پیشرفت های اخیر در زمینه ی خواص محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی برای کامپوزیت های پلیمری انعطاف پذیر تقویت شده با پرکننده کربنی و فلزی: مقاله مروری

رشد سریع و استفاده زیاد از دستگاه های الکترونیکی به افزایش سریع آلودگی های الکترونیک مانند نویز الکترونیکی[1]، تداخل الکترومغناطیسی (EMI)[2] و تداخل فرکانس رادیویی[3] منجر شده است که باعث عملکرد نامناسب دستگاه های الکترونیکی می شود. فلزات و آلیاژهای آن ها می توانند در قالب بهترین مواد محافظ در برابر EMI عمل کنند اما وزن سنگین، قیمت بالا و مقاومت خوردگی پایین آنها کاربردشان را در زمینه ی محافظت EMI محدود کرده است. ظهور کامپوزیت های پلیمری انعطاف پذیر، بخاطر خواص بی نظیر آنها مانند خواص عالی الکتریکی، دی الکتریک، گرمایی، مکانیکی و مغناطیسی که برای سرکوب نویزهای الکترومغناطیسی بسیار سودمند هستند، جایگزین مواد محافظ EMI بر پایه ی فلز و آلیاژ فلز شده است. در این مقاله مروری، کارایی محافظت EMI کامپوزیت های پلیمری انعطاف پذیر متشکل از فلزات و اشکال متنوع نانوپرکننده های کربنی مانند کربن سیاه، نانوالیاف کربنی، نانولوله های کربنی، گرافیت، گرافن، اکسید گرافن، نانوورق های گرافن[4]، نانونوارهای گرافن[5] و نانوصفحات گرافن[6] عمیقاً مورد تحقیق قرار گرفته است.

در این مقاله مروری، روش ها و استراتژی های مختلف برای توسعه ی کامپوزیت های پلیمری سبک و مقرون به صرفه ی تقویت شده با پر کننده های کربنی و پرکننده های فلزی برای کاربردهای محافظت EMI، مورد نقد و بررسی قرار گرفته اند. به علاوه، تمرکز بیشتری بر روی اصلاح مواد کامپوزیتی پلیمری پر شده با کربن و فلز و خواص محافظت EMI آنها برقرار شده است. با توجه به کاربردهای محافظت EMI مطلوب، موجی از کارهای پژوهشی بی وقفه در حال انجام هستند تا کارایی محافظت EMI این مواد کامپوزیتی را افزایش دهند.

مواد محافظت EMI ساخته شده از فلزات معمولاً بخاطر سنگینی، مقاومت خوردگی ضعیف و سختی تنظیم  کارایی محافظت[7] (SE) EMI، مورد ترجیح نیستید. مواد محافظی که به طور کامل از کربن ساخته شده اند نیز بخاطر محدودیت در انعطاف پذیری مکانیکی مورد اعتماد نیستند. از این پس، پلیمرهای خالص (ماتریس پلیمری عایق یا هادی) یا ترکیبات پلیمری مانند PVA، PVDF، PP، PANI، Ppy، PEDOT، PS، PU، PVA/PPy، PVA/PANI و غیره که با یک یا تعداد بیشتری از پرکننده های هادی مانند فلزات، اکسیدهای فلزی و اشکال مختلف کربن مانند CF، CB، گرافیت، گرافن، GO، GNP، GNR و غیره پر شده اند، بهترین داوطلب ها برای کاربردهای محافظت EMI هستند و این امر عمدتاً به سبکی، ضدخوردگی بودن، تخریب زیست محیطی پایین و همچنین امکان پذیری تجاری آنها مربوط است. علاوه بر این، ثابت شده که پرکننده های بر پایه ی کربن که با غلظت های مختلف درون پلیمر قرار داده شده اند، EMI SE عالی ای را نشان می دهند. این انواع کامپوزیت های پلیمری هادی[8] (CPCs) می توانند بدون شک به عنوان مواد محافظ در برابر EMI که سبک و مقرون به صرفه هستند، استفاده شوند تا از دستگاه های الکترونیکی، سلامت بشر و محیط زیست در مقابل مشکلات ناشی از آلودگی های نامطلوب EM محفاظت کنند.

اگرچه برای بهبود هدایت الکتریکی ماتریس های پلیمرهای ذاتاً هادی[9] (ICPs) کارهای زیادی انجام شده است، هنوز مسائل مهم مرتبط با آستانه نفوذ[10] بالا و نسبت ابعادی کمتر خصوصاً برای ماتریس های پلیمری، چالش بزرگی باقی مانده اند که بسیار با اهمیت هستند به توجه زیادی نیاز دارند. بنابراین، به انجام تحقیقات قابل توجهی برای افزایش EMI SE کلی و خواص مکانیکی CPCs نیاز است. پرکننده های کربنی با ساختار نانو که درون ماتریس پلیمری قرار گرفته اند، چالش های بزرگی را برای ساخت درست کامپوزیت های پلیمری ایجاد می کنند که عمدتاً به خاطر پخش ضعیف آنها و همچنین عدم توانایی آنها در اضافه شدن در غلظت های بالا است. این موضوعات مرتبط با پر کننده های بر پایه ی کربن باید حل شوند. اگرچه مقادیر زیادی از پر کننده های هادی در طبیعت در دسترس هستند، دریافته شده که خواص رادیو-الکتریک بیشتر پرکننده های هادی مشابه است و بنابراین متمایز بودن، تنها از پخش این پرکننده های هادی در ماتریس پلیمری ناشی می شود. علاوه براین، EMI SE نانوکامپوزیت های پلیمری که شامل نانوذرات مغناطیسی یا دی الکتریک می شوند مانند مواد پرکننده کاملا به فاکتورهایی مانند آثار تجمع[11]، برهمکنش های بین ذره ای پرکننده های هادی به بررسی های ضروری احتیاج دارند،  تا خواص جذب ماکروویو/حفاظت EMI CPCs را افزایش دهند. بهترین راه حلی که می تواند به حل این موضوعات چالش برانگیز منجر شود شامل تولید مواد محافظتی CPCs با هیبرید پرکننده های هادی (مانند کربن، فلز، نانوذرات مغناطیسی و یا دی الکتریک) که درون ترکیبی از پلیمرهای هادی قرار داده شده اند، می شود. تحقیقات زیادی برای سناریوی فعلی مورد نیاز است تا مواد محافظت EMI توسعه یابند و تمامی مشخصات فنی-تجاری را برآورده کنند و همچنین دوام تجاری بررسی گردد.

مواد CPCs معمولاً در سطح آزمایشگاهی تولید و برای تجاری سازی امتحان شده اند. برای محققین و دانشمندان ضروری است که توجه خود را به مکانیسم سنتز این CPCs ها معطوف کنند تا خواص آنها را برای کاربردهای محافظت EMI به دقت تنظیم کنند. موضوع مهم دیگر برای عطف توجه شایان در محافظت EMI محدوده فرکانسی است که این مواد در قالب مواد محافظ EMI در آن کار می کنند. بدون شک، تعداد زیادی مقاله وجود دارد که مواد CPCs را که منحصراً در محدوده فرکانس پایین و همچنین تنها در محدوده فرکانس محدودی کار می کنند، گزارش کرده اند. بنابراین، کارهای قابل توجهی باید انجام شود تا کارایی این مواد محافظت CPCs افزایش یابد و در محدوده ی فرکانس وسیعی پاسخگو باشد که نیازمند CPCs با چندین عنصر است که تشعشعات EM را در محدوده فرکانس گسترده ای مسدود نمایند. در مورد نانوساختارهای کربنی در قالب مواد پرکننده در ماتریس پلیمری، نیاز به درک درستی از مکانیسم های محافظت EMI، به علت طبیعت گیج کننده ی آنها وجود دارد. هنوز پاسخ روشنی برای فاکتورهای مختلف وجود ندارد تا تصمیم گرفته شود که چرا یک ماده کامپوزیتی خاص، تنها در یک محدوده فرکانس خاص عمل می کند. بنابراین، به تحقیقات و بررسی های سازنده بیشتری برای دستیابی به فهمی بهتر از این معماهای پاسخ داده نشده، نیاز است.

[1] Electronic noise

[2] Electromagnetic interference

[3] Radiofrequency interference

[4] Graphene nanosheets

[5] Graphene nanoribbons

[6] Graphene nanoplatelets

[7] Shielding effectiveness

[8] Conductive polymer composites

[9] Intrinsically conducting polymers

[10] Percolation threshold

[11] Aggregation

محصولات مرتبط

فهرست