电磁辐射不仅会使得高精度的电子器件发生故障和退化,同时还对人们的健康问题存在威胁。因此，高性能电磁屏蔽特性材料的开发和设计就显得格外有意义。
金属和碳基复合材料通常被用于电磁屏蔽领域。然而，高密度的金属材料与电子设备的便携性设计相冲突，从而限制其广泛的实际应用。轻质且高导电的非金属复合材料成为近些年来人们青睐的对象。随着可持续发展需求的日益增长，对材料在环境友好、可循环性和可降解性等方面提出更高的要求。因此，亟需设计一种轻质、符合可持续需求的高导电性电磁屏蔽材料。
天然木材作为一种丰富的生物质资源，其在许多领域表现出优异的可持续应用潜力。同时，轻质和高强度的特点也使其可以通过功能化改性得到高性能的导电材料。近日，马里兰大学胡良兵教授和约翰霍普金斯大学王超教授等以天然木材为基材，通过多孔道的结构设计得到复合导电木质材料，具备杰出的压缩性能、高电磁屏蔽、轻质和可持续特性。
在聚吡咯覆盖后其密度仅为0.12 g·cm-3而电导率达到了39 S m-1，在3.5cm厚度下其电磁屏蔽效能在8-12 GHz达到58 dB。此外，在化学处理后其压缩和拉伸强度分别达到了15.46MPa和20.18MPa，在未来的工程电磁屏蔽领域表现出极大的潜力。该研究成果以“Conductive Wood for High-Performance Structural Electromagnetic Interference Shielding”为题发表在《Chemistry of Materials》上（见文后原文链接）。文章第一作者是马里兰大学博士生甘文涛
受益于水分和离子在木材内部蒸腾和光合作用地启发，作者通过脱除木质素和气相沉积的方法制备结构导电木材，首先用NaClO2去除天然木材中的木质素形成一种有序阵列通道、纤维素和多级孔共存的结构；然后将其浸润到FeCl3溶液中进行吸附；最后将处理后的木材置于吡咯蒸汽中实现聚吡咯的形成和生长，制备得到了结构良好的导电木材。
作者指出存在与木材内部的纳米纤维素表面的大量羟基可以对FeCl3和吡咯分子进行吸附。利用羟基与FeCl3之间的配位作用，纳米纤维的羟基可以作为靶点定向连续的使吡咯分子在其表面进行成核和生长。同时，形成的聚吡咯通过氢键作用可以稳定的存在于木槽内部。通过成分分析和红外表征可以发现化学处理后木质素基本上被完全去除，且聚吡咯覆盖在木质结构的表面。
在未进行化学处理前，天然木材呈现出光滑的木质细胞孔结构。而在去除木质素后，大量的纤维素纳米纤维暴露出来形成粗糙的表面，孔隙率有所增加同时密度减小。作者指出纳米纤维素的生成和细长的通道有利于FeCl3粒子的吸附和沉积，是导电木材制备成功的关键。在天然木材浸润FeCl3溶液后，在其木质孔的内部并未发现明显的FeCl3粒子。同时，由于FeCl3的配位作用，聚吡咯均匀的覆盖在木槽通道的内部，形成了连续的导电通路。
通过对外部、中部和内部的木材表面元素进行EDX分析，可以发现聚吡咯中N元素含量分别达到27at.%，18at.%，14at.%，这主要归结于气体的自由扩散。并且，导电率测试结果则显示三者分别达到39，26，18 S m-1。对其进行电磁屏蔽测试，结果显示7mm厚度通道的导电木材在8-12GHz下达到21-25dB。作者指出其电磁波的衰减以吸收为主，主要通过聚吡咯的电偶机子与电磁波间的相互作用实现。这种细长型的通道使得电磁波在其内部与聚吡咯发生多重反射而被吸收和消耗很难透射出去。并且通过测试可以发现随着厚度由1层增加为5层，其电磁屏蔽能力逐渐提高，最高达到63dB, 从而验证其吸收主导屏蔽机理。
作者从五个方面对本材料以及常见的电磁屏蔽材料进行了对比，表明导电木材呈现出优异的复合性能，具备轻质、可持续特性、高性能力学强度以及良好的导电率和电磁屏蔽性能。对其进行了力学性能表征，作者提出导电木材内部存在的定向纳米纤维的通道结构使其力学强度得到明显改善。与传统的碳化木材相比，在压缩后导电木材可以维持定型而碳化木材转变为碎片。从测试结果发现导电木材的压缩强度和拉伸强度分别达到15.46MPa和20.18MPa，为相应碳化木材的3倍和28倍。同时，其拉伸状态下的断裂伸长率比碳化木材增加了8倍，呈现出良好的韧性。
【总结】
作者以天然木材与基材，通过去除木质素的化学手段得到含有定向纳米纤维的多重通道结构；再通过化学吸附和气相沉积的方法制备了一种高性能的导电材料。与天然木材相比，导电木材具备轻质、高导电率和高电磁屏蔽特性，同时表现出优异的力学性能。该材料满足了工程建设领域所需要的承重功能和电磁屏蔽特性，为发展下一代的结构电磁屏蔽材料提供了新的研究方向。
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