丁 雪,王建才,葉志國,易永利,丁 一,陳海宏,陳顯輝,朱翔鷗,金佳敏

(1.北京新材料和新能源科技發(fā)展中心,新材料科技成果轉(zhuǎn)化部,北京 100080;2.南昌航空大學(xué) 材料學(xué)院,南昌 330063;3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司溫州供電公司,浙江 溫州 325000;4.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司,北京 102209;5.溫州大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,浙江 溫州 325035)

0 引 言

近年來,隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展,智能和柔性電子裝備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)工程、民用和軍事等領(lǐng)域,人類生活方式的轉(zhuǎn)變比歷史上任何時(shí)期都更依賴于智能電子裝備的發(fā)展[1]。高新技術(shù)的飛速進(jìn)步激發(fā)了人類對(duì)智能化與微型化電子裝備的需求,然而電子裝備在工作中會(huì)連續(xù)不斷向外輻射電磁波,空間中過量存在的電磁波對(duì)人類的生存和發(fā)展造成重大影響[2]。其次,多余電磁波產(chǎn)生的電磁輻射會(huì)干擾內(nèi)部電子元件,影響電子裝備的精度,進(jìn)而極大地限制了電子工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3]。另一方面,信息通訊的工作頻率主要在微波頻段,過量存在的電磁輻射會(huì)干擾信道損害通信質(zhì)量,甚至造成機(jī)密信息的泄漏而危及國家和商業(yè)安全[4]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)已經(jīng)證明,長期暴露于電磁輻射下會(huì)導(dǎo)致生物體體溫異常和器官損傷,增加基因突變的可能性以及畸胎瘤和癌癥的發(fā)生率。綜合來說,電磁污染已經(jīng)成為繼大氣污染、水污染、土壤污染和噪聲污染之后危及人類生存的第五大污染源?？紤]到電磁波產(chǎn)生的危害,亟待開發(fā)輕薄、寬頻、高性能的電磁屏蔽材料[5]。

導(dǎo)電金屬和聚合物作為傳統(tǒng)的電磁屏蔽材料已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用和研究。導(dǎo)電金屬一般具有高的電導(dǎo)率或優(yōu)異的鐵磁性能,設(shè)計(jì)制備的金屬基電磁屏蔽材料具有高屏蔽效能和寬屏蔽波段[6]。不可否認(rèn),金屬基電磁屏蔽材料密度大、易腐蝕、柔性差、加工難度大的缺點(diǎn)阻礙了其進(jìn)一步應(yīng)用[7]。導(dǎo)電聚合物一般都是本征導(dǎo)電的,具有耐腐蝕、輕量、柔性好、易加工的優(yōu)點(diǎn),但較低的電導(dǎo)率限制了其實(shí)際應(yīng)用[8]。研究人員通常采用往聚合物中摻雜導(dǎo)電填料的方法來提升其電導(dǎo)率,比如石墨、炭黑和金屬顆粒等。另外,導(dǎo)電填料易團(tuán)聚的缺點(diǎn)限制了導(dǎo)電填料摻雜法的實(shí)際應(yīng)用和普及[9]。綜合評(píng)價(jià)來說,電磁屏蔽材料的開發(fā)與設(shè)計(jì)遠(yuǎn)未滿足實(shí)際應(yīng)用所要求的高屏蔽效能、寬的有效屏蔽波段、輕薄和高柔性的特點(diǎn)。

石墨烯作為近年來研究最為廣泛的二維材料,自發(fā)現(xiàn)以來一直是新材料領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的熱點(diǎn)。石墨烯的電荷轉(zhuǎn)移速度快、比表面積大、機(jī)械性能好,在高性能電磁屏蔽材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)領(lǐng)域具有巨大的潛力[10]。石墨烯電磁屏蔽材料能夠滿足高性能電磁屏蔽材料要求的高效、寬頻、質(zhì)輕和輕薄柔性的特點(diǎn),因此通常選取石墨烯作為填料或設(shè)計(jì)作為屏蔽膜來制備高效能電磁屏蔽材料[11]。不容忽視的問題是單純石墨烯粉體分散性差,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低,難以形成連續(xù)的電磁屏蔽體。石墨烯的結(jié)構(gòu)化和復(fù)合化是規(guī)避石墨烯本征缺陷的有效方法,既可以保持石墨烯優(yōu)異的物理化學(xué)特性,又可以賦予石墨烯的立體結(jié)構(gòu)性能。石墨烯的三維立體化是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要方式。與二維石墨烯材料相比,具有長程互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三維石墨烯展現(xiàn)了更高的電磁屏蔽效能。三維石墨烯結(jié)構(gòu)電磁屏蔽效能的提升主要是因?yàn)槠瑢雍涂椎亩询B增強(qiáng)了電磁波的多重反射損耗[12]。此外,三維結(jié)構(gòu)化石墨烯具有超高的孔隙率,極大地降低了石墨烯的密度,獲得了輕薄、柔性的電磁屏蔽材料。石墨烯與其他材料復(fù)合制備石墨烯復(fù)合電磁屏蔽材料是另一種發(fā)揮石墨烯優(yōu)勢(shì)的有效方法。石墨烯復(fù)合電磁屏蔽材料能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的電磁屏蔽要求,是設(shè)計(jì)制備高性能電磁屏蔽材料的主要發(fā)展方向[13]。

本文從電磁屏蔽的基本原理出發(fā),詳細(xì)介紹了電磁屏蔽材料屏蔽或吸收電磁波的3種主要方式。其次,對(duì)石墨烯和石墨烯基復(fù)合材料進(jìn)行了分類與歸納,總結(jié)并分析了其電磁屏蔽效能和近年來的發(fā)展現(xiàn)狀。最后,對(duì)石墨烯電磁屏蔽材料現(xiàn)階段深入發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié),提出了一些切實(shí)可行的建議和解決方法。

1 電磁屏蔽原理

電磁波傳播到電磁屏蔽材料表面,一般通過3種方式完成對(duì)入射電磁波的有效衰減[14]。電磁波首先與屏蔽材料外表面發(fā)生相互作用,由于阻抗不匹配電磁波在表面會(huì)反射掉,引起電磁波的反射損耗(SER,dB)。其次,沒有被表面反射損耗的電磁波進(jìn)入到屏蔽材料內(nèi)部,內(nèi)部會(huì)繼續(xù)對(duì)電磁波進(jìn)行吸收損耗(SEA,dB)。另外,電磁波在屏蔽材料內(nèi)部會(huì)在多個(gè)表面之間產(chǎn)生多重反射損耗[9](SEM,dB)。電磁屏蔽效能能的評(píng)價(jià)指標(biāo)通常定義為SE,SE為SER、SEA和SEM3個(gè)屏蔽效果的總和,即：SE=SER+SEA+SEM,理想的屏蔽材料泄漏的電磁能可忽略不計(jì)或零泄漏。影響材料電磁屏蔽效能的主要因素包括材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、趨膚深度、厚度等[15]。

2 石墨烯電磁屏蔽材料

2.1 單純石墨烯電磁屏蔽材料

石墨烯是碳原子以sp2雜化軌道呈蜂巢晶格排列構(gòu)成的單層二維晶體,自2004年被曼切斯特大學(xué)Geim團(tuán)隊(duì)報(bào)道后引起了各國科學(xué)家的廣泛關(guān)注[16]。石墨烯具有高導(dǎo)電、介電損耗大、密度低的優(yōu)點(diǎn),因而非常適合用來設(shè)計(jì)輕質(zhì)高效電磁屏蔽材料。另外,石墨烯納米片具有超高的比表面積,尺寸越大越有利于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成,越有利于電磁波的多重反射和損耗[11]。

如圖1所示,Shen等[17]以石墨烯納米片為構(gòu)筑單元組裝了結(jié)構(gòu)有序的石墨烯薄膜。緊密堆積層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯薄膜是氧化石墨烯(graphene oxide,GO)高溫?zé)崽幚硭?最大程度地發(fā)揮了石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性。石墨烯薄膜厚度為8 μm時(shí)室溫平面熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率分別高達(dá)1 100 W/(m·K)和1 000 S/cm,電磁屏蔽效能(electromagnetic interference shielding,EMI SE)在X波段達(dá)到20 dB。Peng等[18]利用CuCl2作為摻雜劑制備了低密度、高柔性、耐高溫、高導(dǎo)電的石墨烯摻雜膜(GF-CuCl2)。相比于純石墨烯膜,GF-CuCl2的載流子濃度和遷移率均得到了提高,導(dǎo)電率可達(dá)到1.09×107S/m,比導(dǎo)電率超過了大部分金屬材料。GF-CuCl2的溫阻系數(shù)僅有4.31×10-4K-1,在400 ℃下保持熱穩(wěn)定并能在200 ℃環(huán)境中長時(shí)間工作。GF-CuCl2薄膜在35 μm厚度下電磁屏蔽效能達(dá)到126 dB。

圖1 (a) GO薄膜的自組裝制備和石墨化工藝流程[17];(b)支撐薄膜GO圖片[17];(c) GO薄膜和石墨烯泡沫-2000的電磁屏蔽效能[17];(d) GO薄膜和石墨烯泡沫-2000在8.5 GHz的SE、SER、SEA[17]Fig.1 (a) Schematic representation of a proposed self-assembly process of GO film and the followed graphitization[17];(b) photograph of a free-standing GO film[17];(c) EMI SE of GO film and graphene foam-2000[17];(d) SE,SER,and SEA of GO film and graphene foam-2000 at 8.5 GHz[17]

泡沫石墨烯是由石墨烯納米片組裝而形成的,不僅保留了單層石墨烯的物理化學(xué)特性,而且通過結(jié)構(gòu)調(diào)控進(jìn)一步增強(qiáng)了其電磁屏蔽效能[10,19]。交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)狀泡沫石墨烯已經(jīng)通過多種方法成功制備,形成的微孔結(jié)構(gòu)可以極大減輕電磁屏蔽材料的密度,盡可能的滿足不同的電磁屏蔽應(yīng)用場(chǎng)景。石墨烯納米片的卷曲、折疊以及相互交聯(lián)形成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),入射電磁波在交聯(lián)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生多重反射,電磁屏蔽效能得到了提高[20]。Shen等[21]制備了具有超寬電磁屏蔽波段的泡沫微孔石墨烯,并對(duì)其電磁屏蔽效能進(jìn)行了系統(tǒng)研究與比較。石墨烯泡沫在8.2～59.6 GHz超寬的電磁頻率范圍內(nèi)平均電磁屏蔽效能達(dá)到26.3 dB,泡沫石墨烯相比于石墨烯薄膜展現(xiàn)出更為優(yōu)異的電磁屏蔽效能。任天令等[21]開發(fā)了激光劃刻技術(shù)并成功制備了蜂窩狀多孔石墨烯薄膜。通過調(diào)控激光功率密度制備的單片蜂窩狀多孔石墨烯材料的厚度范圍在25～50 μm,當(dāng)厚度為48.3 μm時(shí)其歸一化比屏蔽效能達(dá)到240 123 dB·cm2/g,而其密度卻僅有0.0388 g/cm3。綜合來說,石墨烯具有優(yōu)異的電荷轉(zhuǎn)移性能、高的比表面積和優(yōu)異的機(jī)械性能,在電磁屏蔽領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。

2.2 石墨烯/其他碳納米結(jié)構(gòu)電磁屏蔽復(fù)合材料

除石墨烯之外,碳納米管、炭黑、石墨、碳納米纖維以及碳化硅等已經(jīng)得到廣泛而深入的研究[22]。傳統(tǒng)的炭材料通常具有相對(duì)密度高、易團(tuán)聚等無法避免的缺陷,大大地限制了其實(shí)際應(yīng)用。為發(fā)揮傳統(tǒng)炭材料易制備、價(jià)格低廉、電磁屏蔽效能高的優(yōu)勢(shì),制備石墨烯/其他碳納米結(jié)構(gòu)電磁屏蔽材料是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效手段[23]。

碳納米管作為理想的準(zhǔn)一維碳納米材料是制備新型電磁屏蔽材料的主要替代物之一,但是碳納米管高電容和低磁導(dǎo)率的特性限制了其設(shè)計(jì)作為電磁屏蔽材料的進(jìn)一步發(fā)展[24]。Song等[25]在無金屬催化劑的條件下成功制備了碳納米管/石墨烯(CNT/Graphene)核殼泡沫材料,具有優(yōu)異的電磁屏蔽效能。殼核結(jié)構(gòu)的CNT/Graphene泡沫在X波段范圍內(nèi)電磁屏蔽效能達(dá)到50 dB。Fu等[26]以單壁碳納米管(SWCNTs)為骨架錨定在石墨烯薄層之間,如圖2所示,設(shè)計(jì)制備了具有互連多孔層狀?yuàn)A心結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽薄膜,該電磁屏蔽薄膜展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能和高電導(dǎo)率,最大電磁屏蔽效能達(dá)到80 dB。

圖2 (a) SGF薄膜制備過程示意圖[26];(b) SGF薄膜概念設(shè)計(jì)圖[26];(c) GF和SGF經(jīng)2 800 ℃退火后的電磁屏蔽效能[26];(d) GF和SGF經(jīng)2 800 ℃退火后的SET、SER、SEA[26]Fig.2 (a) Schematic illustration of fabrication process of the SGF film[26];(b) SGF film concept design diagram[26];(c) EMI SE of GF and SGF after annealing at 2 800 ℃[26];(d) SET,SER,and SEA of GF and SGF after annealing at 2 800 ℃[26]

馮雷等[25]將3D碳納米管-石墨烯核-殼納米填料與碳結(jié)合設(shè)計(jì)制備了新型的蜂窩狀電磁屏蔽材料,在X波段其電磁屏蔽效能達(dá)到45.3 dB,歸一化電磁屏蔽效能達(dá)到43.1 dB·cm3/g。Hong等[27]成功制備了碳納米纖維墊,其電磁屏蔽效能在52～81 dB范圍內(nèi)取得,對(duì)應(yīng)的歸一化電磁屏蔽效能達(dá)到370～470 dB·cm3/g。沈斌等[28]有序組裝碳化小麥秸稈制備了中空多孔碳管陣列(SCAs),其最大電磁屏蔽效能達(dá)到57.7dB。SCAs獨(dú)特的中空管狀結(jié)構(gòu)促進(jìn)了電磁波的多重反射,增強(qiáng)了電磁波的有效吸收。隨后將石墨烯氣凝膠構(gòu)筑到中空秸稈的空腔內(nèi)制備了石墨烯氣凝膠/多孔碳管陣列復(fù)合材料,其電磁屏蔽效能達(dá)到66.1～70.6 dB。

2.3 石墨烯/導(dǎo)電金屬電磁屏蔽復(fù)合材料

Chen等[29]利用真空輔助自組裝構(gòu)建了致密三明治結(jié)構(gòu)的獨(dú)立式氧化石墨烯/銀納米線薄膜,如圖3所示,其電導(dǎo)率達(dá)到2 255.8 S/cm,平均電磁屏蔽效能在8～40 GHz頻帶內(nèi)達(dá)到62 dB。氧化石墨烯/銀納米線薄膜優(yōu)異的電磁屏蔽效能主要得益于氧化石墨烯層和銀納米線網(wǎng)絡(luò)對(duì)電磁波的多重反射損耗。另外,氧化石墨烯/銀納米線薄膜具有良好的柔韌性和防腐蝕性能,可用于設(shè)計(jì)具有高靈敏度和快速響應(yīng)的應(yīng)變傳感器,既滿足了電磁屏蔽要求又可實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。何大平等[30]首先通過高速離心法獲得了較大尺寸的氧化石墨烯納米片,然后利用平板涂覆法制備了石墨烯薄膜,緊接著在經(jīng)過高溫退火和熱壓處理的石墨烯薄膜上磁控濺射一層銅得到了銅/石墨烯薄膜。銅/石墨烯薄膜在8.8 μm的厚度下具有超過1 932.73 W /(m·K)的導(dǎo)熱率和5.88×106S/m的電導(dǎo)率。銅/石墨烯薄膜的平均電磁屏蔽效能在1～18 GHz范圍內(nèi)達(dá)到52 dB,最大的電磁屏蔽效能達(dá)到63.29 dB,其電磁屏蔽損耗機(jī)理主要以吸收為主。

圖3 (a) GO/Ag薄膜的制備過程示意圖[29];(b)電磁屏蔽機(jī)理示意圖[29];(c)銀納米線和GO/Ag薄膜電導(dǎo)率[29];(d)銀納米線和GO/Ag薄膜在K波段的SET[29];(e)銀納米線和GO/Ag薄膜的SET、SER、SEA[29]Fig.3 (a) Schematic illustration of fabrication process of the GO/Ag film[29];(b) schematic showing the proposed EMI shielding mechanism[29];(c) electrical conductivity of Ag NWs and GO/Ag film[29];(d) SET of Ag NWs and GO/Ag film in K-band[29];(e) SET,SER and SEA of Ag NWs and GO/Ag film[29]

2.4 石墨烯/磁性金屬電磁屏蔽復(fù)合材料

磁損耗材料修飾石墨烯是增強(qiáng)界面極化和調(diào)控阻抗匹配的有效方法,傳統(tǒng)的磁性金屬和氧化物飽和磁化強(qiáng)度大、Snoek極限高。石墨烯表面通過修飾磁性金屬或氧化物來提高其電磁屏蔽和吸收性能近年來已經(jīng)得到了廣泛研究[31]。

Xu等[32]以蠶繭作為生物質(zhì)碳的前驅(qū)體,通過浸泡和碳化方法將Co納米顆粒和石墨烯分別作為夾心層和外層制備了3D分層碳化絲繭-鈷-石墨烯復(fù)合材料。如圖4所示,3D分層碳化絲繭-鈷-石墨烯復(fù)合材料具有輕量、多孔、氮摻雜和環(huán)保的綜合優(yōu)勢(shì),平均電磁屏蔽效能在12.4～18 GHz范圍內(nèi)達(dá)到27 dB,最大的電磁屏蔽效能在18 GHz時(shí)達(dá)到55 dB,歸一化電磁屏蔽效能達(dá)到2 322 dB·cm3/g。Ren等[33]將石墨烯納米片和磁性羰基鐵鎳合金粉末均勻混合制備了一種具有高導(dǎo)熱性的氰酸酯復(fù)合納米材料。調(diào)控石墨烯納米片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5%、磁性羰基鐵鎳合金粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%,復(fù)合納米材料的屏蔽效能達(dá)到55 dB。Han等[34]首先通過原位熱還原法成功制備了附著鎳納米顆粒的還原氧化石墨烯(RGO@Ni),隨后引入纖維素納米纖維(cellulose nanofiber,CNF)利用真空抽濾法制備了具有“磚混”分層結(jié)構(gòu)的CNF/RGO@Ni薄膜。CNF/RGO@Ni薄膜與單純的CNF/RGO 薄膜相比表現(xiàn)出高的電導(dǎo)率(262.7 S/m)和優(yōu)異的電磁屏蔽效能(32.2 dB)。

2.5 石墨烯/陶瓷電磁屏蔽復(fù)合材料

陶瓷材料因其密度低、強(qiáng)度高和耐腐蝕性好而具有廣闊的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。二維過渡金屬碳/氮化物(MXenes)是近年來研究最為廣泛的陶瓷材料,具有優(yōu)異導(dǎo)電性和親水性,可用于制造高性能電磁屏蔽材料。如圖5所示,劉宇艷等[35]通過冷凍干燥和熱還原將高導(dǎo)電性的Ti3C2TxMXene納米片與GO復(fù)合制備了輕質(zhì)MXene/還原氧化石墨烯泡沫(MXene/RGO)。MXene/RGO泡沫的互連多孔結(jié)構(gòu)使其電磁屏蔽效能達(dá)到50.7 dB,歸一化電磁屏蔽效能達(dá)到6 217 dB·cm3/g。張好斌等[36]通過GO的輔助水熱法和定向冷凍干燥將Ti3C2Tx組裝成高導(dǎo)電性的3D Ti3C2Tx多孔結(jié)構(gòu)。MXene/RGO氣凝膠分別以石墨烯和緊密連接Ti3C2Tx作為內(nèi)骨架和殼,其電導(dǎo)率高達(dá)1 085 S/m。當(dāng)Ti3C2Tx的體積含量最低為0.74%時(shí),MXene/RGO氣凝膠的電磁屏蔽效能在X波段超過50 dB。Singh等[37]通過溶劑熱法成功合成了RGO-ZnO復(fù)合納米材料。納米結(jié)構(gòu)ZnO不僅可以阻止RGO的聚集,而且還能大大改善RGO-ZnO復(fù)合納米材料的散射、介電損耗和阻抗匹配性能。RGO-ZnO復(fù)合納米材料在X波段頻率的電磁屏蔽效能達(dá)到38 dB,遠(yuǎn)大于純RGO和ZnO納米粒子的屏蔽效能。

2.6 石墨烯/導(dǎo)電聚合物電磁屏蔽復(fù)合材料

導(dǎo)電聚合物主要包括聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔、聚噻吩和聚偏氟乙烯等材料。導(dǎo)電聚合物分子中含有共軛π鍵,載流子能夠在其內(nèi)部自由移動(dòng)形成分子間導(dǎo)電通道,展現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性能。導(dǎo)電聚合物具有密度低、柔韌性好、成膜性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),是設(shè)計(jì)作為電磁屏蔽薄膜的理想材料,近年來引起了研究者們的廣泛關(guān)注[38-39]。

Modak[38]采用原位化學(xué)氧化聚合法合成了聚苯胺/石墨烯復(fù)合納米材料。聚苯胺/石墨烯復(fù)合納米材料的電磁屏蔽效能隨著石墨烯含量的增加而不斷增加,最大電磁屏蔽效能在2～18 GHz范圍內(nèi)達(dá)到52 dB。Lan等[39]對(duì)石墨烯/聚吡咯涂層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)控,系統(tǒng)地研究了涂層結(jié)構(gòu)在電磁波多重反射損耗過程中所起的作用。石墨烯/聚吡咯涂層在界面處能夠完成對(duì)電磁波的多次反射與損耗,其電磁屏蔽效能達(dá)到39.1 dB,完成了對(duì)99.99%電磁波的有效屏蔽。如圖6所示,Zhao等[40]發(fā)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單有效的方法來制備聚偏氟乙烯(PVDF)/石墨烯復(fù)合泡沫材料。PVDF/石墨烯泡沫的電磁屏蔽效能與其厚度密切相關(guān),當(dāng)樣品厚度從1.5 mm增加到3.0 mm時(shí),PVDF/石墨烯泡沫的孔隙率達(dá)到48.7%,電磁屏蔽效能在26.5 GHz處由12.4 dB增加到32.2 dB,在40 GHz處從15.2 dB增加到37.4 dB。

3 石墨烯電磁屏蔽材料的發(fā)展趨勢(shì)和面臨挑戰(zhàn)

石墨烯是一層密集的、包裹在蜂巢晶體點(diǎn)陣上的碳原子與sp2雜化碳原子緊密堆疊排列的二維結(jié)構(gòu),作為一種新型的電磁屏蔽材料,具有質(zhì)輕、高導(dǎo)電、介電常數(shù)大和比表面積高的優(yōu)點(diǎn),與傳統(tǒng)吸波材料相比,更易滿足電磁屏蔽材料所需“輕、薄、強(qiáng)、寬”的要求。因此,石墨烯電磁屏蔽材料在保證結(jié)合石墨烯優(yōu)異特性的同時(shí),設(shè)計(jì)朝著超薄、輕量化的方向發(fā)展。為了更好地適應(yīng)服役環(huán)境需求,單一的高效電磁屏蔽性能已不再是電磁屏蔽材料設(shè)計(jì)的初衷,研發(fā)同時(shí)具有耐腐蝕、柔韌性、高導(dǎo)熱、高透明度等功能特點(diǎn)的電磁屏蔽材料是主流方向,而結(jié)構(gòu)化和復(fù)合化設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)石墨烯復(fù)合材料是獲得該種電磁屏蔽材料的發(fā)展趨勢(shì)。

不可否認(rèn),石墨烯電磁屏蔽材料的研究雖然取得巨大進(jìn)步,但在發(fā)展過程中仍然面臨著許多巨大的挑戰(zhàn)。如果不能有效解決這些問題,石墨烯電磁屏蔽材料的進(jìn)一步開發(fā)與應(yīng)用將會(huì)達(dá)到瓶頸。首先來說,因石墨烯片層中存在較強(qiáng)的范德華力和靜電作用力,使其很難與聚合物相互作用,過多的石墨烯也易團(tuán)聚,很難最大限度形成導(dǎo)電網(wǎng)格,因此開發(fā)輕薄、柔性和服役性好的石墨烯電磁屏蔽材料仍具有很大的困難。其次,電磁屏蔽材料的效果以屏蔽效能表示,而屏蔽效能不僅與材料的介電性能相關(guān),材料的結(jié)構(gòu)和涂層的厚度對(duì)電磁屏蔽效能也有很大的影響,而不同的石墨烯基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不一,對(duì)電磁屏蔽機(jī)理需要進(jìn)一步詳細(xì)揭示。另外,石墨烯電磁屏蔽材料制備工藝復(fù)雜、耗能高,無法規(guī)模化制備,無法滿足“綠色”與“碳中和”的可持續(xù)概念。針對(duì)以上挑戰(zhàn),一方面可選取耐候性好、屏蔽效能高、密度低的納米材料來定向修飾石墨烯,得到高性能的石墨烯電磁屏蔽復(fù)合材料。另一方面,通過新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),工藝流程優(yōu)化,總結(jié)出一套科學(xué)高效的規(guī)?；⒍ㄖ苹苽涔に?。

4 結(jié) 語

首先總結(jié)了電磁屏蔽的基本原理,電磁屏蔽材料主要以3種方式來完成對(duì)入射電磁波的屏蔽或吸收,包括表面反射衰減、內(nèi)部吸收衰減和多次反射衰減,電磁屏蔽材料的屏蔽效能為三者之和。其次,對(duì)石墨烯材料進(jìn)行了歸納總結(jié)并分析了不同種類石墨烯電磁屏蔽材料的電磁屏蔽效能。最后,對(duì)石墨烯電磁屏蔽材料現(xiàn)階段深入發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)以及未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié),提出了一些切實(shí)可行的建議和解決方法。就目前研究現(xiàn)狀而言,石墨烯多以填料的方式與高分子聚合形成電磁屏蔽材料,但填充型存在填料含量高、分散性差等缺點(diǎn),通過石墨烯的改性處理和工藝優(yōu)化來提高填料的分散性和導(dǎo)電性是降低成本和提高屏蔽效能的有效途徑。同時(shí)采用多層多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念,在保證密度低、比強(qiáng)度高的同時(shí),又可以通過孔結(jié)構(gòu)提高吸收損耗和反射衰減?？偠灾?石墨烯作為發(fā)展最成熟的二維納米材料雖然離真正的產(chǎn)業(yè)化仍有一定距離,但其優(yōu)異物理和化學(xué)性能預(yù)示了在電磁屏蔽材料領(lǐng)域具有不可比擬的優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)開發(fā)具有新結(jié)構(gòu)的石墨烯復(fù)合材料是石墨烯電磁屏蔽材料發(fā)展的方向,通過調(diào)節(jié)自身的結(jié)構(gòu),滿足服役環(huán)境對(duì)電磁屏蔽材料多元化功能是市場(chǎng)的需求,對(duì)推動(dòng)電磁波兼容屏蔽產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有良好的促進(jìn)作用。