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宁波材料所石墨烯基电磁屏蔽材料研究获进展

仪表上游中国仪表网2016年03月28日 09:14人气:20403

  【中国仪表网 仪表上游】石墨烯作为新兴材料,受到广泛关注。近期,中国科学院宁波材料所在石墨烯基电磁屏蔽材料研究方面取得系列进展,对我国石墨烯材料发展起了重要作用。
  
  随着现代电子工业的快速发展,各种无线通信系统和高频电子器件数量急剧增加,内部芯片密集化程度逐渐提高,导致电磁干扰现象和电磁污染问题日益突出,不仅在通信领域中对信号的产生、传播和接收造成了极大的影响,而且给人类社会的生产与生活带来了不容忽视的危害。为了有效地抑制电磁干扰和电磁污染,设计并制备高效电磁屏蔽材料已成为一个迫切需要解决的问题。石墨烯是碳原子以sp2杂化轨道呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体,自2004年被曼切斯特大学教授Geim团队报道后引起了科学家的广泛关注,其中优异的导电性能使其在电磁屏蔽领域极具发展潜力。
  
  近期,中国科学院宁波材料技术与工程研究所高分子事业部郑文革团队也在石墨烯基电磁屏蔽材料研究方面取得系列进展。首先,考虑到“以石墨烯片层为构筑单元来直接组装构建结构有序的石墨烯基宏观材料有利于最大程度地发挥石墨烯片层优异的导电性能”,研究人员通过“高温石墨化处理氧化石墨烯(GO)薄膜”的方法制备出了具有紧密堆积层状结构的宏观石墨烯薄膜(图1),其中石墨化处理目的是分解GO片层含氧基团并对其结构缺陷进行有效修复,最后所得石墨烯薄膜具有很高的热导率、电导率、电磁屏蔽效能以及很好的柔韧性,厚度仅为~8μm的样品的室温平面热导率高达~1100W/m·K,平面电导率高达~1000S/cm,在X波段上屏蔽效能接近~20dB,相关结果发表在Advanced Functional Materials,2014,24:4542。近期,研究人员的研究还表明在石墨烯薄膜中引入适当的微孔结构可以大大增强电磁波在微孔内部的多重反射衰减(图2),从而进一步提升薄膜的电磁屏蔽性能,相关工作发表在Carbon,2016,102:154。
  

  图1.(a)石墨烯薄膜制备过程示意图;(b)石墨烯薄膜的电磁屏蔽性能;(c)石墨烯薄膜的导热性能以及与其它材料的比较结果。
  
  与石墨烯薄膜类似,研究人员以先前采用非溶剂诱导相分离和热亚胺化相结合方法所制备出的聚酰亚胺(PI)/石墨烯复合微发泡薄膜材料为先驱体(相关工作发表在RSCAdvances,2016,5:24342),利用高温碳化和石墨化的方法制备出了具有微孔结构的超薄碳膜(图3),其中石墨烯的存在可以稳定微孔结构并加速薄膜石墨化进程,微孔结构的存在可以增强电磁屏蔽效能,结果显示厚度仅为~24μm的样品在X波段上屏蔽效能高达~24dB,继续提升样品厚度至~73μm可进一步提高屏蔽效能到~51dB,同时该超薄碳膜还具有极高的热稳定性(空气中分解温度高达550oC),相关工作发表在Carbon,2016,100:375。
  

  图2.电磁屏蔽过程中电磁波在石墨烯薄膜微孔结构中的多重反射衰减示意图。
  

  图3.(a)超薄碳膜的制备过程示意图;(b)超薄碳膜的电磁屏蔽性能;(c)超薄碳膜在空气氛围中的TGA曲线。
  
  除上述研究之外,研究人员还以聚氨酯(PU)海绵为基体,并在其内部孔结构表面涂覆石墨烯制备了具有优异压缩性能的石墨烯复合泡沫,该石墨烯复合泡沫具有优异的综合电磁屏蔽性能;同时利用压缩过程可以改变石墨烯复合泡沫内部孔结构的比表面积,从而改变电磁波在孔内部的多重反射衰减情况,实现在一定范围内对石墨烯复合泡沫的电磁屏蔽性能进行有效的调控,相关结果发表在ACS Applied Materials & Interfaces,2016,DOI:10.1021/acsami.5b11715。
  
  上述工作得到了中国博士后科学基金(2015M570531)以及国家自然科学基金(51473181,61274110)的大力资助。
(本文来源:宁波材料技术与工程研究所转载请注明出处
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