用于高性能电磁屏蔽的超稳定石墨烯气凝胶

研究背景

随着5G通信技术的快速发展，电磁辐射愈加严重，为屏蔽电子设备产生的电磁波干扰，迫切需要开发相应的高性能电磁屏蔽材料。金属材料具有优异的导电能力，是常见的电磁屏蔽材料，但却存在密度大、易腐蚀、难加工等缺陷。具有低密度、高耐腐蚀性、机械稳定性的电磁屏蔽材料在实际应用中越来越受欢迎。迄今为止，研究人员已开发出多种轻质、多功能的柔性电磁屏蔽材料，可通过吸收或反射入射电磁波，进而避免其穿透屏蔽层，能有效减少电磁辐射的侵入。

高度多孔的三维石墨烯网络（石墨烯气凝胶）由于其轻质、导电及独特的三维孔隙结构有望成为电磁屏蔽材料的候选者。但是由于气凝胶内部稀疏的连接及脆弱结点存在，导致气凝胶的本征导电率较低，且难以适应许多极端应用中的复杂变形，进而限制了进一步发展。目前，如何开发低密度、高导电且具有极端机械稳定性的石墨烯气凝胶电磁屏蔽材料仍存在一定的挑战。

为此，浙江大学高超教授团队提出了一种在复杂环境中可保持极端力学稳定性能且具有优异电磁屏蔽能力的石墨烯气凝胶材料，揭示了溶塑发泡石墨烯气凝胶展现出最优的比导电及比电磁屏蔽性能，证实了其众多极端环境中都展现出稳定的电磁屏蔽能力，在航空、航天及深海等军事领域中具有重要实用价值。相关成果以“Ultra-stable graphene aerogels for electromagnetic interference shielding”为题发表在SCIENCE CHINA Materials期刊上（www.sciengine.com/SCMs/doi/10.1007/s40843-022-2208-x）。

论文第一作者为浙江大学硕士生朱恩惠，其中浙江大学高分子系、高分子新物质创制国际研究中心博士后庞凯为共同一作及共同通讯。该论文得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江大学百人计划、博士后科学基金等相关经费的资助。

工作亮点

１. 通过实验揭示了溶塑发泡石墨烯气凝胶具有面面堆叠的双曲面结构，可有效提高材料导电性能，在3.2 mg/cm³密度下导电率高达490.2 S/m；结合多重界面反射，石墨烯气凝胶在1 mm厚度下电磁屏蔽效能达到64.1 dB，比电磁屏蔽能力高达173243 dB•cm²/g。

２.证实了所制备石墨烯气凝胶展现出优异的环境耐受性，经过机械压缩、高低温、燃烧及水下等极端环境后均可保持稳定的电磁屏蔽能力，在军工国防领域展示出巨大应用潜力。

３.优异的机械稳定性赋予了石墨烯气凝胶无损耐受真空袋装的性质，解决了超轻气凝胶材料低密度与大体积之间的矛盾，极大降低了材料的运输及使用成本，为其工业化发展奠定了基础。

研究内容

图1. 双曲面石墨烯气凝胶制备流程图（ａ）及结构表征（ｂ－ｃ）。

图2. （ａ）石墨烯膜与双曲面石墨烯气凝胶的导电性能对比。（b）不同密度双曲面石墨烯气凝胶的R, A, SER, SEA, SET性能对比。（ｃ）石墨烯膜与石墨烯气凝胶的电磁屏蔽机理对比示意图。（ｄ）１ｍｍ厚度的石墨烯气凝胶在X波段的电磁屏蔽效能曲线。（ｅ）比电磁屏蔽性能对比。

图3. （ａ）双曲面石墨烯气凝胶（密度3.7ｍｇ／ｃｍ^３）在95％应变下，10000圈压缩循环测试后的应力保持、塑性变形及能量损耗系数对比。（ｂ）双曲面石墨烯气凝胶压缩过程中的电磁屏蔽效能对比。（ｃ）双曲面石墨烯气凝胶在30天压缩下的应力松弛曲线。（ｄ）双曲面石墨烯气凝胶在长时间应力松弛下的电磁屏蔽能力对比。

图4. （ａ）双曲面石墨烯气凝胶真空袋装过程。（ｂ）经过多次真空袋装过程后的电磁屏蔽效能对比。

图5. （ａ）双曲面石墨烯气凝胶耐燃烧展示。（ｂ）气凝胶在不同燃烧时间下的电磁屏蔽性能变化。（ｃ）在高低温压缩环境下，石墨烯气凝胶电磁屏蔽性能对比。（ｄ）石墨烯气凝胶在水下多次压缩后的电磁屏蔽性能变化。

该工作在溶塑发泡方法的基础上提出了所制备双曲面石墨烯气凝胶具有极端环境稳定且优异的电磁屏蔽能力，推动了石墨烯气凝胶材料的产业化发展。该工作在高超教授团队前期积累和前期经验总结的基础上完成，Advanced Materials, 2013, 25(18):2554-2560；Science Advances, 2020, 6(46):eabd4045；Advanced Materials, 2022, 34, 2103740；Carbon, 2021, 179, 202-208。