基于微波的碳包覆粉体制备技术应用之一- 电磁屏蔽材料

1. 项目概要:

在众多微波吸收材料中，铁基磁损耗材料具备诸多优点，如饱和磁化率高、制备成本低等。铁磁性纳米粒子兼具纳米材料和磁性金属的高Snoek极限和磁损耗等优点，能在较宽的频段内实现对电磁波的吸收。但铁磁性纳米材料由于磁性较强，在高频处易发生涡流损耗，且团聚现象较严重，影响了其实际应用；而且其密度大、易氧化、微波损耗机理单一等缺点也是限制其进一步应用的重要原因。与铁基磁损耗材料相比，碳基介电损耗材料(如碳纳米管、氧化石墨烯、多孔碳等)在电磁波吸收领域的应用技术也比较成熟。例如，鳞片状的氧化石墨烯(GO)具有诸多优点，如密度小、比表面积大、耐腐蚀性强等，但也有易团聚、微波损耗机理单一等缺点。因此，将铁基磁损耗材料和碳基介电损耗材料进行复合，对于某些碳包覆磁性金属(如Fe，Co，Ni)纳米材料，这种特殊结构有可能按照磁损耗和介电损耗的综合损耗机理在设计新型微波吸收材料中有很好的应用和发展前景。可以取长补短，兼备宽频带、兼容性好、质量小、厚度薄，性质稳定等优点，可以满足未来高性能的吸波应用对材料“薄”、“宽”、“轻”、“强”的综合要求。

    20世纪90年代末，美国宾西法尼亚州立大学的研究人员发现，处于粉末状态的金属能有效吸收微波而实现加热。研究表明，在烧结过程中，材料介电损耗、涡流损耗以及金属粉体颗粒对微波辐射的多次散射都对热效应的产生具有重要作用。导体内部自由电子在外加高频电磁场作用下．高速来回运动产生焦耳热，从内部整体均匀加热和升温。

微波诱导催化反应是将高强短脉冲微波辐射聚焦到含有某种“敏化剂”(如铁磁金属)的固体催化剂床表面上，使某些表面点位选择性地被很快加热至很高温度(例如很容易超过1400℃)。由于微波诱导催化反应的穿透性和选择性及瞬间加热作用，它不会使吸附着的有机层明显升温，却可直接参与催化。

通过微波加热金属颗粒（粉末）或非金属颗粒（粉末），在长链碳氢化合物和/或多环（稠环）芳烃化合物液相（煤焦油等）（掺杂其它适当添加剂）体系中，颗粒表面受微波加热升温，在界面部分进行液相碳化过程甚至气相碳化过程，颗粒（粉末）作为支撑材料或沉积材料，在颗粒表面生成石墨烯或其它石墨相结构。另外微波的非热效应也可在过程中起作用。颗粒（粉末）粒径可在微米级级别也可以在纳米级级别。

与传统烧结相比．微波烧结主要有整体加热、低温快烧、无加热惯性、选择性加热等显著特点 。微波烧结依靠电磁场辐射透材料内部，各部分温差小，材料显微结构得到改善，性能更加优异。而且条件控制方便、简单，使碳结构在金属颗粒表面的沉积过程可控、易控，并且调节方式多样，可以大规模可重复地得到预期的材料结构以及对应的性能。由于高分子材料仅在金属颗粒表面附近被加热，使最后的被包覆的金属颗粒被有效分离，可用于其它用途或与其它材料复合。当选择适合的高分子材料和制备工艺时，可以将碳结构在金属颗粒的包覆以及包覆后金属颗粒与高分子材料体系的再复合制备可以在同一体系下分步完成，或者说分步控制，最终完成，在结构性质简单可控获取和大规模生产制造上优势显著。

2. 项目的意义及必要性:

随着现代高新技术的发展，电磁波引起的电磁干扰（EMI）和电磁兼容（EMC）问题日益严重 ,不但对电子仪器、设备造成干扰与损坏，影响其正常工作作，严重制约我国电子产品和设备的国际竞争力，而且也会污染环境，危害人类健康；另外电磁波泄漏也会危及国家信息安全和军事核心机密的安全。特别是作为新概念武器的电磁脉冲武器已经取得实质性的突破，能对电子仪器设备、电力系统等进行直接打击，造成信息系统等的暂时失效或永久损坏。

因此，探索高效的电磁屏蔽材料，防止电磁波引起的电磁干扰和电磁兼容问题，对于提高电子产品和设备的安全可靠性，提升国际竞争力，防止电磁脉冲武器的打击，确保信息通信系统、网络系统、传输系统、武器平台等的安全畅通均具有重要的意义。

电磁屏蔽的原理是利用屏蔽体对电磁能流进行反射、衰减等作用，使之不能进入到屏蔽区域，从而对电磁波在空间中的传播进行限制。屏蔽体在这个过程中起到了至关重要的作用。

电磁屏蔽材料是一种能够吸收、反射或散射电磁辐射的材料。常见的电磁屏蔽材料包括金属、导电涂层、导电纤维、导电涂料等。这些材料可以用于制造屏蔽罩、屏蔽膜、屏蔽衣等产品，以提供对电磁辐射的屏蔽保护。

我国通信设备、消费电子、汽车电子等行业不断发展，为我国电磁屏蔽材料行业提供了大量的市场需求。而我国电磁屏蔽材料行业起步较晚，电磁屏蔽材料产品种类较多，且分化较为明显，低端电磁屏蔽材料技术难度不高，参与厂商较多，同质性强，  国内供需呈现供大于求的情况；高端电磁屏蔽材料技术壁垒较高，只有少数企业逐渐具备了自主研发和生产中高端产品的能力，可以提供电磁屏蔽应用解决方案，该部分产品国内供不应求，需要依赖于国外领先企业的进口。

3. 前期科研成果水平与国内外技术发展状况:

目前完成了几类粉体的制备和初步化学和形态测试。在应用方面的测试还不充分。需要进行深入研究。

考虑到研究成果的商业价值，已申请一项发明专利并获授权。

4. 研制开发内容及主要技术经济指标:

碳包覆铁磁纳米材料的微波化学催化法制备及应用。

4.1表面生成碳材料的形态及控制条件

表面生成石墨烯还是碳纳米管，如何进行控制。

4.2铁镍钴催化剂作用

4.3微波的作用

4.3.1热作用、电场作用、磁场作用的影响及调控方法

4.3.2其它作用及应用

4.4包覆方式和结构形态

4.4.1是否完全包覆，金属是否暴露

4.4.2网格包覆，是否金属有迁移，甚至单原子或嵌入到碳结构中。

4.4.3其它元素的共包覆，N、S、P

4.5纳米金属颗粒碳包覆时自身结构及性质变化

4.6纳米金属颗粒的熔点变化，合金的偏析，Fe和Ni能否在合金微球制备时偏析沉积在表面

4.7碳包覆铁磁纳米材料的电磁屏蔽性能及其影响因素

4.8基于碳包覆铁磁纳米材料的电磁屏蔽器件研发

4.9基于碳包覆铁磁纳米材料的电磁屏蔽器件产业化

5. 建设内容、规模、地点、期限:

与业内铁磁纳米材料生产厂家合作开发。包括与高校和科研单位的合作，拓展项目发展空间的广度和深度。

其它待定。

6. 项目承担单位概况、所有制性质及主要技术负责人情况：

争取与中国科学院磁性材料与器件重点实验室合作（位于中国科学院宁波材料技术与工程研究所（简称宁波材料所））。

该实验室面向国家和产业的重大需求和世界发展前沿，致力于新型磁性材料和器件的应用基础研究和高技术研发。实验室于2007年开始筹建，2011年通过验收，现任实验室主任为李润伟研究员，学术委员会主任为沈保根院士。

产业方面争取与宁波广新纳米材料有限公司合作。该公司是上市公司江苏博迁新材料股份有限公司的子公司，地处宁波，有地利之便。江苏博迁新材料股份有限公司主要生产用于MLCC的纳米铁磁材料，扩展到电磁屏蔽材料有现实性和可行性。

7. 原材料供应及外部配套条件：

    宁波广新纳米材料有限公司或江苏博迁新材料股份有限公司提供原材料，利用中国科学院磁性材料与器件重点实验室的仪器设备进行制备和测试，包括制品的电磁屏蔽性能测试，以及在此基础上的材料、器件和产品开发。

8. 投资估算与资金筹措：

估计总投资为800 万人民币。

9. 产品的市场前景和经济效益初步分析：

9.1电磁屏蔽材料市场

据BCCResearch统计，全球电磁屏蔽材料市场规模近年来逐步扩大。从2013年的52亿美元增长到2018年的70亿美元，5年内增长了18亿美元，2023年全球电磁屏蔽材料市场规模达到92.5亿美元，预计未来五年将以每年10%的速率增长（财联社2024-05-23 11:55）。

数据来源：观研天下整理

随着我国经济的不断发展及通信设备、消费电子等行业建设推进，我国电磁屏蔽材料行业市场规模不断扩大，2019年我国电磁屏蔽材料行业市场规模为191.31亿元，2023年已经增长至268.13亿元，具体如下：                          资料来源：观研天下数据中心整理

数据来源：观研天下整理

9.2行业供需平衡分析

从行业整体产销量角度来看，我国目前电磁屏蔽材料的产销量处于供略大于求的紧平衡态势，具体表现如下：

资料来源：观研天下数据中心整理

9.3行业细分市场

9.3.1填充复合型电磁屏蔽材料

9.3.2．表面导电型电磁屏蔽材料

9.3.3金属类电磁屏蔽材料

9.3.4本征型导电聚合物电磁屏蔽材料

9.4电磁屏蔽行业PEST描述

电磁屏蔽行业监管政策

10. 项目成果的推广范围和可能性：

电磁功能材料与结构（Electronic Magnetic functional Materials and Structures，简称EMMS）应用于武器装备隐身、电子产品电磁兼容等，隐身性能是武器装备的重要性能之一，而隐身材料是实现隐身性能的关键。电磁功能材料与结构（EMMS）行业的产业链结构通常涵盖了从原材料采购到成品制造和销售的整个价值链。其上游原材料供应商包括提供电磁功能材料所需原材料的供应商，例如金属、合金、绝缘材料、聚合物、陶瓷、稀土等。这些原材料的质量和性能对最终产品的性能有着重要影响，通常需要从矿产资源或化工产品中提炼或加工而来。

11. 其它：