CN115093611A - 一种轻质高性能电磁屏蔽材料及其制备方法 - Google Patents

一种轻质高性能电磁屏蔽材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻质电磁屏蔽材料及其制备方法，所述电磁屏蔽材料是以天然高分子材料为基体，以金属纳米线或者纳米颗粒为填料，用冷冻干燥法制备的一种金属纳米线/纳米颗粒&天然高分子气凝胶复合材料，具有机械强度高、接触电阻小、孔隙率高、密度小等优势，在8.2‑12.4GHz波段的电磁屏蔽效率可达89dB以上。本发明的制备方法简单易行、效率高，各项技术参数容易调控，且成本低廉、高效经济，有利于大面积工业化生产，在军用、民用等多个领域都展现出了广阔的应用前景。

Description

一种轻质高性能电磁屏蔽材料及其制备方法
技术领域
本发明一种轻质高性能电磁屏蔽材料及其制备方法，具体涉及一种金属气凝胶基电磁屏蔽材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着电子通信和信息技术的迅速发展，有害的电磁辐射已经变得严重，影响着人类健康、敏感电子设备和系统的正常功能。因此，处理空间中有害的电磁辐射一直是一个被忽视的问题。解决这一问题的主要方法是阻碍电磁波在空间中的传导。高性能电磁干扰屏蔽材料在控制或降低电磁辐射导电性方面起着至关重要的作用。
根据法拉第笼效应，金属基材料，如铜、银及其合金，具有高导电性并能反射电磁波。然而，它们的高密度和环境稳定性差严重限制了它们的进一步发展。导电气凝胶电磁屏蔽材料具有低密度(<120mg·cm-3)、大孔隙率(>90％)和超高比表面积(>1000m2·g-1)的优点。常见的导电填料包括碳纳米管、石墨烯和金属纳米材料。其中，金属纳米材料因其优良的导电性、耐腐蚀性、适用温度范围宽、易在水溶液中处理而备受关注。然而，金属纳米材料稳定性低，形成气凝胶的力学性能较差。天然高分子材料是一种取之不尽的生物聚合物资源，具有热稳定性和气凝胶的化学稳定性，对金属材料有良好的保护作用。
因此，利用柔性导电金属和天然高分子材料制备具有轻质、力学性能以及电磁屏蔽性能优异的气凝胶具有广阔前景。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种轻质高性能电磁屏蔽材料及其制备方法，本发明材料是一种新型气凝胶电磁屏蔽材料，能有效的解决气凝胶材料机械强度差，接触电阻较大等问题。并且本发明方法所制备的气凝胶材料具有优异的自支撑性能和电磁屏蔽性能。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种轻质高性能电磁屏蔽材料，形成金属纳米材料-天然高分子气凝胶复合材料的自支撑结构，金属纳米材料为金属纳米线或者金属纳米颗粒；所述磁屏蔽材料以天然高分子基材作为自支撑结构框架，由天然高分子材料在形成气凝胶的过程中，相互交联形成了多孔结构，构造材料孔道，并在孔道壁表面结合分布金属纳米材料，从而由天然高分子材料和金属纳米材料形成的孔壁分级结构；所述孔道为微米级孔隙，孔道的孔径尺寸为5-25μm，孔隙率不低于95％。
优选地，电磁屏蔽材料的密度≤77mg·cm-3。
优选地，电磁屏蔽材料的拉伸强度不低于0.25MPa，压缩强度不低于1.4MPa。
优选地，电磁屏蔽材料在8.2-12.4GHz波段的电磁屏蔽效率不低于89dB；优选地，电磁屏蔽材料的的电导率≥3000S·m-1。
一种本发明所述轻质高性能电磁屏蔽材料的制备方法，其步骤如下：
步骤1、制备填料分散液：
采用金属纳米材料作为填料，将填料分散在极性溶剂中，得到填料分散溶液，备用；
步骤2、制备原料混合液：
采用天然高分子材料作为基体材料，将基体材料加入到在所述步骤1中制备的填料分散液中，混合震荡，使基体材料完全溶解，并与填料混合均匀，得到填料与天然高分子基材的复合的混合溶液；
步骤3、气凝胶电磁屏蔽复合材料的干燥成型：
将在所述步骤2中制备的混合溶液完全冰冻，然后进行冷冻干燥，得到金属纳米材料-生物高分子气凝胶电磁屏蔽复合材料。
优选地，在所述步骤1中，所述极性溶剂采用水、甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇中的至少一种。
优选地，在所述步骤1中，在所述填料分散液中，金属纳米材料的质量百分比为0.1～30wt.％。进一步优选地，金属纳米材料的质量百分比为0.7～2.0wt.％。进一步优选地，金属纳米材料为银、铜中的至少一种。
优选地，在所述步骤1中，金属纳米线或者金属纳米颗粒的直径不大于500nm。进一步优选地，金属纳米线或者金属纳米颗粒的直径为20～60nm。
优选地，在所述步骤2中，天然高分子材料为纤维素及纤维素的衍生物，所述纤维素及纤维素的衍生物粘度范围在100到4000mPa.s。
进一步优选地，天然高分子材料采用甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、氰乙基纤维素、羟丙基纤维素和羟丙基甲基纤维素中的至少一种。
优选地，在所述步骤2中，填料与基体材料进行震荡混合后，通过静置或者真空抽滤的方法去除混合溶液中的气泡；
优选地，在所述步骤2中，在填料与天然高分子基材的复合的混合溶液中，所述天然高分子材料加入量质量百分比为1～10wt.％。进一步优选地，所述天然高分子材料加入量质量百分比为3～5wt.％。
优选地，在所述步骤3中，对气凝胶电磁屏蔽复合材料进行干燥成型时，将金属块浸入到液氮中预冷，并保持金属块顶端高出液氮液面部分为金属块局部表面；将在所述步骤2中制备的混合溶液倒入到模具中，并使模具置于金属块顶端表面上；待模具中的混合溶液完全冰冻，将上述模具中的凝固材料继续进行冷冻干燥，得到金属纳米材料-生物高分子气凝胶电磁屏蔽复合材料；干燥所需时间根据所制备的电磁屏蔽复合材料的尺寸大小和形状进行设定。
本发明制备得到的金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料，其具有优异的力学性能：拉伸强度不低于0.25MPa，压缩强度不低于1.4MPa；具有较低的密度，不大于77mg·cm-3；具有较高的孔隙率，不大于95％；在8.2-12.4GHz波段电磁屏蔽效率不低于89dB，电导率不低于3000S·m-1。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明提供了一种轻质高性能气凝胶电磁屏蔽材料的制备方法，包括以金属纳米线或者金属纳米颗粒为填料分散在溶液中，以天然高分子材料为基体加入到含有填料的溶液当中，采用冷冻干燥方法，制备一种金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料；所制备的气凝胶材料具有较好的力学性能，较低的密度，较高的孔隙率，以及在8.2-12.4GHz波段优异的电磁屏蔽效果；本发明制备方法简单易行、效率高，各项技术参数容易调控，且成本低廉、高效经济,具有广阔的应用前景；
2.本发明制备的金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料，虽然电阻比纯金属纳米线或者金属纳米颗粒要高，但是由于天然高分子在形成气凝胶的过程中，相互交联形成了有效的多孔结构，且孔壁是由天然高分子材料和金属纳米材料形成的分级结构，使入射的电磁波能够在多孔的结构中多次反射，并由孔壁中的金属纳米材料进行吸收衰减，从而达到更加优异的电磁屏蔽效果；
3.本发明由于天然高分子的存在，金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料其力学性能远大于单纯的金属纳米线或者金属纳米颗粒气凝胶；
4.本发明制备方法简单易行、效率高，各项技术参数容易调控，且成本低廉、高效经济，有利于大面积工业化生产，在军用、民用等多个领域都展现出了广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明优选实施例金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料图。
图2为本发明优选实施例金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料的自支撑状态图。
图3为本发明优选实施例金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料的扫描电镜图。
图4为本发明优选实施例金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料孔壁的扫描电镜图。
图5为本发明优选实施例金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料的压缩性能图。
图6为本发明优选实施例金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料的拉伸性能图。
图7为本发明优选实施例金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料的电磁屏蔽效果图。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明涉及一种金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶电磁屏蔽复合材料的制备方法，本发明的金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料由天然高分子材料和金属纳米线或者金属纳米颗粒组成。所述的生物高分子材料是甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、氰乙基纤维素、羟丙基纤维素和羟丙基甲基纤维素中的一种。具体而言，将生物高分子材料溶解在水中，待完全溶解之后，加入金属纳米线或者金属纳米颗粒的分散液，然后将其震荡混合。将充分混合好的溶液直接倒入模具中，然后将模具放在一块经液氮预冷的圆柱形的金属块上，并保持金属块顶端高出液氮液面，待溶液完全冰冻；将上述样品冷冻干燥12至48小时即获得金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料。
以下，示意性说明本发明的制备金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶电磁屏蔽复合材料的方法。
首先，将一定量的生物高分子材料溶解在水中，然后将已经分散好的金属纳米线或者金属纳米颗粒溶液加入到天然高分子溶液中，通过震荡使其充分混合，然后通过静置或者抽真空的方式将混合溶液中的气泡去除。将处理好的溶液倒入模具当中，在模具整体放入被液氮浸泡的金属块上面，待其凝固，将凝固后的材料整体放入冷冻干燥机当中，冷冻干燥12到48小时，将其取出。金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶电磁屏蔽复合材料制备完成。使用的模具可以是玻璃或者金属制成的。模具形状大小以及厚度可以根据样品大小变化。所述的金属纳米线或者金属纳米颗粒分散液可以由金属纳米线或者金属纳米颗粒与溶剂混合得到，所述金属纳米线或者金属纳米颗粒的直径可以在500nm以内。理论上来说金属纳米线或者金属纳米颗粒的直径越小薄膜的电导率越高，电磁屏蔽效能越大。另外，混合的方式包括但不限于搅拌、震荡、低能超声等。所述溶剂可以为水、甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇等。所述银纳米线溶液的固含量可以为1％～30wt％，优选5～15wt％。所述金属纳米线或者金属纳米颗粒溶液的固含量为1％～30wt％时，金属纳米线或者金属纳米颗粒浓度不高，不会发生严重缠结、聚沉等情况影响金属纳米线或者金属纳米颗粒在天然高分子材料中分布的均匀性。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
在以下实施例中，一种轻质高性能电磁屏蔽材料，形成金属纳米材料-天然高分子气凝胶复合材料的自支撑结构，金属纳米材料为金属纳米线或者金属纳米颗粒；所述磁屏蔽材料以天然高分子基材作为自支撑结构框架，由天然高分子材料在形成气凝胶的过程中，相互交联形成了多孔结构，构造材料孔道，并在孔道壁表面结合分布金属纳米材料，从而由天然高分子材料和金属纳米材料形成的孔壁分级结构；所述孔道为微米级孔隙，孔道的孔径尺寸为5-25μm，孔隙率不低于95％。
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一
在本实施例中，一种轻质高性能电磁屏蔽材料的制备方法，其步骤如下：
步骤1、制备填料分散液：
采用直径为50nm的金属纳米材料Ag NPs作为填料，将填料分散在水中，得到固含量质量百分比为1.4wt.％的Ag NPs分散溶液，备用；
步骤2、制备原料混合液：
采用羟丙基甲基纤维素(HPMC)作为基体材料，将基体材料加入到15mL在所述步骤1中制备的Ag NPs分散液中，使混合液中的羟丙基甲基纤维素质量百分比浓度为5wt.％，然后利用振荡器将混合物震荡4小时，使基体材料完全溶解，并与填料混合均匀，得到Ag NPs/HPMC水溶液；
步骤3、气凝胶电磁屏蔽复合材料的干燥成型：
将在所述步骤2中制备的Ag NPs/HPMC水溶液，用真空泵缓慢抽去腔体中的空气，保持真空度大于-0.08MPa，并维持3分钟。反复重复上述操作3次，以确保抽去溶液中的气泡；然后将Ag NPs/HPMC水溶液倒入液氮预冷的模具中，然后放入到液氮浸渍的金属块上，待其完全凝固；将凝固好的Ag NPs/HPMC放入冷冻干燥机中，24h后取出，得到Ag NPs/HPMC电磁屏蔽气凝胶。如图1所示。
试验测试分析：
将本实施例制备的Ag NPs/HPMC电磁屏蔽气凝胶制作成厚片形的样品模块，放置在矮灌木的树叶上，如图2所示，Ag NPs/HPMC电磁屏蔽气凝胶样品模块虽然尺寸是树叶的4倍以上，厚度更达到树叶的20倍以上，但Ag NPs/HPMC电磁屏蔽气凝胶样品模块并未从树叶上跌落，可知Ag NPs/HPMC电磁屏蔽气凝胶材料非常轻，密度非常小，一片树叶也能支撑AgNPs/HPMC电磁屏蔽气凝胶样品。
将本实施例制备的Ag NPs/HPMC电磁屏蔽气凝胶制作成样品，进行微观观察，图3为本实施例金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料的扫描电镜图。图4为本实施例金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料孔壁的扫描电镜图。可见，本实施例制备的Ag NPs/HPMC电磁屏蔽气凝胶样品内含丰富的孔道，形成立体结构。孔道形成立体结构的有机材料框架，在孔道壁上分布并连接Ag NPs，Ag NPs紧紧贴附在孔道壁表面，即形成空倒壁的加强肋结构，还作为导电材料在基材上进行均匀分布。本实施例所述磁屏蔽材料以天然高分子基材作为自支撑结构框架，由天然高分子材料在形成气凝胶的过程中，相互交联形成了多孔结构，构造材料孔道，并在孔道壁表面结合分布金属纳米材料，从而由天然高分子材料和金属纳米材料形成的孔壁分级结构。
将本实施例制备的Ag NPs/HPMC电磁屏蔽气凝胶制作成样品，进行力学实验，图5为本实施例金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料的压缩性能图。图6为本实施例金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料的拉伸性能图。由图5可知实施例金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料在百分之八十的压缩形变下能产生1.4MPa的抗压强度，由图6可知实施例金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料在百分之十的拉伸形变下能产生0.25MPa的抗拉伸强度。本实施例制备的Ag NPs/HPMC电磁屏蔽气凝胶拉伸强度不低于1.4MPa，压缩强度不低于0.25MPa。
将本实施例制备的Ag NPs/HPMC电磁屏蔽气凝胶制作成样品，进行电磁学实验，图7为本发明优选实施例金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料的电磁屏蔽效果图。由图7可知金属纳米线或者金属纳米颗粒/天然高分子气凝胶复合材料的电磁屏蔽效果高于纯金属线气凝胶以及纯天然高分子材料气凝胶。本实施例制备的Ag NPs/HPMC电磁屏蔽气凝胶在8.2-12.4GHz波段的电磁屏蔽效率不低于89dB，电导率不低于3000S·m-1。
本实施例制备的气凝胶材料机械强度好，接触电阻较小，并且所制备的气凝胶材料具有优异的自支撑性能和电磁屏蔽性能。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种轻质高性能电磁屏蔽材料的制备方法，其步骤如下：
步骤1、制备填料分散液：
采用直径为50nm的金属纳米材料Ag NWs作为填料，将填料分散在水中，得到固含量质量百分比为1.4wt.％的Ag NWs分散溶液，备用；
步骤2、制备原料混合液：
采用羟乙基纤维素(HEC)作为基体材料，将基体材料加入到15mL在所述步骤1中制备的Ag NWs分散液中，使混合液中的羟乙基纤维素质量百分比浓度为5wt.％，然后利用振荡器将混合物震荡4小时，使基体材料完全溶解，并与填料混合均匀，得到Ag NWs/HEC水溶液；
步骤3、气凝胶电磁屏蔽复合材料的干燥成型：
将在所述步骤2中制备的Ag NWs/HEC水溶液，用真空泵缓慢抽去腔体中的空气，保持真空度大于-0.08MPa，并维持3分钟。反复重复上述操作3次，以确保抽去溶液中的气泡；然后将Ag NWs/HEC水溶液倒入液氮预冷的模具中，然后放入到液氮浸渍的金属块上，待其完全凝固；将凝固好的Ag NWs/HEC放入冷冻干燥机中，24h后取出，得到Ag NWs/HEC电磁屏蔽气凝胶。
试验测试分析：
本实施例制备的Ag NWs/HEC电磁屏蔽气凝胶材料非常轻，密度非常小，一片树叶也能支撑Ag NWs/HEC电磁屏蔽气凝胶样品。
本实施例制备的Ag NWs/HEC电磁屏蔽气凝胶内含丰富的孔道，形成立体结构。孔道形成立体结构的有机材料框架，在孔道壁上分布并连接Ag NWs，Ag NWs紧紧贴附在孔道壁表面，即形成空倒壁的加强肋结构，还作为导电材料在基材上进行均匀分布。本实施例所述磁屏蔽材料以天然高分子基材作为自支撑结构框架，由天然高分子材料在形成气凝胶的过程中，相互交联形成了多孔结构，构造材料孔道，并在孔道壁表面结合分布金属纳米材料，从而由天然高分子材料和金属纳米材料形成的孔壁分级结构。
本实施例制备的Ag NWs/HEC电磁屏蔽气凝胶拉伸强度不低于0.21MPa，压缩强度不低于1.1MPa。本实施例制备的Ag NWs/HEC电磁屏蔽气凝胶在8.2-12.4GHz波段的电磁屏蔽效率不低于80dB，电导率不低于2800S·m-1。
本实施例制备的气凝胶材料机械强度好，接触电阻较小，并且所制备的气凝胶材料具有优异的自支撑性能和电磁屏蔽性能。
实施例三
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种轻质高性能电磁屏蔽材料的制备方法，其步骤如下：
步骤1、制备填料分散液：
采用直径为50nm的金属纳米材料Ag NWs作为填料，将填料分散在水中，得到固含量质量百分比为0.7wt.％的Ag NWs分散溶液，备用；
步骤2、制备原料混合液：
采用羟丙基甲基纤维素(HPMC)作为基体材料，将基体材料加入到15mL在所述步骤1中制备的Ag NWs分散液中，使混合液中的羟丙基甲基纤维素质量百分比浓度为5wt.％，然后利用振荡器将混合物震荡4小时，使基体材料完全溶解，并与填料混合均匀，得到Ag NWs/HPMC水溶液；
步骤3、气凝胶电磁屏蔽复合材料的干燥成型：
将在所述步骤2中制备的Ag NWs/HPMC水溶液，用真空泵缓慢抽去腔体中的空气，保持真空度大于-0.08MPa，并维持3分钟。反复重复上述操作3次，以确保抽去溶液中的气泡；然后将Ag NWs/HPMC水溶液倒入液氮预冷的模具中，然后放入到液氮浸渍的金属块上，待其完全凝固；将凝固好的Ag NWs/HPMC放入冷冻干燥机中，24h后取出，得到Ag NWs/HPMC电磁屏蔽气凝胶。
试验测试分析：
本实施例制备的Ag NWs/HPMC电磁屏蔽气凝胶材料非常轻，密度非常小，一片树叶也能支撑Ag NWs/HPMC电磁屏蔽气凝胶样品。
本实施例制备的Ag NWs/HPMC电磁屏蔽气凝胶内含丰富的孔道，形成立体结构。孔道形成立体结构的有机材料框架，在孔道壁上分布并连接Ag NWs，Ag NWs紧紧贴附在孔道壁表面，即形成空倒壁的加强肋结构，还作为导电材料在基材上进行均匀分布。本实施例所述磁屏蔽材料以天然高分子基材作为自支撑结构框架，由天然高分子材料在形成气凝胶的过程中，相互交联形成了多孔结构，构造材料孔道，并在孔道壁表面结合分布金属纳米材料，从而由天然高分子材料和金属纳米材料形成的孔壁分级结构。
本实施例制备的Ag NWs/HPMC电磁屏蔽气凝胶拉伸强度不低于0.23MPa，压缩强度不低于1.0MPa。本实施例制备的Ag NWs/HPMC电磁屏蔽气凝胶在8.2-12.4GHz波段的电磁屏蔽效率不低于50dB，电导率不低于1500S·m-1。
本实施例制备的气凝胶材料机械强度好，接触电阻较小，并且所制备的气凝胶材料具有优异的自支撑性能和电磁屏蔽性能。
实施例四
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种轻质高性能电磁屏蔽材料的制备方法，其步骤如下：
步骤1、制备填料分散液：
采用直径为50nm的金属纳米材料Ag NWs作为填料，将填料分散在水中，得到固含量质量百分比为1.4wt.％的Ag NWs分散溶液，备用；
步骤2、制备原料混合液：
采用羟丙基甲基纤维素(HPMC)作为基体材料，将基体材料加入到15mL在所述步骤1中制备的Ag NWs分散液中，使混合液中的羟丙基甲基纤维素质量百分比浓度为3wt.％，然后利用振荡器将混合物震荡4小时，使基体材料完全溶解，并与填料混合均匀，得到Ag NWs/HPMC水溶液；
步骤3、气凝胶电磁屏蔽复合材料的干燥成型：
将在所述步骤2中制备的Ag NWs/HPMC水溶液，用真空泵缓慢抽去腔体中的空气，保持真空度大于-0.08MPa，并维持3分钟。反复重复上述操作3次，以确保抽去溶液中的气泡；然后将Ag NWs/HPMC水溶液倒入液氮预冷的模具中，然后放入到液氮浸渍的金属块上，待其完全凝固；将凝固好的Ag NWs/HPMC放入冷冻干燥机中，24h后取出，得到Ag NWs/HPMC电磁屏蔽气凝胶。
试验测试分析：
本实施例制备的Ag NWs/HPMC电磁屏蔽气凝胶材料非常轻，密度非常小，一片树叶也能支撑Ag NWs/HPMC电磁屏蔽气凝胶样品。
本实施例制备的Ag NWs/HPMC电磁屏蔽气凝胶内含丰富的孔道，形成立体结构。孔道形成立体结构的有机材料框架，在孔道壁上分布并连接Ag NWs，Ag NWs紧紧贴附在孔道壁表面，即形成空倒壁的加强肋结构，还作为导电材料在基材上进行均匀分布。本实施例所述磁屏蔽材料以天然高分子基材作为自支撑结构框架，由天然高分子材料在形成气凝胶的过程中，相互交联形成了多孔结构，构造材料孔道，并在孔道壁表面结合分布金属纳米材料，从而由天然高分子材料和金属纳米材料形成的孔壁分级结构。
本实施例制备的Ag NWs/HPMC电磁屏蔽气凝胶拉伸强度不低于0.16MPa，压缩强度不低于1.25MPa。本实施例制备的Ag NWs/HPMC电磁屏蔽气凝胶在8.2-12.4GHz波段的电磁屏蔽效率不低于70dB，电导率不低于2600S·m-1。
本实施例制备的气凝胶材料机械强度好，接触电阻较小，并且所制备的气凝胶材料具有优异的自支撑性能和电磁屏蔽性能。
实施例五
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种轻质高性能电磁屏蔽材料的制备方法，其步骤如下：
步骤1、制备填料分散液：
采用直径为60nm的金属纳米材料Cu NWs作为填料，将填料分散在水中，得到固含量质量百分比为2.0wt.％的CuNWs分散溶液，备用；
步骤2、制备原料混合液：
采用羟丙基甲基纤维素(HPMC)作为基体材料，将基体材料加入到15mL在所述步骤1中制备的Cu NWs分散液中，使混合液中的羟丙基甲基纤维素质量百分比浓度为3wt.％，然后利用振荡器将混合物震荡4小时，使基体材料完全溶解，并与填料混合均匀，得到Cu NWs/HPMC水溶液；
步骤3、气凝胶电磁屏蔽复合材料的干燥成型：
将在所述步骤2中制备的CuNWs/HPMC水溶液，用真空泵缓慢抽去腔体中的空气，保持真空度大于-0.08MPa，并维持3分钟。反复重复上述操作3次，以确保抽去溶液中的气泡；然后将CuNWs/HPMC水溶液倒入液氮预冷的模具中，然后放入到液氮浸渍的金属块上，待其完全凝固；将凝固好的Cu NWs/HPMC放入冷冻干燥机中，24h后取出，得到Cu NWs/HPMC电磁屏蔽气凝胶。
试验测试分析：
本实施例制备的Cu NWs/HPMC电磁屏蔽气凝胶材料非常轻，密度非常小，一片树叶也能支撑CuNWs/HPMC电磁屏蔽气凝胶样品。
本实施例制备的Cu NWs/HPMC电磁屏蔽气凝胶内含丰富的孔道，形成立体结构。孔道形成立体结构的有机材料框架，在孔道壁上分布并连接Cu NWs，CuNWs紧紧贴附在孔道壁表面，即形成空倒壁的加强肋结构，还作为导电材料在基材上进行均匀分布。本实施例所述磁屏蔽材料以天然高分子基材作为自支撑结构框架，由天然高分子材料在形成气凝胶的过程中，相互交联形成了多孔结构，构造材料孔道，并在孔道壁表面结合分布金属纳米材料，从而由天然高分子材料和金属纳米材料形成的孔壁分级结构。
本实施例制备的CuNWs/HPMC电磁屏蔽气凝胶拉伸强度不低于0.24MPa，压缩强度不低于1.3MPa。本实施例制备的Cu NWs/HPMC电磁屏蔽气凝胶在8.2-12.4GHz波段的电磁屏蔽效率不低于76dB，电导率不低于2750S·m-1。
本实施例制备的气凝胶材料机械强度好，接触电阻较小，并且所制备的气凝胶材料具有优异的自支撑性能和电磁屏蔽性能。
实施例六
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种轻质高性能电磁屏蔽材料的制备方法，其步骤如下：
步骤1、制备填料分散液：
采用直径为20nm的金属纳米材料Ag NPs作为填料，将填料分散在水中，得到固含量质量百分比为1.0wt.％的Ag NPs分散溶液，备用；
步骤2、制备原料混合液：
采用羟乙基纤维素(HEC)作为基体材料，将基体材料加入到15mL在所述步骤1中制备的Ag NPs分散液中，使混合液中的羟乙基纤维素质量百分比浓度为5wt.％，然后利用振荡器将混合物震荡4小时，使基体材料完全溶解，并与填料混合均匀，得到Ag NPs/HEC水溶液；
步骤3、气凝胶电磁屏蔽复合材料的干燥成型：
将在所述步骤2中制备的Ag NPs/HEC水溶液，用真空泵缓慢抽去腔体中的空气，保持真空度大于-0.08MPa，并维持3分钟。反复重复上述操作3次，以确保抽去溶液中的气泡；然后将Ag NPs/HEC水溶液倒入液氮预冷的模具中，然后放入到液氮浸渍的金属块上，待其完全凝固；将凝固好的Ag NPs/HEC放入冷冻干燥机中，24h后取出，得到Ag NPs/HEC电磁屏蔽气凝胶。
试验测试分析：
本实施例制备的Ag NPs/HEC电磁屏蔽气凝胶材料非常轻，密度非常小，一片树叶也能支撑Ag NPs/HEC电磁屏蔽气凝胶样品。
本实施例制备的Ag NPs/HEC电磁屏蔽气凝胶内含丰富的孔道，形成立体结构。孔道形成立体结构的有机材料框架，在孔道壁上分布并连接Ag NPs，Ag NPs紧紧贴附在孔道壁表面，即形成空倒壁的加强肋结构，还作为导电材料在基材上进行均匀分布。本实施例所述磁屏蔽材料以天然高分子基材作为自支撑结构框架，由天然高分子材料在形成气凝胶的过程中，相互交联形成了多孔结构，构造材料孔道，并在孔道壁表面结合分布金属纳米材料，从而由天然高分子材料和金属纳米材料形成的孔壁分级结构。
本实施例制备的Ag NPs/HEC电磁屏蔽气凝胶拉伸强度不低于0.1MPa，压缩强度不低于0.4MPa。本实施例制备的Ag NPs/HEC电磁屏蔽气凝胶在8.2-12.4GHz波段的电磁屏蔽效率不低于40dB，电导率不低于1300S·m-1。
本实施例制备的气凝胶材料机械强度好，接触电阻较小，并且所制备的气凝胶材料具有优异的自支撑性能和电磁屏蔽性能。
综上所述，本发明上述实施例轻质电磁屏蔽材料是以天然高分子材料为基体，以金属纳米线或者纳米颗粒为填料，用冷冻干燥法制备的一种金属纳米线/纳米颗粒&天然高分子气凝胶复合材料，具有机械强度高、接触电阻小、孔隙率高、密度小等优势，在8.2-12.4GHz波段的电磁屏蔽效率可达89dB以上。本发明上述实施例制备方法简单易行、效率高，各项技术参数容易调控，且成本低廉、高效经济，有利于大面积工业化生产，在军用、民用等多个领域都展现出了广阔的应用前景。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种轻质高性能电磁屏蔽材料，其特征在于：形成了金属纳米材料-天然高分子气凝胶复合材料的自支撑结构，金属纳米材料为金属纳米线或者金属纳米颗粒；所述电磁屏蔽材料以天然高分子基材作为自支撑结构框架；天然高分子材料和金属纳米材料在形成气凝胶的过程中，相互交联形成了多孔结构，构造材料孔道，金属纳米材料分布在孔道壁表面，从而形成了天然高分子材料和金属纳米材料相结合的孔壁分级结构；所述孔道为微米级孔隙，孔道的孔径尺寸为5-25μm，孔隙率不低于95％。
2.根据权利要求1所述轻质高性能电磁屏蔽材料，其特征在于：电磁屏蔽材料的密度≤77mg·cm-3。
3.根据权利要求1所述轻质高性能电磁屏蔽材料，其特征在于：电磁屏蔽材料的拉伸强度不低于0.25MPa，压缩强度不低于1.1MPa。
4.根据权利要求1所述轻质高性能电磁屏蔽材料，其特征在于：电磁屏蔽材料在8.2-12.4GHz波段的电磁屏蔽效率不低于89dB，电导率≥3000S·m-1。
5.一种权利要求1所述轻质高性能电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤1、制备填料分散液：
采用金属纳米材料作为填料，将填料分散在极性溶剂中，得到填料分散溶液，备用；
步骤2、制备原料混合液：
采用天然高分子材料作为基体材料，将基体材料加入到在所述步骤1中制备的填料分散液中，混合震荡，使基体材料完全溶解，并与填料混合均匀，得到填料与天然高分子基材的复合的混合溶液；
步骤3、气凝胶电磁屏蔽复合材料的干燥成型：
将在所述步骤2中制备的混合溶液完全冰冻，然后进行冷冻干燥，得到金属纳米材料-生物高分子气凝胶电磁屏蔽复合材料。
6.根据权利要求5所述轻质高性能电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤1中，所述极性溶剂采用水、甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇中的至少一种；在所述填料分散液中，金属纳米材料的质量百分比为0.1～30wt.％，金属纳米线或者金属纳米颗粒的直径不大于500nm。
7.根据权利要求5所述轻质高性能电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤2中，天然高分子材料为纤维素及纤维素的衍生物，所述纤维素及纤维素的衍生物粘度范围在100到4000mPa.s。
8.根据权利要求7所述轻质高性能电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于：天然高分子材料采用甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、氰乙基纤维素、羟丙基纤维素和羟丙基甲基纤维素中的至少一种。
9.根据权利要求5所述轻质高性能电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤2中，填料与基体材料进行震荡混合后，通过静置或者真空抽滤的方法去除混合溶液中的气泡；在填料与天然高分子基材的复合的混合溶液中，所述天然高分子材料加入量质量百分比为1～10wt.％。
10.根据权利要求5所述轻质高性能电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤3中，对气凝胶电磁屏蔽复合材料进行干燥成型时，将金属块浸入到液氮中预冷，并保持金属块顶端高出液氮液面部分为金属块局部表面；将在所述步骤2中制备的混合溶液倒入到模具中，并使模具置于金属块顶端表面上；待模具中的混合溶液完全冰冻，将上述模具中的凝固材料继续进行冷冻干燥，得到金属纳米材料-生物高分子气凝胶电磁屏蔽复合材料；干燥所需时间根据所制备的电磁屏蔽复合材料的尺寸大小和形状进行设定。
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