DOI: https://doi.org/10.1186/s11671-025-04419-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41632393
تاريخ النشر: 2026-02-03
المؤلف: Manobalan Subramanian وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة شاملة على التقدم في المواد القائمة على الرغوة لحماية التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) وامتصاص الميكروويف، مدفوعة بالطلب المتزايد على الحلول الخفيفة في التقنيات اللاسلكية. يسلط الضوء على مزايا هياكل الرغوة، مثل كثافتها المنخفضة، ومرونتها، وخصائصها الكهرومغناطيسية القابلة للتعديل، مما يسهل مطابقة المعاوقة الفعالة وتبدد الطاقة من خلال آليات فقدان مختلفة. تسمح تقنيات التصنيع الحديثة، بما في ذلك صب التجمد، والطباعة ثلاثية الأبعاد، وتكوين الرغوة بالهلام، بالتحكم الدقيق في الميزات الميكروهيكلية، مما يمكّن من تخصيص أداء الحماية عبر أنواع الرغوة المختلفة – المعدنية، والكربونية، والبوليمرية، والمركبة، والهجينة.
يقارن الاستعراض بشكل منهجي الفعالية المحددة للحماية (SE) لهذه الأنظمة الرغوية، كاشفًا أن هياكل الرغوة المحسّنة يمكن أن تتفوق على المواد الأكثر كثافة من حيث الوزن، وهو ما يعد مفيدًا بشكل خاص للتطبيقات في الطيران والإلكترونيات المحمولة. يحدد العوامل الرئيسية التي تؤثر على تقليل EMI، مثل شكل المسام، والمسارات الموصلة، والاستقطاب الواجهوي، بينما يتناول أيضًا التحديات مثل النماذج التنبؤية المحدودة والاستقرار الحراري الكيميائي. يقترح المؤلفون اتجاهات البحث المستقبلية التي تركز على الرغوات القابلة للتحلل، والهجائن القابلة للتعديل مغناطيسيًا، والهياكل ذات المعاوقة المتدرجة، مما يضع المواد القائمة على الرغوة كمرشحين واعدين لحلول حماية EMI المستدامة والفعالة.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية القلق المتزايد بشأن التلوث الكهرومغناطيسي بسبب انتشار الأجهزة الإلكترونية وتقنيات الاتصال، مما أدى إلى زيادة الإشعاع الكهرومغناطيسي المحيط. تستلزم هذه الحالة وجود مواد فعالة لحماية التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) وامتصاص الميكروويف (MA) للتخفيف من المخاطر المحتملة على صحة الإنسان والبيئة. يتزايد الطلب على مثل هذه المواد بسبب الاتجاه نحو الأجهزة الأصغر والأخف وزنًا. غالبًا ما تؤكد الأدبيات الموجودة حول دروع EMI القائمة على الرغوة على مواد معينة دون دمج المعالجة، وتصميم الميكروهيكل، والوظائف المتعددة في إطار شامل.
لسد هذه الفجوة، تؤكد الورقة على أهمية التحكم المعماري المدفوع بالتصنيع في تعزيز كفاءة الحماية في الرغوات المسامية. تبرز أن مقاييس الأداء التقليدية، مثل الفعالية المطلقة للحماية (SE)، قد لا تعكس بشكل كافٍ أداء المواد الخفيفة عند تطبيعها حسب الكثافة. يكشف التحليل أن الفعالية المحددة للحماية (SE لكل وحدة كثافة) تختلف بشكل كبير بين أنواع الرغوة، حيث تظهر بعض الرغوات الكربونية والمركبة أداءً استثنائيًا. تهدف المراجعة إلى تقديم تجميع مفصل لـ SE، والكثافة، والمقاييس ذات الصلة لمختلف أنظمة الرغوة، مع التركيز على الرغوات الخفيفة والمسامية لحماية EMI وMA. تفحص تأثير الميزات الميكروهيكلية على الاستجابات الكهربائية، والديالكترونية، والمغناطيسية التي تحدد أداء EMI، خاصة ضمن نطاق تردد X-band (8-12 GHz). بشكل عام، تسعى المراجعة إلى توضيح كيف يمكن أن تؤدي الهياكل الرغوية المصممة خصيصًا إلى تطوير مواد متقدمة لحماية EMI عالية الكفاءة.
الطرق
ت outlines قسم الطرق في الورقة البحثية تقنيات القياس التجريبية لتقييم فعالية حماية التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) باستخدام محللات الشبكة، وخاصة محللات الشبكة القياسية (SNA) ومحللات الشبكة المتجهة (VNA). يُفضل VNA بسبب قدرته على قياس كل من الحجم والطور للإشارات، وهو أمر حاسم لتحديد المعلمات المعقدة مثل السماحية ($\epsilon^*$) والنفاذية ($\mu^*$). هذه المعلمات ضرورية لفهم انتشار الموجات، والامتصاص، والانعكاس في مواد حماية EMI. يقيس VNA معلمات التشتت (معلمات S) التي تتعلق بالانعكاسية (R)، والامتصاص (A)، والنفاذية (T)، مما يسمح بحساب مقاييس فعالية الحماية المختلفة، بما في ذلك الفعالية المعتمدة على الانعكاس ($SE_R$) والفعالية المعتمدة على الامتصاص ($SE_A$).
يناقش القسم أيضًا تصنيف المواد المستخدمة في حماية EMI، مؤكدًا على أهمية الخصائص الجوهرية مثل الموصلية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية. يبرز تطوير مواد خفيفة ومرنة مثل المركبات القائمة على الرغوة، والتي تعتبر مفيدة بشكل خاص للتطبيقات في الإلكترونيات القابلة للارتداء بسبب وزنها المنخفض وارتفاع مساميتها. الهيكل المسامي الفريد لمواد EMI القائمة على الرغوة يغير موصلية الكهرباء والاستقطاب الديالكتروني، مما يؤدي إلى سلوكيات مختلفة للطاقة الكهرومغناطيسية مقارنة بالمواد الأكثر كثافة. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تظهر هذه المواد القائمة على الرغوة خصائص متعددة الوظائف، تجمع بين حماية EMI مع خصائص أخرى مثل القوة الميكانيكية والاستقرار الحراري، والتي تستمد من تركيبها الهيكلي وطرق تصنيعها.
المناقشة
تسلط المناقشة حول حماية التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) الضوء على دورها الحاسم في التخفيف من انتقال الموجات الكهرومغناطيسية الضارة ذات التردد العالي، والتي يمكن أن تعطل الأجهزة الإلكترونية وتشكل مخاطر صحية. يتم تحديد فعالية حماية EMI (SE) من خلال عوامل مختلفة، بما في ذلك المسافة من مصدر الإشعاع، وخصائص المادة، وتردد الموجات الكهرومغناطيسية. تشمل آليات حماية EMI الانعكاس، والامتصاص، والانعكاسات الداخلية المتعددة، مع التعبير عن الفعالية الإجمالية للحماية كـ \( SE_T = SE_R + SE_A \) عندما \( SE_A > 10 \, \text{dB} \). تؤكد الدراسة على أن فعالية المواد الواقية تتأثر بسماكتها، وموصلتها، ونفاذيتها، مع ضرورة استخدام استراتيجيات حماية مختلفة عند الترددات العالية بسبب التفاعلات المتغيرة مع الحقول الكهربائية والمغناطيسية.
تناقش الورقة أيضًا التأثيرات البيولوجية للإشعاع الكهرومغناطيسي (EMR) على صحة الإنسان، مصنفة EMR إلى أنواع مؤينة وغير مؤينة. بينما تشكل الإشعاعات المؤينة مخاطر صحية كبيرة، يُعتبر الإشعاع غير المؤين، السائد في التقنيات اليومية مثل الهواتف المحمولة وWi-Fi، آمنًا عمومًا ضمن حدود التعرض المعتمدة. ومع ذلك، تثار المخاوف بشأن التعرض التراكمي، خاصة عند الأطفال، الذين قد يمتصون مستويات أعلى من EMR. تشير النتائج إلى أن نطاقات التردد المختلفة من EMR يمكن أن تؤدي إلى تأثيرات بيولوجية متنوعة، بما في ذلك التأثيرات العصبية، والقلبية الوعائية، والتناسلية، مما يستدعي استمرار البحث لضمان الحفاظ على معايير السلامة. بشكل عام، تؤكد الورقة على أهمية تطوير مواد حماية EMI متقدمة لحماية كل من الأجهزة الإلكترونية وصحة الإنسان من الآثار الضارة لإشعاع EM.
DOI: https://doi.org/10.1186/s11671-025-04419-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41632393
Publication Date: 2026-02-03
Author(s): Manobalan Subramanian et al.
Primary Topic: Electromagnetic wave absorption materials
Overview
The section provides a comprehensive overview of the advancements in foam-based materials for electromagnetic interference (EMI) shielding and microwave absorption, driven by the increasing demand for lightweight solutions in wireless technologies. It highlights the advantages of foam structures, such as their low density, flexibility, and tunable electromagnetic properties, which facilitate effective impedance matching and energy dissipation through various loss mechanisms. Recent fabrication techniques, including freeze casting, 3D printing, and sol-gel foaming, allow for precise control over microstructural features, enabling customization of shielding performance across different foam types—metal, carbon, polymer, composite, and hybrid.
The review systematically compares the specific shielding effectiveness (SE) of these foam systems, revealing that optimized foam structures can outperform denser materials on a weight basis, which is particularly beneficial for applications in aerospace and portable electronics. It identifies key factors influencing EMI attenuation, such as pore morphology, conductive pathways, and interfacial polarization, while also addressing challenges like limited predictive models and thermochemical stability. The authors propose future research directions focusing on biodegradable foams, magnetically tunable hybrids, and impedance-graded architectures, positioning foam-based materials as promising candidates for sustainable and efficient EMI shielding solutions.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the increasing concern of electromagnetic pollution due to the proliferation of electronic devices and communication technologies, which has led to heightened ambient electromagnetic radiation. This situation necessitates effective electromagnetic interference (EMI) shielding and microwave absorption (MA) materials to mitigate potential risks to human health and the environment. The demand for such materials is amplified by the trend towards smaller and lighter devices. Existing literature on foam-based EMI shields often emphasizes specific materials without integrating processing, microstructural design, and multifunctionality into a comprehensive framework.
To fill this gap, the paper emphasizes the importance of fabrication-driven architectural control in enhancing shielding efficiency in porous foams. It highlights that traditional performance metrics, such as absolute shielding effectiveness (SE), may not adequately reflect the performance of lightweight materials when normalized by density. The analysis reveals that specific shielding effectiveness (SE per unit density) varies significantly among foam types, with certain carbon and composite foams demonstrating exceptional performance. The review aims to provide a detailed compilation of SE, density, and related metrics for various foam systems, focusing on lightweight, porous foams for EMI shielding and MA. It examines the influence of microstructural features on the electrical, dielectric, and magnetic responses that dictate EMI performance, particularly within the X-band frequency range (8-12 GHz). Overall, the review seeks to elucidate how tailored foam architectures can lead to the development of advanced, high-efficiency EMI shielding materials.
Methods
The section on methods in the research paper outlines the experimental measurement techniques for evaluating electromagnetic interference (EMI) shielding effectiveness (SE) using network analyzers, specifically scalar network analyzers (SNA) and vector network analyzers (VNA). The VNA is preferred due to its ability to measure both the magnitude and phase of signals, which is critical for determining complex parameters such as permittivity ($\epsilon^*$) and permeability ($\mu^*$). These parameters are essential for understanding wave propagation, absorption, and reflection in EMI shielding materials. The VNA measures the scattering parameters (S-parameters) that relate to reflectance (R), absorbance (A), and transmittance (T), allowing for the calculation of various shielding effectiveness metrics, including reflection-based ($SE_R$) and absorption-based ($SE_A$) effectiveness.
The section further discusses the classification of materials used in EMI shielding, emphasizing the importance of intrinsic properties like electrical conductivity and magnetic permeability. It highlights the development of lightweight, flexible materials such as foam-based composites, which are particularly advantageous for applications in wearable electronics due to their low weight and high porosity. The unique porous structure of foam-based EMI materials alters their electrical conductivity and dielectric polarization, leading to different electromagnetic energy behaviors compared to denser materials. Additionally, these foam-based materials often exhibit multifunctional attributes, combining EMI shielding with other properties such as mechanical strength and thermal stability, which are derived from their structural composition and fabrication methods.
Discussion
The discussion on electromagnetic interference (EMI) shielding highlights its critical role in mitigating the transmission of harmful high-frequency electromagnetic waves, which can disrupt electronic devices and pose health risks. EMI shielding effectiveness (SE) is determined by various factors, including the distance from the radiation source, the material’s properties, and the frequency of the electromagnetic waves. The mechanisms of EMI shielding involve reflection, absorption, and multiple internal reflections, with total shielding effectiveness expressed as \( SE_T = SE_R + SE_A \) when \( SE_A > 10 \, \text{dB} \). The study emphasizes that the effectiveness of shielding materials is influenced by their thickness, conductivity, and permeability, with higher frequencies necessitating different shielding strategies due to varying interactions with electric and magnetic fields.
The paper also discusses the biological effects of electromagnetic radiation (EMR) on human health, categorizing EMR into ionizing and non-ionizing types. While ionizing radiation poses significant health risks, non-ionizing radiation, prevalent in everyday technologies like mobile phones and Wi-Fi, is generally considered safe under established exposure limits. However, concerns arise regarding cumulative exposure, especially in children, who may absorb higher levels of EMR. The findings indicate that different frequency ranges of EMR can lead to various biological effects, including neurological, cardiovascular, and reproductive impacts, necessitating ongoing research to ensure safety standards are maintained. Overall, the paper underscores the importance of developing advanced EMI shielding materials to protect both electronic devices and human health from the adverse effects of EM radiation.