在日益互联和无线的世界背景下，电子设备和通信系统的激增导致电磁辐射空前增加。虽然这一进步彻底改变了各行各业并实现了无缝连接，但也引发了人们对潜在健康风险和对敏感电子设备干扰的担忧。在这里，电磁屏蔽作为一项防止有害电磁干扰 (EMI) ^{1 的}关键技术而成为焦点。

图 1. EMI机制 ^1。 

定义

电磁屏蔽是指使用材料或结构来阻挡或减少电子设备或系统发射或接收的电磁辐射。以下是电磁屏蔽的一些常见应用：

1. 电子产品：智能手机、笔记本电脑和平板电脑等电子设备包含可能受电磁干扰 (EMI) 影响的敏感组件。电磁屏蔽通过阻挡或重定向外部电磁辐射来帮助保护这些设备。它确保电子元件正常工作而不受干扰。
2. 医疗设备：在医疗领域，电磁屏蔽对于 MRI 机器、起搏器和除颤器等敏感医疗设备至关重要。屏蔽可防止外部电磁辐射干扰这些设备的准确性和功能，确保它们安全有效地工作。
3. 航空航天：电磁屏蔽在航空航天工业中至关重要。它有助于保护飞机和航天器中的敏感电子系统免受外部电磁干扰，这些干扰可能会破坏通信系统、导航设备和其他关键电子系统。

图 2.航空航天领域不同 EMI 源示意图 ²。

4. 汽车：现代车辆配备了各种电子系统，包括通讯、导航和娱乐系统。电磁屏蔽用于最大限度地减少来自外部电磁辐射源（如无线电信号或电气设备）的干扰，确保这些系统的最佳性能。
5. 电信：电信基础设施（包括蜂窝塔和基站）依靠电磁屏蔽来防止附近电子设备或无线电信号的干扰。屏蔽可确保信号的传输和接收保持清晰且不间断。

值得注意的是，电磁屏蔽可以通过使用不同的材料来实现，例如铜或铝等导电金属，以及专门用于阻挡特定频率的电磁辐射的涂层或复合材料²。

静电纺丝技术用于 EMI

静电纺丝是一种用途广泛的技术，可用于各种应用，包括电磁屏蔽。静电纺丝涉及通过向聚合物溶液施加电场来产生纳米纤维。这些纳米纤维具有较高的表面积与体积比，这使得它们适用于电磁屏蔽应用³。

图 3.静电纺丝过程。

静电纺丝用于电磁屏蔽的方式如下：

可以选择多种导电材料：电纺丝可以将导电材料以纳米纤维的形式沉积下来。导电聚合物（如聚苯胺或聚吡咯）或碳基材料（如碳纳米管或石墨烯）可以电纺成纳米纤维。这些导电纳米纤维可以为电磁辐射的消散或吸收提供有效的途径。

静电纺丝还可用于通过将导电填料（例如金属纳米颗粒或金属涂层纳米颗粒）加入聚合物溶液中来制造复合纳米纤维。这些复合纳米纤维结合了导电填料和聚合物基质的有益特性，增强了电磁屏蔽效果。

静电纺丝工艺允许我们使用分层结构：静电纺丝纳米纤维可以堆叠或组装成多层结构，以提高电磁屏蔽性能。通过交替使用导电和绝缘纳米纤维层，可以形成反射、吸收或消散电磁波的屏障，从而减少电磁波对敏感电子设备的影响。

可以为产品赋予不同的特性。静电纺丝可以控制纳米纤维的直径、排列和成分等特性，因此可以生产定制的屏蔽性能。通过优化这些参数，可以根据特定要求定制电磁屏蔽效果，例如屏蔽特定频率范围或满足特定性能标准。

纳米纤维本身具有柔韧性和轻质的特点，适合集成到柔性或轻质电子设备中。这些纳米纤维可以整合到可穿戴电子设备、柔性电路板或电磁干扰 (EMI) 屏蔽膜中，提供有效的屏蔽，同时保持设备的灵活性和便携性。

应用和示例

静电纺丝纳米纤维因其独特的性能而在电磁屏蔽领域有着广泛的应用。以下是静电纺丝屏蔽应用的一些示例：

1. 电磁干扰 (EMI) 屏蔽膜：电纺纳米纤维可以集成到薄膜或涂层中，以提供 EMI 屏蔽。这些薄膜用于保护电子设备或敏感组件免受外部电磁辐射的影响。电纺纳米纤维形成一道屏障，吸收或反射电磁波，防止干扰。
2. 导电纺织品：静电纺丝可用于在纺织品或织物上生产导电纳米纤维涂层。这些导电涂层为纺织品提供 EMI 屏蔽性能，使其适用于电磁屏蔽服装、RFID 屏蔽织物或可穿戴电子产品中的柔性电路等应用。
3. 透明 EMI 屏蔽膜：电子显示器或触摸屏通常需要透明导电涂层或薄膜。静电纺丝可用于制造透明导电纳米纤维薄膜，这种薄膜可提供 EMI 屏蔽，同时保持光学透明度。这些薄膜可用于智能手机、平板电脑和其他显示设备。
4. 电缆和电线的屏蔽：电纺纳米纤维涂层可应用于电缆和电线，以增强其电磁屏蔽能力。纳米纤维涂层可有效阻挡或重定向电磁辐射，减少电线系统中的串扰和干扰。
5. 包装材料：敏感电子设备或部件的包装材料可能需要电磁屏蔽，以防止运输过程中的损坏或干扰。电纺纳米纤维包装材料可以提供有效的 EMI 屏蔽，以保护封闭的电子设备免受外部电磁辐射。
6. 天线设计：电纺纳米纤维可用于天线的设计和制造，以提高性能。通过将导电纳米纤维（例如碳纳米管或金属涂层纳米纤维）加入天线结构中，可以提高辐射效率，从而实现更好的信号接收和传输。

Kim 等人¹¹发表了一篇有趣的论文 ，重点介绍了一种新型超薄辐射屏蔽纸的开发，该纸的灵感来自大闪蝶翅膀的独特结构。研究人员旨在创造一种轻质且柔韧的材料，可以有效阻挡辐射，同时保持高透明度。

这项研究首先详细检查了 Morpho 蝴蝶的翅膀结构，该结构呈现出独特的微观和纳米级特征层次结构。研究人员利用这种天然结构作为设计用于辐射屏蔽的纳米纤维基材料的蓝图。通过结合实验技术和计算建模，研究人员成功地使用电纺纳米纤维复制了 Morpho 蝴蝶的翅膀结构。这项技术使他们能够创建具有类似层次结构的薄纸状材料。

所制备的纳米纤维基辐射屏蔽纸在阻挡有害辐射方面表现出色。纳米纤维的分层结构有效地分散和衰减了辐射波，提供了高水平的屏蔽效率。

此外，这种纸的超薄特性使其具有高度柔韧性和重量轻的特点，适用于广泛的应用。这种材料的透明度也得到了保留，可以将其集成到可视性至关重要的设备或系统中。

这项研究的成果为开发先进的辐射屏蔽材料带来了巨大的希望。这种仿生方法以大闪蝶的翅膀结构为模型，为设计和制造具有独特性能的创新材料开辟了可能性，可用于各种辐射屏蔽应用。

综上所述，本文成功探索了基于大闪蝶翅膀结构的纳米纤维建模，开发出了具有优异屏蔽性能、柔韧性和透明度的超薄辐射屏蔽纸。该研究凸显了仿生方法在材料设计中的潜力，为未来辐射防护技术的进步铺平了道路¹¹。

这些只是静电纺丝纳米纤维在电磁屏蔽应用中的几个例子。静电纺丝的多功能性使得纳米纤维可以集成到各种形式中，例如薄膜、涂层或复合材料，从而在不同行业和技术中实现有效的电磁屏蔽。

参考

1. Bai, M., Zheng, G., Zhang, L., Ma, S., Yang, X., & Zhang, X. (2017). 一种用于电磁干扰屏蔽的电纺聚合物纳米纤维制备简便方法。材料快报，200，23-26。
2. Jang, WY, Lee, KH, An, SH, Kim, MJ, & Kim, CH (2019)。磁性电纺纳米纤维的制备与表征，以实现高效的电磁干扰屏蔽。复合材料 B 部分：工程，174，106956。
3. Zhang, B., Wang, L., & Yang, J. (2020)。用于电磁干扰屏蔽的电纺纳米纤维增强导电聚合物复合材料。复合材料 A 部分：应用科学与制造，129，105700。
4. Yuan, Y., Zhang, Y., Li, L., Shi, C., Zhang, Y., & Zhang, H. (2019). 电纺聚合物纳米纤维表面装饰金属纳米粒子，可有效屏蔽电磁干扰。聚合物工程与科学，59(7)，1355-1362。
5. 王Y.、杨Z.、王F.、曾Y.、顾Y.、魏Q. (2019)。用于电磁干扰屏蔽的石墨烯基纳米复合材料。小，15(47)，1902621。
6. Nian, Q.、Hu, Y.、Wang, J.、Yao, H.、Jiang, L. 和 Zhang, K. (2020)。一步法制备载有多壁碳纳米管的电纺纳米纤维，用于高性能电磁干扰屏蔽。复合材料科学与技术，189，108015。
7. Chen, H., Zhu, B., Xia, Z., Xu, C., Wu, D., Gu, M., … & Ding, Y. (2018)。基于电纺聚苯胺/多壁碳纳米管/银包覆碳纤维的具有高电磁干扰屏蔽效果的柔性导电纳米复合薄膜。复合材料科学与技术，156，297-306。
8. Wang, J., Chen, H., Sun, X., Ma, M., & Zhang, Y. (2018). 简便制备具有高电磁干扰屏蔽效果的电纺聚丙烯腈/碳纳米管复合纳米纤维。Carbon, 129, 135-142。
9. Quan, B., Liu, W., Jia, Z., Wang, M., Zhou, C., & Song, Y. (2020)。静电纺聚丙烯腈纤维中原位生成银纳米粒子，用于轻质柔性电磁干扰屏蔽。复合材料科学与技术，196，108201。
10. Li, J., Zhang, L., Li, M., Wang, H., Zhang, Y., & Li, J. (2020). 基于电纺 PVDF/CNT/MXene 的轻质、柔韧、高电磁干扰屏蔽效率薄膜。复合材料科学与技术，187，107957。
11. Kim, SC, Byun H. (2022)。通过纳米纤维模拟大青蝶翅膀结构开发超薄辐射屏蔽纸。《科学报告》，12，22532
12. Ji, H., Zhao, R., Zhang, N. 等。轻质柔性电纺聚合物纳米纤维/金属纳米颗粒混合膜，用于高性能电磁干扰屏蔽。NPG Asia Mater 10, 749–760 (2018)