金属基柔性透明电磁屏蔽薄膜的设计、制备及特性研究

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近年来,随着电子信息技术的快速发展以及电子设备的过度使用,造成了严重的电磁辐射干扰。不必要的电磁干扰不仅造成电子设备故障,威胁通信设备的信息安全,而且对人体健康产生有害影响,已受到现代社会的密切关注。因此,诸多领域都提出了电磁屏蔽的要求。本文以前沿科技及尖端仪器设备防护需求为导向,针对传统屏蔽材料指标难以协调的瓶颈问题,提出了适应不同应用场景的解决方案,以满足精密光电设备以及飞行器光学窗的电磁屏蔽,综合实现电磁防护材料的高屏蔽效能与高透光率等性能的兼容与一体化设计。本文采用微纳加工技术,将微纳图形化与选择性电沉积相结合,实现电磁屏蔽膜透光性及导电性能的独立调控,获得高透光性、高屏蔽效能兼得的电磁屏蔽膜。基于结构可调的金属网栅,提出了三种类型的高性能柔性透明电磁屏蔽薄膜:自支撑金属网栅电极;银纳米线/金属网栅复合的自支撑电极;双层金属网栅电极,有效突破了现有电磁屏蔽材料透光性以及电磁屏蔽性能之间的矛盾,同时兼具良好的光学成像质量以及机械稳定性。论文的主要研究工作以及结果如下:(1)为解决金属网栅电极柔性及可贴附性不佳的问题,提出并制备了自支撑特性的镍网电极(无衬底)。结合图形化激光直写技术以及选择性金属沉积工艺制备镍网电极,镍网自基版剥离后获得自支撑电磁屏蔽膜。自支撑镍网电磁屏蔽膜无需衬底支撑,从而避免了衬底所带来的一系列影响(透光率一般为92%、工作温度低于150℃、特征厚度为百微米等)。制备的自支撑镍网电磁屏蔽膜具有优良的透光性(92%~94%)、超薄(2.5 μm~6.0 μm)、超轻(0.23 mg/cm2)的材质特点以及优良的柔韧性及机械强度。制备的镍网电极可悬吊起超过其自身重量4000倍的砝码而不会产生损伤,在1~3 mm弯折半径,2000次反复弯折情况下,自支撑镍网的方阻有95%的保持率。同时,微网栅结构可承载一定量的形变,且摒弃了衬底的影响,使镂空的金属网栅可支持近30%的拉伸,为其在复杂场景中的应用提供了可能。(2)为解决金属网栅存在的高级次衍射集中分布的问题,通过研究金属网栅的衍射特性,设计选取了随机排布方式的金属网栅结构。仿真及实验测试结果均表明,随机排布的金属网栅具有均匀的高级次衍射强度分布,良好的衍射分布特性避免了杂散光的集中分布及其对成像质量的影响。此外,在双层网栅叠加复合的情况下,随机排布的网栅结构有效避免了莫尔条纹的产生,具有清晰的宏观视觉效果,可实现高质量的光学成像。(3)针对传统金属网栅电磁屏蔽膜透光率以及屏蔽效能难以协调的问题,本文基于随机结构的金属网栅提出了以下解决方案。1)在保证电极透光率不变即占空比一定的情况下,通过调节镍网电极的纵向厚度以实现屏蔽效能的增加。通过改变金属镍的沉积时间以实现对电极厚度的精准调控,电极厚度由2.5 μm增加到6.0 μm时,镍网电极的屏蔽效能提升4dB,且透光率保持在 92%~93%。2)通过将银纳米线与自支撑镍网复合以增强电极屏蔽效能。引入银纳米线复合之后,复合电磁屏蔽膜的屏蔽效能在整个X波段(8.2~12.4 GHz)产生了显著的提升,由30 dB增至41.5 dB。同时纳米尺度的银纳米线对复合屏蔽膜的线宽几乎不产生影响,透光率高达93%~94%。3)通过双层镍网电极的叠加,以获取较高的电磁屏蔽性能(~80dB)。在同等透光情况下,双层电极较单层电极的屏蔽效能有显著提升(5~9 dB)。换言之,对相同屏蔽效能的双层以及单层镍网电极而言,双层镍网电极具有更为优良的透光性能。此外,增加双层网栅层间距可显著提升电极的屏蔽效能,且不会引起网栅透光率的改变。本论文中提出的自支撑金属网栅电磁屏蔽膜、复合型电磁屏蔽膜以及双层金属网栅电磁屏蔽膜均可实现高透光性、机械稳定性、良好的成像质量以及较高的屏蔽效能,可适用于不同的屏蔽要求及应用场景。
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