具有优异的电磁屏蔽、焦耳热、耐高温和压力传感性能的石墨烯/SiC涂层修饰多功能织物

研究背景与目的

尽管通信技术的发展给人们的生活带来了便利，但严重的电磁干扰和辐射的产生对设备的精度甚至人体健康都是有害的。此外，随着对功能性和便携性的需求不断增加，个性化体温调节、个性化医疗保健和运动运动监测等领域对可穿戴电子设备的需求也日益迫切。在这种背景下，人们开始广泛尝试设计具有EMI屏蔽、焦耳加热和压力传感的多功能织物。然而，如何在功能性与高温稳定性之间取得平衡，仍然是一个巨大的挑战。因此，寻找稳定高效的导电材料，在保证导电织物多功能性的同时，提高导电织物的高温稳定性至关重要。

G/SiC复合材料结合石墨烯和SiC材料的优势，具有高导电性和高温稳定性，有利于长期稳定的多功能应用。然而传统石墨烯制备方法中往往会产生缺陷，使其固有导电性变差。除了提高导电性外，构建具有多个反射界面的异质结构也是提高EMI性能的有效途径。与机械混合相比，微/纳米级组装方式有利于生成大表面积的异质结构，这有助于界面极化引起的介电损耗。因此，高质量石墨烯和SiC的微/纳米级组装有利于提升EMI屏蔽性能，并同时保证了高导电性和耐高温性。

本文提出了一种LCVD制备石墨烯/SiC (G/SiC) 纳米异质结构涂层修饰碳布的方法，制备了高温稳定且具有焦耳热和压力传感性能的多功能电磁屏蔽织物，为制备高温稳定的多功能织物提供了一种新的策略。

结果与讨论

通过调节沉积温度来调控前驱体的分解程度，实现了石墨烯和SiC原位共沉积，形成了由大量的纳米尺寸G/SiC异质结构组成的G/SiC复合涂层。多层石墨烯 (N = 6 ~ 20) 分别分布在SiC晶粒表面和晶粒之间。此外，石墨烯/SiC异质结构以高分散的纳米尺寸组装，形成高质量石墨烯导电网络。

图1 (a) 复合涂层的合成工艺示意图。(b) 显示灵活性的光学照片。(c) 碳布在不同T_dep时的表面SEM图像。(d) T_dep= 1350℃时制备的G/SiC异质结构的截面SEM和(e-g) HRTEM图像。

首先，涂层CFs之间的空间可以促进电磁波的多次反射，进一步提高电损耗。同时，石墨烯的存在导致导电率增加，提升电导损耗。G/SiC异质结构中石墨烯、SiC基体和CFs之间形成了丰富的界面，进一步促进了界面反射和界面极化。由于电荷分布不对称，极化发生在石墨烯和SiC之间的界面上。由此产生的界面偶极子通过进一步提高介质损耗来提高电磁波吸收。这表明碳布上G/SiC异质结构的构建对提高G/SiC/CFs的EMI屏蔽效能起着关键作用。

图2 (a) G/SiC/CFs的EMI屏蔽机理示意图。优化后的结构侧视图及G/SiC在Si端 (b) 和C端 (c) 的平面平均电子差计算电荷密度差

在本工作中，G/SiC/CFs在0.45 mm的厚度下表现出74.2 dB的高EMI屏蔽效能，其SE/t值达到164.9 dB/mm，远优于目前报道的各种织物基EMI屏蔽材料。此外，G/SiC/CFs在弯曲试验前后，导电性和EMI屏蔽效能无明显下降，表现出良好的稳定性。

图3 (a) 织物的导电性。(b) G/SiC/CFs的总屏蔽效能。(c) 织物的平均SE_R、SE_A和SE_T的比较。(d) G/SiC/CFs在扭转和弯曲试验中的归一化电阻变化。(e) G/SiC/CFs在10000次弯曲过程中的归一化电阻变化。(f) G/SiC/CFs归一化电阻随弯曲循环次数的变化。(g) 目前报道的各种EMI屏蔽织物的SE值随厚度变化的比较。

G/SiC/CFs在1 ~ 3 V的低工作电压范围内具有良好的焦耳加热性能：温度分布均匀、响应时间快 (< 20 s) 以及优异的循环稳定性和长期稳定性。

图4 (a) 0 ~ 3 v不同电压下G/SiC/CFs的红外摄像机图像。(b) 不同电压下焦耳加热性能。(c) G/SiC/CFs的I-V曲线和 (d) T_s与U²的线性拟合。(e) 电压梯度变化时G/SiC/CFs的表面温度。(f) 重复2.5 V电压时的加热循环稳定性。(g) G/SiC/CFs在2.5 V时的长期时间–温度曲线。

G/SiC/CFs由于碳纤维表面SiC基涂层的抗氧化保护，其耐热指数 (T_HRI)可达380.2℃，具有良好的耐高温性能。结合前文分析可知，G/SiC/CFs表现出优异的综合性能 (EMI屏蔽、柔韧性、稳定性、导电性和焦耳热)。

图5 (a-b) 空气气氛下G/SiC/CFs在不同T_dep下的TGA和DTG曲线。(c) MXene涂层织物与G/SiC涂层纺织品综合性能的比较。(d) 柔性EMI屏蔽材料T_HRI的比较。

G/SiC/CFs具有良好的压阻性能，其灵敏度 (S) 为52.93 kPa⁻¹，响应时间快至85 ms，压力范围宽至186 kPa，且具有长期稳定性。

图6 (a )不同压力下传感器的I-V曲线。(b) 电流随压强的相对变化 (∆I/I₀)。(c) 不同压强下G/SiC/CFs的I-T曲线。(d) 循环加卸载条件下电流和压力的变化。(e) 38.2 kPa下500次循环稳定性测试。(f) 压阻传感器的工作原理和电路原理图。

结论

总之，本文展示了一种LCVD方法制备石墨烯/SiC (G/SiC) 纳米异质结构涂层修饰碳布的方法，G/SiC/CFs表现出优异的EMI屏蔽、焦耳加热、耐高温和压力传感性能。大量的G/SiC异质结构促进了多次反射、界面极化和高导电性，显著提高了EMI屏蔽效能 (74.2 dB，0.45 mm)。此外，还考察了作为热管理器和压阻传感器的可行性，包括焦耳加热性能、循环稳定性、热稳定性和压力传感性能。这项工作为制造轻质、柔性、抗电磁干扰、焦耳加热和耐高温的纺织品压力传感器提供了一种新策略，在多功能和保护性纺织品领域具有广泛应用。