電子元件的高度堆疊為微型電子設備提供了密集計算和通信功能的可能性，但同時也提高了功率密度，增加了對電磁輻射的敏感性，導致信號串擾和熱量積累，限制了設備的性能和壽命。雖然導電薄膜（如金屬、石墨烯、碳納米管和MXene）能屏蔽外部電磁輻射，但難以貼合不規則的電子元件，無法有效解決縫隙中的問題。聚合物基導電粘合劑雖然流動性強，能填充空隙并阻擋電磁干擾，但絕緣措施復雜，阻礙了電子產品的小型化。要解決這一困境，需要一種集成電絕緣、EMI屏蔽和散熱性能的直接灌封材料。然而，由于缺乏相關理論支持，制造具有這些綜合屬性的材料仍具挑戰性。

為了克服這一困境，北京化工大學張好斌教授團隊提出了一種微電容器結構模型，其中包含導電填料作為極板和中間聚合物作為介電層，以開發絕緣電磁干擾屏蔽聚合物復合材料。板中的電子振蕩和介電層中的偶極子極化有助于電磁波的反射和吸收。在此指導下，協同非滲透致密化和介電增強使復合材料能夠結合高電阻率、屏蔽性能和導熱性。其絕緣特性允許直接灌封到組裝組件之間的縫隙中，以解決電磁兼容性和熱量積累問題。相關成果以“Insulating electromagnetic-shielding silicone compound enables direct potting electronics”為題發表在《Science》上，第一作者為北京化工大學周新峰博士。

微電容器模型指導材料設計和優化

作者發現實驗中的EMI屏蔽效能（SE）值普遍高于Simon方程的理論預測（圖1A），這可能歸因于復合材料中的絕緣結構也參與了EMI屏蔽作用。除了導電網絡，材料中的填料和聚合物基體構成了偽平行板微電容器（圖1B、C），這些微電容器通過電磁波耦合來產生屏蔽效應。當導電性降低時，絕緣微電容器逐漸增多，進一步增強屏蔽能力。極板中的電子振蕩和介電層中的偶極子極化相互作用，阻止電磁波傳播，同時將電磁能轉化為熱量。通過增加極板面積、數量和介電常數，可以優化這些微電容器的EMI屏蔽性能（圖1F），為解決電絕緣與EMI屏蔽之間的矛盾提供了新的途徑。

圖 1. 集成絕緣性、EMI 屏蔽和熱導的微電容器模型設計

非滲透致密化

作者研究了液態金屬灌封材料（LMP）的電磁干擾（EMI）屏蔽和導熱性能。通常，導電納米填料需要構建超過趨膚深度的組件來阻擋電磁波，而液態金屬由于其流動性和剪切混合性，可形成大于其趨膚深度的球形微粒。通過引入表面氧化的液態金屬顆粒（o-LM），增強了LMP的微電容器結構，顯著提升了EMI屏蔽效能和熱導率。o-LM減少了顆粒間距，增加了填充率，保持高電阻率，并通過增強微電容器數量及其內部電場，加速了電磁波能量的吸收與反射。最終，優化后的LMPDens在2 mm厚度下的EMI SE達到了18.7 dB，熱導率為2.2 W m^?1 K^?1，性能顯著優于傳統材料（圖2）。

圖 2. 用于優化 EMI SE 和熱導率的非滲透致密化

介電性能優化

作者通過引入BaTiO₃納米顆粒，增強了LMPDens材料的介電性能和導熱能力，形成了新型復合材料LMPFill。BaTiO₃ 納米顆粒主要分布在聚合物基質中，防止了LM顆粒沉降，同時阻礙了電子傳輸，確保材料具有高電阻率（>10¹⁵ ohm?m）。這些納米顆粒還提高了微電容器介電層的介電常數，增加了反向電磁波的強度和反射能力，促進了電磁能到熱能的轉化。LMPFill在X波段2mm處的EMI屏蔽效能（SE）達到了32.5 dB，在厚度6mm時Ka波段更是高達89.5 dB（圖3D），遠超多數導電復合材料。此外，LMPFill展現了4.23 W m^?1 K^?1的高導熱率和1580%的導熱率增強（圖3E），使其兼具電絕緣、EMI屏蔽和導熱三重功能，適用于集成電子設備的直接灌封，且表現優于傳統導電復合材料。

圖 3. 用于提高 EMI SE 和熱導的介電層介電性能優化

電子灌封技術

作者開發了一種基于LMPFill的高效包裝技術，用于解決電子設備中的電磁兼容性(EMC)和熱量積累問題。與傳統的隔室屏蔽不同，LMPFill憑借其絕緣特性和優異的流動性，能夠直接灌封電子組件，避免短路風險，實現無縫密封（圖4A、4B）。LMPFill的流動性和較低粘度使其可以填充EC的間隙，粘附力強，且能顯著降低電磁透射率至<1%（圖4C）。其拉伸性和粘附性使其適用于可穿戴設備等動態應用。通過近場掃描技術驗證，LMPFill在8至20GHz頻率范圍內有效防止電磁干擾（圖4F）。此外，LMPFill具備良好的導熱性，能夠快速傳導熱量，降低主板和CPU溫度（圖4H），并在高溫下保持長期穩定性。其高電擊穿強度確保了在高壓設備中的應用，且剪切混合工藝具備工業擴展潛力。

圖 4. 使用 LMPFill 直接灌封電子器件，以解決 EMC 和積熱問題

小結

本文設計了一種聚合物復合材料中的微電容器結構，利用孤立的液態金屬（LM）顆粒作為極板，基質作為介電層，實現了與傳統屏蔽機制不同的電子振蕩反射和歐姆損耗，以及偶極極化吸收電磁能量。在保持電絕緣的同時，提供了強大的電磁屏蔽效果。通過引入表面氧化的小LM顆粒和高介電BaTiO₃納米顆粒，優化了微電容器與電磁波的相互作用和傳熱性能。此復合材料不僅在NF輻射屏蔽方面表現優異，還能夠直接灌封主板，確保無短路散熱，推動電子設備集成化和小型化發展。

作者簡介

張好斌，北京化工大學教授/博導，國家優秀青年科學基金獲得者。入選2023年全球高被引科學家（Clarivate）、2023年全球前2%頂尖科學家年度科學影響力榜單（Stanford & Elsevier）、2023年全球頂尖科學家（Research.com）、國際科學組織Vebleo協會會士（Vebleo Fellow）。在Adv Mater，Angew Chem Int Ed，Adv Funct Mater和ACS Nano等國際著名期刊發表SCI論文96篇，SCI他引1000次以上1篇、500次以上7 篇，100次以上36篇，ESI高被引論文23 篇，熱點論文9篇，SCI總引用12700余次（Google學術總引用15000多次）。承擔國家優青、面上、JKW173重大項目（課題負責人）和中石化橫向等項目，獲浙江省自然科學二等獎（R4）和河南省自然科學三等獎（R4）。兼聘中國材料研究學會青年工作委員會理事會理事、中國復合材料學會導熱復合材料專業委員會委員、中國化工學會化工新材料專業委員、《物理化學學報》、Wiley出版社《InfoMat》和《Nano-Micro Letters》等雜志青年編委。