播报：中国科学家成功研发面向6G时代的新型电磁屏蔽材料，可承受500℃/30s的短时热冲击，有望用于6G基站和电子设备
2023-05-06 05:43:04
DeepTech深科技
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很多人用“3G 跟跑，4G 并跑，5G 领跑”来形容中国通信技术的发展。而在 5G 逐渐成熟的当下，全球各国均希望在 6G 技术上能有所突破。 例如，中国在《十四五规划》和《2035 年远景目标纲要》中明确提出“前瞻布局 6G 网络技术储备”，并成立了国家 6G 技术研发推进工作组。 2020 年 10 月，美国联合、和诺基亚等几十家巨头公司成立了“美国 6G 联盟”，旨在促进 6G 领域的研发和部署。 2 021 年，华为进行 6G 网络的全球首次试运营。2022 年 ，日本名古屋大学等研究团队也进行了都市内 6G 通信网的研究尝试。根据市场预计，6G 将在 2030 年左右正式投入社会应用。 通信频段，是 6G 与 5G 的一个重要差异。现有 5G 信号多使用吉赫兹波（GHz）进行通讯，主要包括 2~6GHz 和 24~50GHz 等。 而目前中美日韩等设定的 6G 信号频段，将覆盖高频吉赫兹到太赫兹（THz）波段，例如美国联邦通信委员会（FCC，Federal Communications Commission）设定 95GHz-3THz 频段作为试验频谱，以用于 6G 的研发；日本电报电话公司集团（NTT，Nippon Telegraph & Telephone）已经开发出面 向 6G 的太赫兹射频芯片，实现了峰值 100Gbit/s 的传输速度；韩国公司在 2022 年发布了 6G 频谱愿景白皮书，将重点研究 92-114.25GHz 和 130-174.8GHz 作为 6G 潜在候选频段。 总体来看，6G 信号相比于 5G 波长更短、频率更高。虽然 6G 拥有着种种优势，但其应用仍面临着一些挑战，特别是在支撑其发展的电子信息材料方面。 高速率、大容量的信息传输，将让 6G 手机和基站等随时处于繁忙工作状态，以便接受和发射大量的高频电磁波。 随着设备集成度的愈发高涨，也将带来严重的电磁辐射、电磁干扰和信息泄露等问题。因此，如何实现系统内、系统间的电磁兼容，保证 6G 通讯的可靠性和稳定性将变得至关重要。 目前，市面上已经存在大量的电磁屏蔽材料，但是面向 6G 的电磁屏蔽材料研发依旧处于起步阶段，且仍面临如下几个问题： 首先，现有电磁屏蔽材料大多针对 4G/5G 设备开发，其屏蔽、抗干扰性能大多只能覆盖 GHz 波段，而针对 THz 波的电磁屏蔽材料依旧鲜有研究。因此，如何实现兼具 THz 和 GHz 的宽频段电磁屏蔽性能是需要解决的第一个问题。 其次，6G 技术将完成空、天、地、海的全面覆盖，所以 6G 电子设备的工作场景将被大幅扩大，有望遍及海洋、极地甚至太空。这些严苛的使用环境对 6G 设备、特别是 其内部的电磁屏蔽材料，提出了极高的使用稳定性要求，只有兼具耐高/低温、耐盐雾、耐弯折等多种性能的原材料，才有“资格”参与电磁屏蔽材料的制备。 针对上述问题，南开大学教授团队开展了面向 6G 的新型电磁功能材料研究。 他们利用新型二维材料 MXene，与聚合物进行原位成型，发展出具有集力热电磁等多功能一体化的多频谱兼容电磁屏蔽薄膜。其一，该薄膜对 GHz 和 THz 信号均具有强烈的电磁响应性质，在低厚度下可实现 THz/ GHz 兼容的高屏蔽性能； 其二，MXene 和聚合物间高密度氢键相互作用赋予了复合薄膜优异的机械性能（493MPa）和耐热性； 其三，复合材料具有良好的严苛环境稳定性，在高/低温（-193~250℃）、短时热冲击（500℃/30s）、酸/碱/盐侵蚀等各种恶劣环境下均展现出较好的耐久性，其电磁屏蔽性能和机械性能几乎没有变化。此外，它还集成了出色的焦耳加热性能，输出温度可稳定保持在 225℃。 一是可被用于未来的 6G 基站。目前来看，6G 电磁波信号仍将由基站天线向空间发送。由于 6G 信号波长较短、饶射能力不强，因此需要更多的基站进行密级组网，以满足数据传输的要求。 这些高密度的基站可能会产生部分电磁信号干扰， 所以需要提前布局 6G 基站的电磁屏蔽处理方法。 此外，室外基站的工作环境通常较为恶劣，较长时间的高温、严寒、潮湿和腐蚀性环境，都可能造成电磁屏蔽材料的性能恶化。 而课题组制备的复合薄膜，对于宽频段太赫兹波和吉赫兹波均具有良好的屏蔽性质，并且结构稳定性强，因此有望在 6G 基站上大显身手。 二是可被用于手机等电子设备的电磁屏蔽部件。当下，电子设备的集成化、小型化趋势越来越明显，这也对 6G 手机电磁屏蔽材料提出了更高的要求：一方面，需要其能对宽频段的 6G 信号进行屏蔽；另一方面也需要低厚度、轻质、耐侵蚀等特性。 而课题组制备的复合薄膜不仅电磁屏蔽性质好，而且具有很好的结构稳定性，厚度也仅为 20 微米，很适合作为 6G 手机电磁屏蔽材料，并有望带来良好的社会效益和经济效益。 日前，相关论文以《具有同时太赫兹/千兆赫波屏蔽性能的多功能基于 MXene 的复合薄膜用于未来 6G 通信》（）为题发在 Journal of Materials Chemistry A（IF 14.5）上。Zheng Cheng 是第一作者，担任通讯作者。 图 | 相关论文（来源：Journal of Materials Chemistry A） 据介绍，电磁屏蔽材料是电子信息行业非常关键的材料之一，在保证通信安全、保护人体健康等方面均起着关键作用。 但是，目前发展的电磁屏蔽材料大多局限在某一特定频段，例如 X 波段（8.2-12.4GHz）等。而太赫兹波处于红外与微波之间，是电磁波谱中最晚开发的电磁波段，相关研究和应用仍然处于起步阶段。 所以，面向 6G 的电磁屏蔽研究是非常前沿的研究方向，也具有重要的研究价值和实际应用前景。如前所述，6G 信号将实现“空天地海全覆盖”，其在复杂严苛环境下的使用还面临着巨大挑战，这方面的研究还鲜有报道。 实验室长 期从事碳基电磁屏蔽/吸波材料的研究，2006 年，他们报道了基于单壁碳纳米管的高效电磁屏蔽材料，其屏蔽效能可以达到 50dB，相关论文的引用次数多达 1 283 次 [2]。 2015 年， 该团队率先发展了基于三维石墨烯的宽频雷达隐身材料，实现了吸波强度和有效吸波频段可调 [3]，相关论文同样备受关注并获得 1506 次同行引用。 2018 年，课题组首次报道了具有高效、超宽频太赫兹吸波/屏蔽性能的石墨烯复合材料 [4]。 基于这一系列的前期研究，他们在本次课题里定下了“面向 6G 的多功能电磁屏蔽材料”的探索方向。 经过一番文献调研之后，他们发现 MXene 这种新型二维材料，在 THz 和 GHz 波段均具有较好的电磁响应性质，很适合作为基材来进行研究。 而针对 6G 设备在苛刻环境下的使用需求，该团队认为需要进一步赋予 6G 屏蔽材料“力热电磁综合优异性能”，从而保证其在复杂环境中的服役稳定性、安全性和可靠性。 基于前期成果的积累，他们利用高稳定性的芳香族聚合物（芳香族聚酰胺），对 MXene 进行“纳米包裹”，借此有效阻隔空气、水分等对 MXene 的侵蚀，增强其在复杂环境中的稳定性。 具体来讲，基于“氢键诱导自组装”的设计思想，课题组通过溶液高速剪切的方法，制备出了聚酰胺的乳液，然后与 MXene 进行原位复合。 由于 MXene 与聚酰胺之间存在着高密度的氢键相互作用，这让 MXene 能在材料内部获得良好的分散性，从而让聚合物对 MXene 实现“纳米包 裹”的效果。 随后，借助真空抽滤的方法，他们造出了这种复合薄膜。 造物完毕，并不是科学研究的结束。接下来，还得进行材料性能表征以及机理探索。为此，他们先对材料的力、热、电磁等性质进行测试。 结果发现，与传统电磁屏蔽材料不同，针对太赫兹波和吉赫兹波，这款薄膜均展示出良好的屏蔽性质，并且屏蔽效果远超传统碳材料，这也说明该薄膜是一种多频谱兼容的电磁屏蔽材料，能有效满足 6G 跨频谱、宽频段的信号屏蔽需求。 此外，该团队还注意到复合薄膜的力学性能最高可达 493MPa，远远超过传统的电磁屏蔽材料，这一特点也引起了他们的兴趣。 为了更加深刻地理解背后原因，课题组分析了薄膜的界面应力传导机制，借此发现复合薄膜在拉伸过程中，MXene 和 PA 均产生一定的分子/晶格结构形变，这说明两者界面之间存在着优异的界面应力传递性质，从而能极大提升其力学性能。 对于科学家来说，如果研究方向过于前沿，可能会经历前期不受关注的局面。 坦言：“我们团队自 2016 年开始从事太赫兹电磁屏蔽/吸波材料的相关研究。起初，太赫兹波的相关材料和技术并没有受到足够的重视，而难以产生稳定产生太赫兹波源、缺乏太赫兹波的有效探测手段等，这些都限制了太赫兹技术的发展。” 由于面临诸多困难和挑战，学界有一种观点认为太赫兹技术距离人类还很遥远。恰恰在这一时期，团队针对太赫兹技术进行了充分的调研和分析。 他们发现，尽管太赫兹的材料和技术发展得还不够充分，但是其具有极其巨大的应用潜力，尤其他们意识到太赫兹隐身/屏蔽材料将在航空航天、国防军工、信息安全等方面发挥关键作用。 “因此我们毅然投身于这一领域，并进行了长期的摸索探究。经过多年的发展，如今太赫兹已经成为研究热点之一，我们 多年的努力也逐渐显露出成效。”说。 目前，在太赫兹电磁屏蔽/吸波材料和器件领域，课题组已经发表 20 篇论文（含专利），发展了一系列多频谱兼容的电磁屏蔽/吸波材料，建立了较为完善的太赫兹屏蔽/吸波机理机制， 相关的分析方法和计算方法也受到同行的认可，部分研究成果亦有望获得重要应用。尽管针对太赫兹屏蔽/吸波机理机制的认识已取得了一些进展，但是课题组将尝试发展更为完善的太赫兹波电磁屏蔽模型和机制。 而在材料的性能上，尽管当前已经可以实现某一太赫兹频段的电磁屏蔽/吸波性能，然而要想实现能够覆盖宽频段（0.1-20THz）的太赫兹电磁屏蔽/吸波材料，仍有一些困难等待克服。 针对此，实验室将发展新的材料设计思路、制备手段和成型方法等，加快相关材料和技术的工程化应用研究，以满足未来 6G 通讯等领域的关键需求。 1.C heng, Z., Cao, Y., Wang, R., Liu, X., Fan, F., & Huang, Y.（2023）. Multifunctional MXene-based composite films with simultaneous terahertz/gigahertz wave shielding performance for future 6G communication.Journal of Materials Chemistry A,11（11）, 5593-5605. 2.Nano Lett., 2006, 6, 1141 3.Adv. Mater., 2015, 27, 2049 4.Advanced Functional Materials, 28(2), 1704363 由 DeepTech 携手《麻省理工科技评论》重磅推出的《科技之巅：全球突破性技术创新与未来趋势（20 周年珍藏版）》已开售！点击下方海报可购买图书！！
