北航衡利苹《ACS Nano》：超润滑石墨烯液态金属层状异质纳米复合材料用于稳定高性能电磁屏蔽

随着现代电子通信技术的蓬勃发展，尤其是5G技术的广泛应用，无处不在的电磁辐射对工业生产中的大量精密电子设备的安全稳定运行造成了严重的安全隐患。更为严重的是，电磁辐射的泛滥对人类的生命健康已经构成了不可忽视的威胁。为了解决电磁辐射造成的严重挑战，电磁屏蔽材料的应用已经成为最佳的解决方案。然而现有的电磁屏蔽材料多以传统金属材料为主，受限于其密度大，加工难度高等缺点其难以被应用在对体积及重量有高要求的精密电子设备中；更重要的是，传统金属材料不具备柔性难以被应用在柔性电磁屏蔽领域。随着近年来对具备室温流动性的镓金属和镓基合金液态金属材料的研究逐步深入，其在柔性电磁屏蔽材料领域已经表现出了相当的潜力。然而，现有的镓基液态金属电磁屏蔽材料普遍需要与绝缘的聚合物基材共混，以得到具备一定机械强度的可实际应用的电磁屏蔽材料，这无疑会导致镓基液态金属本征超高电导率（＞1×10⁶ S/m）的损失，进而导致电磁屏蔽性能无法达到最佳的水平。因此使用一种本身也具备超高电导率的基材来构建液态金属柔性复合材料，是提升液态金属柔性电磁屏蔽复合材料性能的关键。另外随着电磁屏蔽材料应用场景日趋复杂化，电磁屏蔽材料在极限环境中的屏蔽效率稳定性亦成为衡量电磁屏蔽材料性能的重要标准。

成果介绍

近日，北京航空航天大学化学学院衡利苹研究员在《ACS Nano》上发表了题为“Slippery Graphene-Bridging Liquid Metal Layered Heterostructure Nanocomposite for Stable High-Performance Electromagnetic Interference Shielding”的研究。该研究构建了一种具有超润滑界面的还原氧化石墨烯/液态金属(S-rGO/LM)异质层状纳米复合材料，用于高性能稳定的电磁屏蔽。S-rGO/LM薄膜在内部厚度仅33微米时其X波段电磁屏蔽效率可达80 dB，屏蔽99.999999%的入射电磁波，且该材料在抵抗多种严苛环境（严苛化学环境、极限工作温度、严重机械磨损）后具备超高的电磁屏蔽效率保留能力（电磁屏蔽效率＞70 dB）；另外得益于该材料超高的电导率和光热转化效率，其还具备良好的焦耳加热能力及光热转化能力，这与材料优良的润滑特性结合使得该材料可被应用于抗结冰/除冰。

超润滑石墨烯/液态金属层状异质纳米复合材料的构筑

大片径氧化石墨烯（GO）片层和通过超声制备的纳米尺度液态金属（LM）液滴通过静电力作用形成稳定的GO/LM胶体态乳液，之后通过真空辅助抽滤得到GO/LM薄膜，之后通过机械按压（5 MPa）使得LM液滴的Ga₂O₃壳层破裂，并使其中体相LM流延形成LM片层，进一步通过在管式炉中800 ℃高温退火得到异质层状还原氧化石墨烯/液态金属rGO/LM纳米复合薄膜，最终将该薄膜通过在稀释后的聚二甲基硅氧烷（PDMS）溶液中浸涂并固化之后旋涂硅油得到具有超润滑特性的S-rGO/LM复合薄膜。由于rGO片层对LM片层起到了良好的桥接和限域作用，该复合纳米材料内部形成了连续完整的异质层状导电网络。同时，得益于材料的热稳定性和超润滑界面的协同保护，材料具备良好的严苛环境耐受性，和稳定的电磁屏蔽能力。

S-rGO/LM薄膜的导电性能和电磁屏蔽性能

研究者发现随着材料初始GO/LM比例的增大，得到的S-rGO/LM薄膜的电导率持续增加，在配比为1-11时电导率可达5154 S/cm，但当配比高于1-11后，材料电导率的增加趋势明显下降。这是由于材料内部完整成熟的异质层状复合导电网络的形成。S-rGO/LM薄膜超高的电导率对其在电磁屏蔽的应用具有重要意义，研究发现在8.2-12.4 GHz范围内S-rGO/LM薄膜表现出良好的电磁屏蔽性能，当GO/LM的初始配比为1-11时材料内部厚度为33微米时，该材料的电磁屏蔽效率可达80 dB；当材料的内部厚度为67微米时，该材料的电磁屏蔽效率高达100 dB。S-rGO/LM薄膜优秀的电磁屏蔽性能源于其超高电导率和内部异质层状结构的协同作用。

S-rGO/LM薄膜抵抗严苛环境后的电磁屏蔽效率

S-rGO/LM复合薄膜的超润滑特性使其在不同严苛化学环境中均表现出了超强的电磁屏蔽性能保持率，其在1M氢氧化钠溶液、1M盐酸溶液、1M高锰酸钾溶液、1M硫酸铜溶液，和实际海水中浸泡48小时后，其电磁屏蔽效率均保持在70 dB以上。得益于材料的良好热稳定性，该材料在长时间放置于极限温度环境后，其电磁屏蔽效率保持在75 dB以上，其稳定工作温度区间范围达-65℃—200℃，同时该材料在直接抵抗明火燃烧1分钟后，其电磁屏蔽效率依旧保持在50 dB以上。S-rGO/LM薄膜还表现出了超强的机械磨损耐受性，在抵抗300 W功率超声1小时后其电磁屏蔽效率稳定在70 dB，其在2000次循环弯折试验后电磁屏蔽效率亦未发生显著下降。

S-rGO/LM薄膜的焦耳热和光热性能及抗结冰/除冰应用

S-rGO/LM薄膜除了具有出色的电磁屏蔽性能外，还具备优秀的热管理性能，可以用作高性能光热转化器和焦耳加热器。S-rGO/LM薄膜在1个太阳光照功率（100 mW/cm²）下表面温度在40 s内可达47.5 ℃，其在1.75 V的超低驱动电压下其表面温度可在10 s内达到179 ℃的超高值。得益于S-rGO/LM纳米复合材料出色的光热和焦耳热性能，结合材料优异的超润滑特性，其具备良好的除冰、融雪能力，在-15 ℃的低温环境下，其在44 s内可以融化并去除冻结的冰块，在150 s内可完全融化并去除覆盖于其上的雪堆。此外，在1个太阳光照功率下，其表面在-15 ℃的环境中可长时间保持不结冰。更为重要的是，在经历40次融雪过程循环后，其电磁屏蔽性能几乎无衰减，表明S-rGO/LM薄膜在低温地区作为电磁屏蔽和抗结冰/除冰双功能材料应用的巨大前景。

小结

北京航空航天大学衡利苹研究员课题组构筑了一种具备环境稳定高电磁屏蔽性能的还原氧化石墨烯/液态金属异质层状纳米复合材料。S-rGO/LM薄膜在内部厚度仅为33微米时，电磁屏蔽性能可达80 dB,在67微米时高达100 dB。同时该材料在抵抗各种严苛环境后，其电磁屏蔽效率保持在70 dB以上，表现出了良好的电磁屏蔽稳定性。此外，该材料还具备良好的光热/焦耳加热能力，可以被应用于抗结冰/除冰领域。S-rGO/LM纳米复合材料有望成为一种可靠的高性能电磁屏蔽材料，具有应对复杂场景的能力，在柔性穿戴设备、军事装备和航空航天领域显示出巨大的潜力。