WO3 ／GF／PDMS力敏／電磁屏蔽結構的抗γ輻照研究*

劉金萍，王瑞榮，李 欣，郭 浩，唐 軍，劉麗雙

（中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引 言

隨著放射醫療和輻照加工等領域以及高集成電子電器設備的快速發展，其所引起的放射性污染及電磁輻射污染對器件性能及人體健康都形成了一定的危害［1，2］。柔性可穿戴器件應用于這種有輻射污染的環境中，會造成器件的性能損傷，極大地影響其力敏效果。因此，探究一種既具有抗伽馬（γ）輻照又具有電磁屏蔽的柔性力敏結構非常重要。

商業上用于電磁屏蔽器件的導電聚合物復合材料［3，4］通常需要至少20 dB的電磁屏蔽效果，要達到這種有效性，其復合材料的電導率要至少達到1 S／m［5］。材料內部的導電網絡通路是影響電磁屏蔽性能的主要因素。研究發現，預先構造三維多孔網絡骨架，如泡沫、海綿、氣凝膠結構，可以使復合材料在低含量填料下具有良好的導電性與電磁屏蔽 效果［6］。Chen Z等人［7］提出了一種通過真空輔助法將聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）回填進入化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）方法制備的石墨烯泡沫（graphene foam，GF）中，制備了一種在低含量下輕質、柔性且具有高電磁屏蔽性能的材料。當該復合材料中石墨烯質量分數為0.8%時，電磁屏蔽效能達到23 dB，且進行1 000次重復彎曲后仍保持穩定的電磁屏蔽效果。對于GF應用在力敏傳感器上，Pang Y 等人［8］利用真空輔助法制備了GF-PDMS 柔性應變傳感器，其靈敏度可達到8.5，是目前GF應變傳感器中報道最高值，可以進行脈搏測試、手指彎曲測試。對于復合輻射屏蔽材料，理論與實踐證明重金屬因其電子數多易于和光子發生碰撞而表現出優秀的射線吸收能力。鎢（W）元素在避免了傳統鉛元素密度大、有毒的局限性上，在γ輻照屏蔽方面具有廣泛的應用前景［9～12］。

基于此，本文制備了一種既具有抗γ輻照又具有電磁屏蔽性能的氧化鎢（WO3）／GF／PDMS 復合力敏結構。通過將WO3粉先混合進柔性PDMS 基底中，制備成WO3／PDMS輻射屏蔽溶液，然后通過真空輔助，將其填進GF空隙中。將復合結構進行不同劑量的γ 輻照，然后對其輻照前后的電磁屏蔽效能、電導率和力敏性能進行了測試分析。結果表明：真空輔助法所制備的WO3／GF／PDMS復合力敏結構，在不同劑量γ 輻照后，其電磁屏蔽效能、電導率與力敏特性（靈敏度和重復穩定性）仍保持較好的電磁屏蔽效果與力敏性能，具有良好的電磁屏蔽和抗γ 輻照的特性。

1 實驗材料

GF購買于江蘇先豐納米有限公司，尺寸大小為5 cm×5 cm，厚度為0.5 mm，CVD 方法制備。WO3粉末購買于清河縣源耀合金制品有限公司，顏色為淡黃色，其粒徑大小為100 nm。PDMS選用硅橡膠。鹽酸溶液購買于福建析標科技，濃度為10%。

2 結構制備

WO3填料具有良好的γ 屏蔽效果，WO3含量越多，其輻照屏蔽性能越好。但由于填料的增多，會導致其加工困難和柔性下降。為了同時兼顧良好的柔性與屏蔽效果，本文選取WO3含量為50%（質量分數，下同）為此次γ屏蔽研究。其具體制備過程如下：首先，在精密電子天平上稱取一定量的WO3粉末。PDMS按主劑與固化劑10：1 的比例進行配比，混合均勻，按PDMS：WO3粉＝1：1 的比例滴入稱好的WO3粉中，制備50%的WO3／PDMS混合溶液。為了使WO3粉末在PDMS基底中混合均勻，將混合溶液中加入乙酸乙酯進行稀釋，超聲細胞粉碎機中進行超聲分散45 min。接著將混合溶液倒入裝有GF 的培養皿中，放入真空箱進行抽真空2 h。將取出后的培養皿放入高溫加熱臺上80 ℃固化1 h。最后將固化好的樣品放入鹽酸溶液中80 ℃下，12 h，腐蝕掉鎳（Ni）泡沫基底，切成實驗中所需尺寸大小。

3 性能測試

為了探究此結構對γ射線的屏蔽性能，分別對4 種樣品進行了不同劑量的輻照實驗。輻照實驗在中國輻射防護研究院進行，輻照源為60Co-γ 射線，射線能量值為1.25 MeV，實驗中使用的最大劑量率為25 Gy／min。將樣品分別置于不同的透明塑料盒中，分別對樣品進行10，50，100，500 kGy不同劑量的輻照實驗。

采用矢量網絡分析儀波導管法［13，14］進行復合結構的電磁屏蔽性能測試，樣品大小為22.9 mm ×10.2 mm，測試頻率波段為8 ～12 GHz（X 波段）。測試前要進行校準，所有樣品厚度均為1 mm。

在復合結構的兩端利用導電銀膠分別外接導線，將復合結構與高精度萬用表連接，進行電導率和不同拉伸程度下的力敏測試。復合結構固定于2 個夾具之間，其中一端固定，一端固定在電動位移平臺上，通過計算機控制電動位移臺的移動來實現對復合材料拉伸的精確控制，拉伸范圍為0%～50%，拉伸速度控制為1 mm／s。高精度萬用表通過USB接口直接將數據傳輸在計算機上，實時記錄了每個樣品在拉伸范圍內的電阻變化。復合結構的電導率［15］計算為k ＝L／RS，其中，L 為長度，S 為橫截面積，R 為電阻。靈敏度［16］計算為G ＝（R -R0）／R0／strain，其中，R0為初始電阻，R為不同應力下電阻值，strain為復合結構的拉伸長度變化量。所有樣品均在同一實驗平臺、同一環境下進行測試。

4 結果分析

圖1（a）為GF的SEM圖像，從圖中可以看出，GF具有良好的三維多孔骨架結構，這種良好的導電網絡結構使得其在較低的石墨烯含量下可具有較高的電導率且具有良好電磁屏蔽效能。圖1（b）為復合結構在20倍物鏡下的光學顯微圖像。WO3／PDMS 混合溶液在真空輔助下很好地流進了GF的空隙中。除去Ni骨架后，復合結構具有良好的柔韌性，可以進行彎曲和拉伸，如圖1（c）所示。

為了探究不同劑量γ輻照后對復合結構電磁屏蔽性能的影響，本文對輻照后的材料分別進行了電磁屏蔽效能測試和電導率測試，結果如圖2所示，其中一個樣品沒有進行輻照測試，作為輻照前后對比。沒有輻照的復合結構的平均電磁屏蔽效能可以達到22.78 dB，電導率可達到12.53 S／m。經過10，50，100，500 kGy 劑量輻照后，其平均電磁屏蔽效能分別達到22.53，22.12，21.52，20.63 dB。500 kGy劑量輻照后，其效能比原來降低9.4%。不同劑量下輻照后復合結構的電導率分別為12.46，12.32，12.11，11.78 S／m，比原來降低了約6.0%。在不同劑量的輻照后，復合結構的電導率與電磁屏蔽效果依舊保持較為穩定的值（＞20 dB，＞1 S／m），說明由WO3在GF 內部的填充對GF內部的導電網絡起到了保護作用，可以起到屏蔽γ輻照的效果。

圖2 不同輻照劑量下復合結構的電磁屏蔽效能和電導率

在輻照過程中，隨著輻照劑量的加大，會導致材料發生輻照降解現象，影響復合結構的力敏特性［17］。為了探究不同劑量γ輻照后對復合結構力敏性能的影響，對不同劑量輻照后復合結構電阻變化率隨應力變化及拉伸重復穩定性進行了測試，結果如圖3 所示。從圖3（a）中可以看出，未輻照前復合結構的靈敏度可達到7.14，隨著輻照劑量的增大，復合結構電阻率隨應變的變化曲線與沒有輻照前基本保持一致。通過200 s內對復合結構的重復拉伸，其依舊保持良好的重復穩定性（圖3（b））。但從圖3（c）中可以看出，隨著劑量增大對材料的降解現象，導致其拉伸最大限度受到影響，500 kGy 輻照劑量下約38%的應力下電阻發生突變。

圖3 復合結構的力敏和重復性測試

5 結 論

本文提出了一種既具有抗γ輻照又具有電磁屏蔽性能的WO3／GF／PDMS復合力敏結構，電磁屏蔽效果主要由內部GF所形成的三維多孔網狀結構來實現，γ屏蔽效果主要由WO3粉所實現。通過將WO3含量為50 %的WO3／PDMS溶液在真空輔助下回填進入GF中來制得復合結構。該復合結構在10，50，100，500 kGy不同劑量的輻照下，其電磁屏蔽效能依舊保持在20 dB以上，電導率保持在12 S／m，滿足基本的商業應用值。力敏性能在不同劑量輻照下仍保持良好的穩定性與重復性。含量50%的WO3粉對GF 內部的導電網絡得到了保護，使得所制備的WO3／GF／PDMS復合結構具有良好的γ屏蔽效果和電磁電磁屏蔽性能，在抗輻照領域中具有很好的應用前景。