用于电磁干扰屏蔽应用的石墨烯/聚合物纳米复合材料

由于电子元件的扩散和小型化，减轻电磁污染正成为一个日益严重的问题。为了实现电磁兼容，必须考虑电磁干扰（EMI）屏蔽，而屏蔽效率（SE）的分析是至关重要的。与传统金属基材料相比，石墨烯增强聚合物复合材料具有成本低、耐腐蚀、重量轻、多用途、易加工、带宽宽等特点，是取代金属基电磁干扰屏蔽材料的新材料。

利用麦克斯韦方程的解析或数值解，可以从大块材料的性质，包括介电常数、渗透率和电导率来确定SE。然而，由于石墨烯基聚合物复合材料的异质性，表征这些值仍然困难。

本文试图对这些材料的制备和表征方面的最新进展进行总结和评述。此外，本文还阐述了基于微观力学的精确建模技术，如渗流、电子隧穿、团聚、不完美界面、频率依赖的纳米电容和电子跳变等。该模型旨在通过预先确定的聚合物基体和碳基填料的性能来预测纳米复合材料的电磁性能。这一认识可能最终促进开发具有优化EMI屏蔽性能的石墨烯/聚合物复合材料，从而开发新型EMI屏蔽材料。本文重点研究了石墨纳米片(GnP)/环氧树脂作为石墨烯/聚合物的选择。

图1. 石墨烯合成工艺示意图(a) “自下而上”和 (b) “自上而下”的方法。

01石墨烯聚合物分散方法

为了实现石墨烯纳米复合材料的最佳性能，必须监控分散质量和均匀性水平。石墨烯纳米材料在聚合物基质中的均匀分散被认为是最佳的，如图2所示。在石墨烯复合材料中，石墨烯颗粒之间的范德华力导致石墨烯在分散阶段发生团聚。这种现象是不希望的，因为其将不再保持石墨烯固有的所需特性。另外，将需要更高的负荷才能达到渗滤作用。理想的分散状态是将石墨烯连接成网格，且片层重叠、扭曲、滚动或弯曲较少。另外，片层之间的连接较少是理想的，这可以通过较大的石墨烯片层来实现，尽管通常观察到较大的石墨烯片层会导致团聚，特别是在较高的负载下。石墨烯聚合物分散方法可分为（1）化学分散法和（2）物理分散法。

图2. 均匀，分散良好和分散不良的材料之间电导率差异

化学分散法可以被认为是使用溶剂或表面活性剂以在填料和基体组分之间形成牢固的相互作用的方法。然而，通常产量低，生产成本较高，工艺复杂。 这就阻碍了它们在实际应用中的大规模开发。这些化学方法包括但不限于使用有机小分子、改性聚合物、离子键和氢键。

一般来说，物理分散法包括通过超声处理，研磨或高剪切混合将石墨烯分散在适当的液体聚合物前体中。然后在分散石墨烯纳米填料的情况下进行固化过程。 对于所有的机械分散方法，都需要在使用机械搅拌限制其团聚的同时，与确保机械力不会破坏石墨烯结构之间进行权衡。此外，通常发现分散方法的组合能够产生良好的结果。

02石墨烯复合泡沫的制造

与非发泡复合材料相比，石墨烯泡沫在重量更轻，厚度更薄的情况下具有更好的屏蔽效果。该特征归因于泡沫形态，该形态在材料内引起进一步的内部反射，因此增加了吸收。图4显示了石墨烯复合泡沫的合成方法，这些方法大致分为三大类。

图3. 石墨烯-聚合物复合泡沫材料的合成方法

03负载GNP的聚合物复合材料在电磁干扰中的应用

金属具有高电导率，因此具有低波阻抗，这会导致明显的EMI反射。另一方面，金属往往很重，容易腐蚀并且难以制造。GnPs /环氧树脂复合材料为开发具有防腐蚀特性的薄，轻便，易于制造的EMI屏蔽罩提供了可能。石墨烯基复合材料可以作为涂层应用，甚至可以进一步嵌入到纤维增强的聚合物复合材料系统中。GRAPHENEST Advanced Nanotechnology（一家总部位于美国的公司）是用于高级复合材料的基于石墨烯的解决方案的提供商。该公司最近推出了创新的基于石墨烯的EMI屏蔽涂料，即“ Hexasheild”，可定制电阻和波衰减级别。石墨烯基EMI屏蔽复合材料有望替代便携式设备中的金属（这也需要这些材料固有的高热导率），雷击防护，雷达吸收，甚至可以提供时电磁反射/吸收控制。

在航空航天，信息技术，汽车，医疗和国防工业中，EMI屏蔽势在必行。在航空领域，降低飞机油耗的全球目标导致碳纤维增强塑料成为飞机制造中的主要材料，从而最大程度地减少了重量，成本和生产时间。因此，铜或铝的金属网或金属片被加入到碳纤维的最外层，以获得足够高的SE值。在金属网和碳纤维之间会发生电偶腐蚀，腐蚀也可能是由于水分或环境因素引起的。这将导致电导率下降，并且需要常规更换/维护。也有报道说这些金属网可能在大电流雷击下蒸发。自然地，碳基导电纳米复合材料已被研究作为解决这些问题的潜在方法。可以看出，这些复合材料允许使用简便的处理方法，并且与金属网相比，其使用寿命成本总体较低。陆上，水上和空中车辆越来越依赖于电子通信和控制。电子设备的普及需要通过增加适用于这些应用的EMI屏蔽材料。

相关文献：

Modelling, fabrication and characterization of graphene/polymer nanocomposites for electromagnetic interference shielding applications

DOI: 10.1016/j.cartre.2021.100047