中国石油大学（北京）Yongfeng Li课题组–具有导热性能的柔性致密石墨烯-水性聚氨酯复合膜用于高性能电磁干扰屏蔽

第五代通信设备非常需要具有柔韧性、优异机械性能和导热性的高性能电磁干扰 (EMI) 屏蔽材料。石墨烯因其高导电性和独特的层状结构而展现出巨大的潜力。然而，在聚合物基质中构建致密的石墨烯结构仍然具有挑战性。在此，我们开发了一种石墨烯/水性聚氨酯 (G/WPU) 柔性薄膜，该薄膜具有致密有序的层结构，可用作 EMI 屏蔽材料。凭借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地分散在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 1,004.5 S/m 的高电导率和约 48.5 MPa 的拉伸强度。因此，它在 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，该值进一步提高到 0.9 mm 处的 73.4 dB，低密度为 1.4 g/cm³，提供超过 99.99999% 的入射电磁波屏蔽。更重要的是，这种 G/WPU 薄膜还表现出约 1.13 W/(m·K) 的高横截面热导率。因此，本工作开发了一种具有良好传热能力的高性能 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简便的策略。

Figure 1. (a) 致密有序 G/WPU 复合薄膜的制备示意图。(b) G/WPU 薄膜的照片和厚度。

Figure 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。

Figure 3. (a) 不同球磨时间制备的 G/WPU 薄膜的拉曼光谱。(b) 不同球磨时间制备的 G/WPU 薄膜的电导率。(c) 纯 PVP、石墨烯和 G/PVP 的 TGA 曲线。(d) 原始石墨烯和 G/PVP 样品的 FTIR 光谱曲线。

Figure 4. (a) 不同球磨时间制备的 G/WPU 薄膜在 X 波段频率范围内的 EMI 屏蔽性能。(b) X 波段中平均 SE 吸收、SE 反射和 SE 总和的总结。(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。(d) 不同石墨烯含量的 G/WPU 薄膜的 TGA 曲线、(e) 电导率和 (f) EMI SE。(g) 不同厚度的 G/WPU 薄膜的 EMI SE。(h) 不同厚度的平均 SE 吸收、SE 反射和 SE 总和的总结。(i) 不同厚度的 G/WPU 薄膜的 R、A 和 T 值的对应功率系数。

Figure 5. （a）未经热压处理和（b）经热压处理制备的 G/WPU 薄膜的横截面图。(c) 采用和未采用应力工艺制备的 G/WPU 薄膜的电导率和 (d) EMI SE 性能。

Figure 6. (a) 制备的致密 G/WPU 薄膜的 EMI 屏蔽机制示意图。(b) 本工作中 G/WPU 薄膜与其他一些报道的屏蔽材料的 EMI SE 性能比较。

Figure 7. (a) 纯WPU薄膜和不同石墨烯含量的G/WPU薄膜的热导率。(b) G/WPU 薄膜分别在拉伸和断裂状态下的照片。(c)不同石墨烯含量的G/WPU薄膜的(c)拉伸应力-应变曲线和(d)拉伸强度和弹性模量，(c)中的插图是G/WPU-3薄膜的曲线。

相关研究工作由中国石油大学（北京）Yongfeng  Li课题组于2022年在线发表在《Nano Research》期刊上，原文：Flexible and densified graphene/waterborne polyurethane composite film with thermal conducting property for high performance electromagnetic interference shielding。