随着无线通信和电子设备的普及，电磁污染已成为一个不容忽视的问题，不仅干扰设备正常运行，还可能对人体健康构成威胁。因此，开发高效的电磁防护材料具有重要的现实意义。然而，传统材料往往难以兼顾“轻质”与“高效屏蔽”的性能要求，且主要以反射电磁波为机制，容易引发二次污染。

近年来，超临界二氧化碳（scCO₂）发泡技术展现出独特优势。该技术利用scCO₂在聚合物中的溶解及快速泄压过程，能够形成可控的微孔结构。这种结构在材料内部构建了复杂的损耗路径。

同时，scCO₂发泡技术不仅显著降低材料密度，还通过“气体模板”效应诱导导电或磁性填料在泡孔壁区域发生选择性重排，从而形成高效的损耗网络。

一、超临界二氧化碳发泡技术基础

scCO₂发泡机理过程：首先，发泡剂（scCO₂）在压力作用下溶解并扩散至聚合物基体中，形成均相体系并对聚合物产生塑化作用。随后，快速泄压引发热力学不稳定性，导致相分离与气泡成核。紧接着气体向成核位点迁移并驱动体系体积膨胀；最后，无定形聚合物通过玻璃化转变，或半结晶聚合物通过应力诱导结晶使泡孔结构发生固化，从而将微观结构永久固定。

超临界发泡原理示意图

scCO₂ 独特的分子极性和对聚合物链段的强亲和力能有效塑化聚合物，降低链段运动阻力。虽然超临界氮气扩散性好、成核能力强，但scCO₂在溶解和溶胀性能上更优，可在温和条件下制备泡孔结构精密可控的泡沫，同时保护敏感功能填料不受损伤。

在电磁防护泡沫中，功能填料在多孔基体中的空间分布是决定电磁干扰屏蔽性能的关键因素。发泡过程中，聚合物基体的膨胀会产生复杂流场，主动驱动填料的重新排布。各向异性填料优先定位于泡孔壁和支柱处，在低填料含量下形成高效导电网络。常见的聚合物基体包括MPP、PU、ABS、PS、PC、TPU、PMMA、EVOH、PVDF等。

（a）电磁屏蔽机理示意图；（c）电磁屏蔽泡沫的电磁屏蔽机理示意图

通过调节饱和压力、温度及泄压速率，scCO₂技术既能调控泡孔结构，又能优化填料的分散与取向。多孔结构与有序填料协同作用，通过反射、散射和阻抗匹配增强电磁波耗散，赋予材料优异的屏蔽与吸收性能。因此，scCO₂发泡已成为开发轻质高性能电磁防护泡沫的关键方法。

二、超临界电磁防护泡沫简介

基于主导电磁相互作用机制，scCO₂发泡聚合物复合泡沫材料在功能上可分为两类：

• 以反射和耗散入射辐射为主的电磁干扰屏蔽(EMI SE)材料(用于电子元件隔离)；

• 通过将微波能转化为热能以实现低二次反射和信号隐身的微波吸收(MA)材料。

   

该领域当前研究范式已分化为柔性体系与刚性体系两条技术路径：

• 柔性泡沫研究侧重材料适应性与动态结构调控，致力于通过优化泡孔结构和填料网络实现可调屏蔽/吸收性能，同时确保力学顺应性和加工性。

• 硬质泡沫材料的研发聚焦于结构完整性、多功能集成与环境可持续性三大核心。重点趋势涵盖闭环材料生命周期设计、高温腐蚀环境下稳定性提升，以及面向特殊应用的超低介电性能工程化。

   

在结构层面，柔性泡沫以可变形聚合物基体和可压缩泡孔结构为特征，而刚性泡沫则具有高度交联或高模量聚合物骨架，能维持固定且坚固的孔结构。

性能上，柔性泡沫的独特优势在于其电磁屏蔽效能可通过机械变形主动调控，压缩或拉伸应变会改变导电网络密度与界面接触，从而实现可调屏蔽性能；而刚性泡沫依赖稳定的厚支柱结构，通过内部多重反射和结构完整性提供稳定屏蔽。

应用方面，柔性泡沫专为贴合曲面或运动表面设计(如可穿戴电子器件)，刚性泡沫则用于静态承重外壳。

三、超临界电磁防护泡沫应用方向

1. 柔性泡沫

柔性单层泡沫材料具有优异的可弯曲性和形变恢复能力，主要通过反射机制阻挡电磁波。可应用于可穿戴设备与共形天线等新兴领域，如智能手表、柔性折叠屏、电子皮肤等需要贴合人体或异形表面的设备。

柔性多层泡沫利用多层界面反射效应，材料的电磁干扰屏蔽效能较单层显著提升，主导机制从反射成功转变为吸收。可应用于便携式电子与柔性可穿戴设备，如掌上游戏机、智能夹克等需要兼顾轻量、柔性和一定防辐射需求的产品。

scCO₂基电磁防护泡沫的结构设计与应用综述

2. 刚性泡沫

刚性单层泡沫的研究聚焦于耐高温、高强度和吸收主导型设计。在高性能工程塑料体系中，scCO₂发泡能大幅降低导电渗流阈值，在保持优异热稳定性的同时，使比屏蔽效能获得近八倍的显著提升。主要面向航空航天、5G基站等需要结构支撑的应用领域。

刚性多层/梯度泡沫通过构建“泡沫层（低介电，实现阻抗匹配）/致密层（高导电，强化衰减）”的梯度结构，可最大化电磁波的内部吸收。可应用于5G基础设施与电动汽车硬件，如5G基站、电动汽车动力电池包外壳等，既可支撑电池重量，又可屏蔽复杂电磁环境带来的干扰。

scCO₂发泡技术为开发轻质、吸收主导型电磁防护材料提供了强大平台，成功实现了多孔结构与填料网络的协同优化。然而，从实验室走向工业化仍面临规模化与成本、结构-工艺-性能关联以及可持续性等挑战。

未来，scCO₂发泡技术将继续融合智能响应、自修复等功能，推动电磁防护材料向更智能、更环保、更高性能的方向发展，满足航空航天和下一代电子设备的严苛需求。

来源：西南交通大学