优异的电磁屏蔽效果！​石墨烯/环氧复合材料

一、研究背景：

无线通信、分布式传感器阵列和便携式电子设备的飞速发展使得控制电磁（EM）辐射和减少电磁污染至关重要。需要使用电磁干扰（EMI）屏蔽材料来确保电子设备可靠地运行，并且不会对人体健康产生有害影响。不同频率范围和类型的设备需要不同的EMI屏蔽解决方案。对于高频段电磁屏蔽特别具有挑战性。在许多情况下，对用于EMI屏蔽的材料提出了额外的要求，包括厚度和密度限制、机械和热性能。在广泛的商业和国防应用中，吸收电磁能量更为有利，而不是将其反射回环境中造成二次污染。然而，许多现有的EMI屏蔽材料在保护电子组件的同时，可能对人体健康产生负面影响。基于金属的EMI屏蔽材料还具有重量重、耐腐蚀性差和加工困难等其他问题。

金属屏蔽方法的替代方法是将聚合物基材料与导电填料一起使用，最初的研究对象主要是含有金属颗粒的复合材料，这些复合材料通过添加高重量分数填料，以提高电导率，但是，聚合物-金属复合材料的重量，成本和腐蚀都相对较大，这些材料中EMI屏蔽的主要机理是反射，而这会对环境产生二次污染。

二、研究成果

针对上述问题，近日，加州大学河滨分校AlexanderA. Balandin教授课题组报道了石墨烯/环氧复合材料的制备，并在极高频（EHF）频段（220–325 GHz）中通过准光学自由空间方法测试了其电磁屏蔽效率。固化粘合剂复合材料具有横向尺寸为几微米的单层和几层石墨烯层的混合物，并且可以大规模制备。结果发现，该复合材料电磁波透射率即使在低浓度的石墨烯填充量时也很低。石墨烯负载量低的复合材料的主要屏蔽机理是电磁吸收。厚度为1毫米，石墨烯填充量为8 wt％的复合材料在太赫兹EHF频段内呈现70 dB的出色电磁屏蔽性能，向环境反射的电磁能量可忽略不计。开发的含有石墨烯填料的轻质粘合剂复合材料可用作高频微波无线电继电器、微波远程传感器、毫米波扫描仪和无线局域网中的电磁波吸收剂！相关研究工作以“Graphene Epoxy-Based Composites as Efficient Electromagnetic Absorbersin the Extremely High-Frequency Band”为题发表在国际著名期刊《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.0c06729

图1.（a）电磁波与低石墨烯填充量的环氧基复合材料的相互作用示意图。（b）原始环氧树脂（左）和含4 wt％石墨烯（右）的环氧树脂复合材料的光学图像。（c）具有不同石墨烯填充量的环氧树脂的拉曼光谱。注意添加石墨烯后环氧复合材料的颜色变化。该复合材料可用作安装微波设备的粘合剂和涂层。

图2.在220-320 GHz频率范围内具有不同石墨烯填充量的复合材料的（a）反射系数和（b）透射系数。（c）透射系数的下限（T <5％），可以区分石墨烯负载量大于1 wt％的复合材料的透射系数

石墨烯含量低的复合材料通过吸收，对环境的能量反射很小，在此频段提供了有效的EMI屏蔽。对于给定尺寸和厚度的填料，石墨烯负载量为1 wt％似乎是测试复合材料的最佳选择。

图3 具有不同石墨烯填充分数的复合材料的（a）吸收系数和（b）有效吸收系数。（c）有效吸收系数的上限（A _eff > 95％），可以区分石墨烯负载量大于1 wt％的复合材料的A _eff值

图4 （a）反射率（SE_R），（b）吸收率（SE _A）和（c）总复合物（SE _T）在不同石墨烯填充量下的屏蔽效率。随着填料含量的增加，SE_R不会显著增大，而SE _A则显著增加。SE _A增强后，总屏蔽效率大大提高

三、结论与展望