لحماية التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) وتطوير مركبات تغيير الطور المرنة (PCCs). يتم قياس فعالية حماية التداخل الكهرومغناطيسي (SE) من خلال الانعكاس (SE_R)، والامتصاص (SE_A)، والانعكاسات المتعددة (SE_M)، حيث تتأثر الفعالية الإجمالية للحماية (SE_T) بالخسائر العازلة، والتوصيلية، والمغناطيسية. تتضمن الخسارة العازلة تحويل طاقة الموجات الكهرومغناطيسية إلى حرارة من خلال التفاعلات الجزيئية، بينما تُعزى خسارة التوصيل إلى التيارات الدوامية الداخلية الناتجة أثناء انتشار الموجات، والتي تبدد الطاقة كطاقة حرارية. تساهم الخسارة المغناطيسية، المميزة بالهستيريا والتيارات الدوامية، في مزيد من تبدد الطاقة وتعزز عدم تطابق مقاومة المادة، مما يحسن أداء الحماية.
تناقش الورقة أيضاً دمج مواد حماية التداخل الكهرومغناطيسي المرنة مع مواد تغيير الطور لمعالجة قيود الحماية التقليدية القائمة على المعادن، خاصة في سياق تقنيات الاتصالات المتقدمة. من خلال دمج مواد مالئة موصلة مثل MXene والمواد الكربونية في المصفوفات البوليمرية، طور الباحثون مركبات خفيفة ومرنة تظهر كلاً من فعالية حماية التداخل الكهرومغناطيسي وقدرات إدارة الحرارة. تم تصميم هذه المركبات لتخفيف تراكم الحرارة في الأجهزة الإلكترونية، مما يعزز الكفاءة التشغيلية وطول العمر. لا يمنع الاستخدام المبتكر للتغليف الدقيق والهياكل المسامية في PCCs التسرب فحسب، بل يحسن أيضاً الموصلية الحرارية والمرونة الميكانيكية، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات متنوعة، بما في ذلك حلول إدارة الحرارة القابلة للارتداء والعلاج الحراري الطبي.
DOI: https://doi.org/10.20517/ss.2024.66
Publication Date: 2025-01-22
Author(s): Ruihan Yan et al.
Primary Topic: Electromagnetic wave absorption materials
Overview
The section discusses the growing concern of electromagnetic wave (EMW) pollution due to the proliferation of small and medium-sized electronic devices, highlighting the need for effective electromagnetic interference (EMI) shielding materials. Traditional EMI shielding solutions struggle to cope with the high-speed operation of electronic devices, which generates significant heat and exacerbates thermal management issues. The review emphasizes the potential of phase change materials (PCMs) in enhancing thermal management when integrated with flexible EMI shielding materials, leading to the development of multifunctional EMI phase change composites (PCCs).
The conclusion outlines the advancements in flexible EMI shielding materials, noting that while improvements have been made, challenges remain in addressing the demands of modern high-speed electronic devices. Key issues include the risk of thermal hysteresis in PCMs under high EMW exposure, the need for intelligent EMI composites that respond to environmental stimuli, and the importance of developing materials with additional properties such as hydrophobicity and flame retardancy. The review advocates for a holistic approach to design, balancing multiple functionalities in EMI shielding materials, and suggests that the ongoing evolution of flexible EMI PCCs will significantly enhance the performance and application of electronic devices, ultimately improving human life.
Introduction
The introduction highlights the growing concern over electromagnetic wave (EMW) transmission density due to advancements in electronic devices and communication technology. This increase in EMWs poses risks such as interference with electronic operations and potential health issues for humans, necessitating effective electromagnetic interference (EMI) shielding solutions. Traditional EMI shielding materials, primarily metals, face limitations in flexibility, density, and corrosion resistance, prompting the exploration of lightweight and flexible alternatives, particularly polymers. Polymers, especially when combined with conductive fillers like MXene and carbon-based materials, show promise for enhancing EMI shielding performance while maintaining desirable mechanical properties.
Furthermore, the introduction emphasizes the need for materials that not only shield against EMWs but also manage thermal performance, as overheating can compromise electronic device functionality. Phase change materials (PCMs) are identified as potential candidates for thermal management due to their thermal storage capabilities, although challenges such as leakage and low thermal conductivity remain. The paper aims to systematically review recent advancements in flexible EMI shielding materials and the integration of PCMs, proposing a framework for developing composites that effectively combine EMI shielding with thermal management. It also discusses the mechanisms of EMW energy conversion and dissipation, offering insights into future research directions and challenges in the field.
Methods
The section discusses various methods for developing flexible electromagnetic interference (EMI) shielding materials utilizing MXenes, nanometals, and nanocarbon-based composites. MXenes, characterized by their excellent electrical conductivity and surface functionalization, have been effectively integrated into polymeric matrices to create lightweight and robust EMI shielding materials. For instance, Zeng et al. developed a MXene-coated polyimide composite that achieved a shielding effectiveness (SE) of 62.50 dB, while Liu et al. produced porous MXene foams with an SE of 70.00 dB, demonstrating their potential in flexible electronics and wearable technologies.
Nanometal-based materials, particularly those incorporating silver (Ag) and silver nanowires (AgNWs), have also shown significant promise. Xing et al. reported a flexible carbon fabric/Ag film with an impressive conductivity of 11,986.8 S/cm and an SE of 102.90 dB, attributed to the formation of conductive pathways through Ag deposition. Similarly, Liang et al. created a multifunctional AgNWs/cellulose film that achieved an SE of 101 dB, highlighting the effectiveness of combining high-conductivity materials with flexible matrices for EMI shielding applications.
Lastly, nanocarbon materials such as graphene and carbon nanotubes (CNTs) have been explored for their superior electrical properties and mechanical strength. For example, Song et al. synthesized a cellulose graphene carbon aerogel that exhibited excellent EMI shielding capabilities due to its dual conductive networks, while Jia et al. utilized waste tire rubber combined with CNTs to achieve an SE of 66.90 dB. The integration of these materials not only enhances EMI shielding performance but also supports the development of flexible and durable electronic devices, underscoring their potential in future applications.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the fundamental mechanisms of electromagnetic interference (EMI) shielding and the development of flexible phase change composites (PCCs). EMI shielding effectiveness (SE) is quantified through reflection (SE_R), absorption (SE_A), and multiple reflections (SE_M), with the total shielding effectiveness (SE_T) being influenced by dielectric, conduction, and magnetic losses. Dielectric loss involves the conversion of electromagnetic wave energy into heat through molecular interactions, while conduction loss is attributed to the internal eddy currents generated during wave propagation, which dissipate energy as thermal energy. Magnetic loss, characterized by hysteresis and eddy currents, further contributes to energy dissipation and enhances the material’s impedance mismatch, thereby improving shielding performance.
The paper also discusses the integration of flexible EMI shielding materials with phase change materials to address the limitations of traditional metal-based shielding, particularly in the context of advanced communication technologies. By incorporating conductive fillers such as MXene and carbon materials into polymer matrices, researchers have developed lightweight, flexible composites that exhibit both effective EMI shielding and thermal management capabilities. These composites are designed to mitigate heat accumulation in electronic devices, thereby enhancing operational efficiency and longevity. The innovative use of microencapsulation and porous scaffolds in PCCs not only prevents leakage but also improves thermal conductivity and mechanical flexibility, making them suitable for diverse applications, including wearable thermal management solutions and medical thermotherapy.