WO3 ／GF／PDMS力敏／电磁屏蔽结构的抗γ辐照研究*

刘金萍，王瑞荣，李 欣，郭 浩，唐 军，刘丽双

（中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

0 引 言

随着放射医疗和辐照加工等领域以及高集成电子电器设备的快速发展，其所引起的放射性污染及电磁辐射污染对器件性能及人体健康都形成了一定的危害［1，2］。柔性可穿戴器件应用于这种有辐射污染的环境中，会造成器件的性能损伤，极大地影响其力敏效果。因此，探究一种既具有抗伽马（γ）辐照又具有电磁屏蔽的柔性力敏结构非常重要。

商业上用于电磁屏蔽器件的导电聚合物复合材料［3，4］通常需要至少20 dB的电磁屏蔽效果，要达到这种有效性，其复合材料的电导率要至少达到1 S／m［5］。材料内部的导电网络通路是影响电磁屏蔽性能的主要因素。研究发现，预先构造三维多孔网络骨架，如泡沫、海绵、气凝胶结构，可以使复合材料在低含量填料下具有良好的导电性与电磁屏蔽 效果［6］。Chen Z等人［7］提出了一种通过真空辅助法将聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）回填进入化学气相沉积（chemical vapor deposition，CVD）方法制备的石墨烯泡沫（graphene foam，GF）中，制备了一种在低含量下轻质、柔性且具有高电磁屏蔽性能的材料。当该复合材料中石墨烯质量分数为0.8%时，电磁屏蔽效能达到23 dB，且进行1 000次重复弯曲后仍保持稳定的电磁屏蔽效果。对于GF应用在力敏传感器上，Pang Y 等人［8］利用真空辅助法制备了GF-PDMS 柔性应变传感器，其灵敏度可达到8.5，是目前GF应变传感器中报道最高值，可以进行脉搏测试、手指弯曲测试。对于复合辐射屏蔽材料，理论与实践证明重金属因其电子数多易于和光子发生碰撞而表现出优秀的射线吸收能力。钨（W）元素在避免了传统铅元素密度大、有毒的局限性上，在γ辐照屏蔽方面具有广泛的应用前景［9～12］。

基于此，本文制备了一种既具有抗γ辐照又具有电磁屏蔽性能的氧化钨（WO3）／GF／PDMS 复合力敏结构。通过将WO3粉先混合进柔性PDMS 基底中，制备成WO3／PDMS辐射屏蔽溶液，然后通过真空辅助，将其填进GF空隙中。将复合结构进行不同剂量的γ 辐照，然后对其辐照前后的电磁屏蔽效能、电导率和力敏性能进行了测试分析。结果表明：真空辅助法所制备的WO3／GF／PDMS复合力敏结构，在不同剂量γ 辐照后，其电磁屏蔽效能、电导率与力敏特性（灵敏度和重复稳定性）仍保持较好的电磁屏蔽效果与力敏性能，具有良好的电磁屏蔽和抗γ 辐照的特性。

1 实验材料

GF购买于江苏先丰纳米有限公司，尺寸大小为5 cm×5 cm，厚度为0.5 mm，CVD 方法制备。WO3粉末购买于清河县源耀合金制品有限公司，颜色为淡黄色，其粒径大小为100 nm。PDMS选用硅橡胶。盐酸溶液购买于福建析标科技，浓度为10%。

2 结构制备

WO3填料具有良好的γ 屏蔽效果，WO3含量越多，其辐照屏蔽性能越好。但由于填料的增多，会导致其加工困难和柔性下降。为了同时兼顾良好的柔性与屏蔽效果，本文选取WO3含量为50%（质量分数，下同）为此次γ屏蔽研究。其具体制备过程如下：首先，在精密电子天平上称取一定量的WO3粉末。PDMS按主剂与固化剂10：1 的比例进行配比，混合均匀，按PDMS：WO3粉＝1：1 的比例滴入称好的WO3粉中，制备50%的WO3／PDMS混合溶液。为了使WO3粉末在PDMS基底中混合均匀，将混合溶液中加入乙酸乙酯进行稀释，超声细胞粉碎机中进行超声分散45 min。接着将混合溶液倒入装有GF 的培养皿中，放入真空箱进行抽真空2 h。将取出后的培养皿放入高温加热台上80 ℃固化1 h。最后将固化好的样品放入盐酸溶液中80 ℃下，12 h，腐蚀掉镍（Ni）泡沫基底，切成实验中所需尺寸大小。

3 性能测试

为了探究此结构对γ射线的屏蔽性能，分别对4 种样品进行了不同剂量的辐照实验。辐照实验在中国辐射防护研究院进行，辐照源为60Co-γ 射线，射线能量值为1.25 MeV，实验中使用的最大剂量率为25 Gy／min。将样品分别置于不同的透明塑料盒中，分别对样品进行10，50，100，500 kGy不同剂量的辐照实验。

采用矢量网络分析仪波导管法［13，14］进行复合结构的电磁屏蔽性能测试，样品大小为22.9 mm ×10.2 mm，测试频率波段为8 ～12 GHz（X 波段）。测试前要进行校准，所有样品厚度均为1 mm。

在复合结构的两端利用导电银胶分别外接导线，将复合结构与高精度万用表连接，进行电导率和不同拉伸程度下的力敏测试。复合结构固定于2 个夹具之间，其中一端固定，一端固定在电动位移平台上，通过计算机控制电动位移台的移动来实现对复合材料拉伸的精确控制，拉伸范围为0%～50%，拉伸速度控制为1 mm／s。高精度万用表通过USB接口直接将数据传输在计算机上，实时记录了每个样品在拉伸范围内的电阻变化。复合结构的电导率［15］计算为k ＝L／RS，其中，L 为长度，S 为横截面积，R 为电阻。灵敏度［16］计算为G ＝（R -R0）／R0／strain，其中，R0为初始电阻，R为不同应力下电阻值，strain为复合结构的拉伸长度变化量。所有样品均在同一实验平台、同一环境下进行测试。

4 结果分析

图1（a）为GF的SEM图像，从图中可以看出，GF具有良好的三维多孔骨架结构，这种良好的导电网络结构使得其在较低的石墨烯含量下可具有较高的电导率且具有良好电磁屏蔽效能。图1（b）为复合结构在20倍物镜下的光学显微图像。WO3／PDMS 混合溶液在真空辅助下很好地流进了GF的空隙中。除去Ni骨架后，复合结构具有良好的柔韧性，可以进行弯曲和拉伸，如图1（c）所示。

为了探究不同剂量γ辐照后对复合结构电磁屏蔽性能的影响，本文对辐照后的材料分别进行了电磁屏蔽效能测试和电导率测试，结果如图2所示，其中一个样品没有进行辐照测试，作为辐照前后对比。没有辐照的复合结构的平均电磁屏蔽效能可以达到22.78 dB，电导率可达到12.53 S／m。经过10，50，100，500 kGy 剂量辐照后，其平均电磁屏蔽效能分别达到22.53，22.12，21.52，20.63 dB。500 kGy剂量辐照后，其效能比原来降低9.4%。不同剂量下辐照后复合结构的电导率分别为12.46，12.32，12.11，11.78 S／m，比原来降低了约6.0%。在不同剂量的辐照后，复合结构的电导率与电磁屏蔽效果依旧保持较为稳定的值（＞20 dB，＞1 S／m），说明由WO3在GF 内部的填充对GF内部的导电网络起到了保护作用，可以起到屏蔽γ辐照的效果。

图2 不同辐照剂量下复合结构的电磁屏蔽效能和电导率

在辐照过程中，随着辐照剂量的加大，会导致材料发生辐照降解现象，影响复合结构的力敏特性［17］。为了探究不同剂量γ辐照后对复合结构力敏性能的影响，对不同剂量辐照后复合结构电阻变化率随应力变化及拉伸重复稳定性进行了测试，结果如图3 所示。从图3（a）中可以看出，未辐照前复合结构的灵敏度可达到7.14，随着辐照剂量的增大，复合结构电阻率随应变的变化曲线与没有辐照前基本保持一致。通过200 s内对复合结构的重复拉伸，其依旧保持良好的重复稳定性（图3（b））。但从图3（c）中可以看出，随着剂量增大对材料的降解现象，导致其拉伸最大限度受到影响，500 kGy 辐照剂量下约38%的应力下电阻发生突变。

图3 复合结构的力敏和重复性测试

5 结 论

本文提出了一种既具有抗γ辐照又具有电磁屏蔽性能的WO3／GF／PDMS复合力敏结构，电磁屏蔽效果主要由内部GF所形成的三维多孔网状结构来实现，γ屏蔽效果主要由WO3粉所实现。通过将WO3含量为50 %的WO3／PDMS溶液在真空辅助下回填进入GF中来制得复合结构。该复合结构在10，50，100，500 kGy不同剂量的辐照下，其电磁屏蔽效能依旧保持在20 dB以上，电导率保持在12 S／m，满足基本的商业应用值。力敏性能在不同剂量辐照下仍保持良好的稳定性与重复性。含量50%的WO3粉对GF 内部的导电网络得到了保护，使得所制备的WO3／GF／PDMS复合结构具有良好的γ屏蔽效果和电磁电磁屏蔽性能，在抗辐照领域中具有很好的应用前景。