电子元件的高度堆叠为微型电子设备提供了密集计算和通信功能的可能性，但同时也提高了功率密度，增加了对电磁辐射的敏感性，导致信号串扰和热量积累，限制了设备的性能和寿命。虽然导电薄膜（如金属、石墨烯、碳纳米管和MXene）能屏蔽外部电磁辐射，但难以贴合不规则的电子元件，无法有效解决缝隙中的问题。聚合物基导电粘合剂虽然流动性强，能填充空隙并阻挡电磁干扰，但绝缘措施复杂，阻碍了电子产品的小型化。要解决这一困境，需要一种集成电绝缘、EMI屏蔽和散热性能的直接灌封材料。然而，由于缺乏相关理论支持，制造具有这些综合属性的材料仍具挑战性。
为了克服这一困境，北京化工大学张好斌教授团队提出了一种微电容器结构模型，其中包含导电填料作为极板和中间聚合物作为介电层，以开发绝缘电磁干扰屏蔽聚合物复合材料。板中的电子振荡和介电层中的偶极子极化有助于电磁波的反射和吸收。在此指导下，协同非渗透致密化和介电增强使复合材料能够结合高电阻率、屏蔽性能和导热性。其绝缘特性允许直接灌封到组装组件之间的缝隙中，以解决电磁兼容性和热量积累问题。相关成果以“Insulating electromagnetic-shielding silicone compound enables direct potting electronics”为题发表在《Science》上，第一作者为北京化工大学周新峰博士。
作者发现实验中的EMI屏蔽效能（SE）值普遍高于Simon方程的理论预测（图1A），这可能归因于复合材料中的绝缘结构也参与了EMI屏蔽作用。除了导电网络，材料中的填料和聚合物基体构成了伪平行板微电容器（图1B、C），这些微电容器通过电磁波耦合来产生屏蔽效应。当导电性降低时，绝缘微电容器逐渐增多，进一步增强屏蔽能力。极板中的电子振荡和介电层中的偶极子极化相互作用，阻止电磁波传播，同时将电磁能转化为热量。通过增加极板面积、数量和介电常数，可以优化这些微电容器的EMI屏蔽性能（图1F），为解决电绝缘与EMI屏蔽之间的矛盾提供了新的途径。
作者研究了液态金属灌封材料（LMP）的电磁干扰（EMI）屏蔽和导热性能。通常，导电纳米填料需要构建超过趋肤深度的组件来阻挡电磁波，而液态金属由于其流动性和剪切混合性，可形成大于其趋肤深度的球形微粒。通过引入表面氧化的液态金属颗粒（o-LM），增强了LMP的微电容器结构，显著提升了EMI屏蔽效能和热导率。o-LM减少了颗粒间距，增加了填充率，保持高电阻率，并通过增强微电容器数量及其内部电场，加速了电磁波能量的吸收与反射。最终，优化后的LMPDens在2 mm厚度下的EMI SE达到了18.7 dB，热导率为2.2 W m−1 K−1，性能显著优于传统材料（图2）。
作者通过引入BaTiO3纳米颗粒，增强了LMPDens材料的介电性能和导热能力，形成了新型复合材料LMPFill。BaTiO3 纳米颗粒主要分布在聚合物基质中，防止了LM颗粒沉降，同时阻碍了电子传输，确保材料具有高电阻率（1015 ohm∙m）。这些纳米颗粒还提高了微电容器介电层的介电常数，增加了反向电磁波的强度和反射能力，促进了电磁能到热能的转化。LMPFill在X波段2mm处的EMI屏蔽效能（SE）达到了32.5 dB，在厚度6mm时Ka波段更是高达89.5 dB（图3D），远超多数导电复合材料。此外，LMPFill展现了4.23 W m−1 K−1的高导热率和1580%的导热率增强（图3E），使其兼具电绝缘、EMI屏蔽和导热三重功能，适用于集成电子设备的直接灌封，且表现优于传统导电复合材料。
作者开发了一种基于LMPFill的高效包装技术，用于解决电子设备中的电磁兼容性(EMC)和热量积累问题。与传统的隔室屏蔽不同，LMPFill凭借其绝缘特性和优异的流动性，能够直接灌封电子组件，避免短路风险，实现无缝密封（图4A、4B）。LMPFill的流动性和较低粘度使其可以填充EC的间隙，粘附力强，且能显著降低电磁透射率至1%（图4C）。其拉伸性和粘附性使其适用于可穿戴设备等动态应用。通过近场扫描技术验证，LMPFill在8至20GHz频率范围内有效防止电磁干扰（图4F）。此外，LMPFill具备良好的导热性，能够快速传导热量，降低主板和CPU温度（图4H），并在高温下保持长期稳定性。其高电击穿强度确保了在高压设备中的应用，且剪切混合工艺具备工业扩展潜力。
图4 使用 LMPFill 直接灌封电子器件，以解决 EMC 和积热问题
本文设计了一种聚合物复合材料中的微电容器结构，利用孤立的液态金属（LM）颗粒作为极板，基质作为介电层，实现了与传统屏蔽机制不同的电子振荡反射和欧姆损耗，以及偶极极化吸收电磁能量。在保持电绝缘的同时，提供了强大的电磁屏蔽效果。通过引入表面氧化的小LM颗粒和高介电BaTiO3纳米颗粒，优化了微电容器与电磁波的相互作用和传热性能。此复合材料不仅在NF辐射屏蔽方面表现优异，还能够直接灌封主板，确保无短路散热，推动电子设备集成化和小型化发展。
张好斌，北京化工大学教授/博导，国家优秀青年科学基金获得者。入选2023年全球高被引科学家（Clarivate）、2023年全球前2%顶尖科学家年度科学影响力榜单（Stanford & Elsevier）、2023年全球顶尖科学家（、国际科学组织Vebleo协会会士（Vebleo Fellow）。在Adv Mater，Angew Chem Int Ed，Adv Funct Mater和ACS Nano等国际著名期刊发表SCI论文96篇，SCI他引1000次以上1篇、500次以上7 篇，100次以上36篇，ESI高被引论文23 篇，热点论文9篇，SCI总引用12700余次（Google学术总引用15000多次）。承担国家优青、面上、JKW173重大项目（课题负责人）和中石化横向等项目，获浙江省自然科学二等奖（R4）和河南省自然科学三等奖（R4）。兼聘中国材料研究学会青年工作委员会理事会理事、中国复合材料学会导热复合材料专业委员会委员、中国化工学会化工新材料专业委员、《物理化学学报》、Wiley出版社《InfoMat》和《Nano-Micro Letters》等杂志青年编委。
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原标题：《【复材资讯】北京化工大学张好斌教授团队，最新Science！》
