Nano Res.│中国石油大学（北京）李永峰教授课题组：高性能柔性石墨烯电磁屏蔽膜

背景介绍

第五代通信设备对于兼具高柔韧性、优异机械性能和导热性的高性能电磁干扰 (EMI) 屏蔽材料有着迫切需求。金属EMI材料虽然具有出色的导电性、EMI屏蔽和热管理性能，但是其密度高、柔韧性差，不耐化学腐蚀，而且难以加工成型等诸多缺点严重制约了它们的应用。石墨烯新材料因其高导电性和独特的二维层状结构而展现出巨大的潜力。然而，本征石墨烯纳米片由于其化学惰性表面而具有较差的分散性和可加工性，这使得独立薄膜和聚合物复合材料的制备非常困难，在聚合物基质中构建致密的石墨烯结构仍然充满挑战性。

成果简介

本研究基于团队物理法批量剥离制备得到的高质量石墨烯粉体材料，联合中国航空制造技术研究院合作开发了一种石墨烯/水性聚氨酯 (G/WPU) 柔性薄膜的制备工艺，该薄膜具有致密有序的结构。借助聚乙烯吡咯烷酮改性策略和简便的液相球磨处理，石墨烯纳米片可以有效分散在WPU基材中，并通过内部相互作用相互紧密连接。得益于石墨烯相对较低的缺陷和致密结构，所得的 G/WPU 薄膜具有 1004.5 S/m 的高电导率和约 48.5 MPa 的拉伸强度。在 X 波段实现了超过 30 dB 的平均 EMI 屏蔽效果，厚度仅为 0.15 mm，在 0.9 mm 处进一步提高到 73.4 dB，密度为 1.4 g·cm⁻³，提供超过 99.99999% 的入射电磁波屏蔽。更重要的是，该 G/WPU 薄膜还表现出约 1.13 W/m·K 的高跨平面热导率。因此，本工作开发出了一种具有良好导热能力的高性能 EMI 屏蔽材料，同时也为设计下一代先进、轻质、柔性和多功能的屏蔽材料提供了一种新的思路。

图文导读

图1 (a)致密有序的G/WPU复合膜的制备过程示意图；(b)G/WPU薄膜的实物图

图2 不同球磨时间制备的G/WPU薄膜的形貌变化:2 h (a1-a3)、8 h (b1-b3)和18 h (c1-c3)制备的G/WPU薄膜的横截面SEM图像

图3 (a)用不同球磨时间制备的G/WPU薄膜在X波段频率范围的电磁屏蔽性能。(b)X波段的平均SEA、SER和SET的概述；(c)G/WPU薄膜的反射率(R)、吸收率(A)和透射率(T)值的相应功率系数；具有不同石墨烯含量的G/WPU膜的TGA分析曲线(d)、电导率(e)和EMI SE (f );(G)不同厚度的G/WPU薄膜的电磁干扰SE；(h)总结不同厚度下的平均SEA、SER和SET；(i)不同厚度的G/WPU薄膜的R、A和T值的相应功率系数。

图4 (a)纯WPU膜和具有不同石墨烯含量的G/WPU膜的热导率；(b)分别处于拉伸和断裂状态的G/WPU膜的照片；不同石墨烯含量的G/WPU薄膜的拉伸应力-应变曲线(c)以及拉伸强度和弹性模量(d)，(c)中的插图是G/WPU-3薄膜的拉伸曲线。

作者简介

论文第一作者为中国石油大学（北京）化学工程与环境学院杨旺副教授和硕士研究生白恒轩，通讯作者为中国石油大学（北京）新能源学院李永峰教授和中国航空制造技术研究院王晓白。

李永峰，教授

李永峰，教授，中国石油大学（北京）新能源与材料学院院长，博士生导师，“国家优秀青年基金”获得者。主要从事材料化工研究，任中国颗粒学会第七届理事会理事，中国复合材料学会矿物复合材料专业委员会副主任，第七届石墨烯及石墨材料产业专业委员会理事，北京市昌平区政协委员等。围绕国家新材料、新能源的战略需求，团队致力于新型碳材料的制备及其应用开发，已在石墨烯的基础研究和产业化方面取得一系列创新性成果。累计以通讯作者发表在Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, Chem. Eng. J.等高水平国内外期刊发表论文200余篇；主持10多项国家和省部级项目，获中国发明专利授权28项，其中8项专利已实现产业化转化。

杨旺，副教授

杨旺，博士，副教授，硕士生导师。2017年获中国石油大学（北京）化学工程与技术专业博士学位，毕业后留校任化学工艺系教师，担任化学工艺系副主任，主要从事功能化碳材料的制备及其在能源存储、电磁屏蔽/吸收等领域的应用研究。2018年入选中国石油大学（北京）青年拔尖人才，近年来主持国家自然科学基金项目、博士后特别资助基金、中国石油大学（北京）青年拔尖人才基金等5项，以第一作者或通讯作者在国内外期刊发表SCI论文30余篇，其中JCR一区TOP论文23篇，获中国发明专利授权5件，其中2件已实现专利成果转让。

文章信息

W. Yang, H. Bai, B. Jiang, et al. Flexible and densified graphene/waterborne polyurethane composite film with thermal conducting property for high performance electromagnetic interference shielding. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4414-3.