寧波材料所在石墨烯基電磁屏蔽材料研究方面取得進展
2016年03月27日 10:14 5199次瀏覽 來源： 寧波材料技術與工程研究所 分類： 新材料前沿
隨著現代電子工業的快速發展，各種無線通信系統和高頻電子器件數量急劇增加，內部芯片密集化程度逐漸提高，導致電磁干擾現象和電磁污染問題日益突出，不僅在通信領域中對信號的產生、傳播和接收造成了極大的影響，而且給人類社會的生產與生活帶來了不容忽視的危害。為了有效地抑制電磁干擾和電磁污染，設計并制備高效電磁屏蔽材料已成為一個迫切需要解決的問題。石墨烯是碳原子以sp2雜化軌道呈蜂巢晶格排列構成的單層二維晶體，自2004年被曼切斯特大學教授Geim團隊報道后引起了科學家的廣泛關注，其中優異的導電性能使其在電磁屏蔽領域極具發展潛力。
近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所高分子事業部鄭文革團隊也在石墨烯基電磁屏蔽材料研究方面取得系列進展。首先，考慮到“以石墨烯片層為構筑單元來直接組裝構建結構有序的石墨烯基宏觀材料有利于最大程度地發揮石墨烯片層優異的導電性能”，研究人員通過“高溫石墨化處理氧化石墨烯（GO）薄膜”的方法制備出了具有緊密堆積層狀結構的宏觀石墨烯薄膜（圖1），其中石墨化處理目的是分解GO片層含氧基團并對其結構缺陷進行有效修復，最后所得石墨烯薄膜具有很高的熱導率、電導率、電磁屏蔽效能以及很好的柔韌性，厚度僅為~8μm的樣品的室溫平面熱導率高達~1100W/m·K，平面電導率高達~1000S/cm，在X波段上屏蔽效能接近~20dB，相關結果發表在Advanced Functional Materials, 2014, 24:4542。近期，研究人員的研究還表明在石墨烯薄膜中引入適當的微孔結構可以大大增強電磁波在微孔內部的多重反射衰減（圖2），從而進一步提升薄膜的電磁屏蔽性能，相關工作發表在Carbon,2016,102:154。
與石墨烯薄膜類似，研究人員以先前采用非溶劑誘導相分離和熱亞胺化相結合方法所制備出的聚酰亞胺（PI）/石墨烯復合微發泡薄膜材料為先驅體（相關工作發表在RSC Advances,2016,5:24342），利用高溫碳化和石墨化的方法制備出了具有微孔結構的超薄碳膜（圖3），其中石墨烯的存在可以穩定微孔結構并加速薄膜石墨化進程，微孔結構的存在可以增強電磁屏蔽效能，結果顯示厚度僅為~24 μm的樣品在X波段上屏蔽效能高達~24 dB，繼續提升樣品厚度至~73 μm可進一步提高屏蔽效能到~51dB，同時該超薄碳膜還具有極高的熱穩定性（空氣中分解溫度高達550oC），相關工作發表在Carbon,2016,100:375。
除上述研究之外，研究人員還以聚氨酯（PU）海綿為基體，并在其內部孔結構表面涂覆石墨烯制備了具有優異壓縮性能的石墨烯復合泡沫，該石墨烯復合泡沫具有優異的綜合電磁屏蔽性能；同時利用壓縮過程可以改變石墨烯復合泡沫內部孔結構的比表面積，從而改變電磁波在孔內部的多重反射衰減情況，實現在一定范圍內對石墨烯復合泡沫的電磁屏蔽性能進行有效的調控，相關結果發表在ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, DOI: 10.1021/acsami.5b11715。
上述工作得到了中國博士后科學基金（2015M570531）以及國家自然科學基金（51473181，61274110）的大力資助。
圖1. (a)石墨烯薄膜制備過程示意圖；(b)石墨烯薄膜的電磁屏蔽性能；（c）石墨烯薄膜的導熱性能以及與其它材料的比較結果。
圖2. 電磁屏蔽過程中電磁波在石墨烯薄膜微孔結構中的多重反射衰減示意圖。
圖3.（a）超薄碳膜的制備過程示意圖；（b）超薄碳膜的電磁屏蔽性能；（c）超薄碳膜在空氣氛圍中的TGA曲線。
責任編輯：淮金
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