中石大（北京）《Carbon》：规模化生产柔性、多功能石墨烯基聚合物复合薄膜，用于可穿戴设备、国防和航空航天领域

成果简介

石墨烯具有高导电性、低密度和消散电磁波的能力，因此其在轻质、超薄和柔性电磁干扰（EMI）屏蔽材料方面的潜力受到了广泛关注。此外，人们迫切需要具有多功能特性的 EMI 屏蔽材料。本文，中国石油大学（北京）杨旺  副教授、李永峰 教授团队在《Carbon》期刊发表名为“Scalable production of flexible and multifunctional graphene-based polymer composite film for high-performance electromagnetic interference shielding”的论文，研究提出了一种具有致密三维多层结构的柔性石墨烯/碳纳米管/聚氨酯（GC/PU）复合薄膜。这种GC/PU薄膜具有42.9MPa 的高拉伸强度、2087.2 S/m 的超高电导率以及130μm 厚度时37.7dB 的X波段EMI屏蔽效率，520 μm 时更高达72.1dB。此外，这种 GC/PU 薄膜还具有出色的电热性能（5.0 V 时表面温度为 127.5 ℃，热响应时间小于20秒）和阻燃性能，从而使其具有防结冰/除冰能力。因此，这项研究为开发可用于可穿戴设备、国防和航空航天领域的高性能EMI屏蔽复合材料提供了一种可行的方法。

图文导读

方案1.GC/PU 薄膜制备过程的示意图。

图1.用不同 CNT 填充量 G/PU （a-c）、GC/PU-2（d-f） 和GC/PU-4（g-i） 制备的 GC/PU 薄膜的 SEM 图像。（j-l）GC/PU-2薄膜的横截面SEM图像。

图2.（a） 大面积 （80 × 80 cm） 独立式 GC/PU 胶片的照片。（b） GC/PU-2 薄膜的照片，显示其特性包括柔韧性、薄性、折叠性和弯曲性。（c） 0.16 g GC/PU-2 胶片和 500 g 砝码的照片。不同填充量的 GC/PU 薄膜的拉伸应力-应变曲线 （d）、TGA 曲线 （e） 和拉曼光谱 （f）。

图3、GC/PU 薄膜导电性。

图4.无规则分散的石墨烯片 （a） 和用 CNT 连接排列的紧密结构石墨烯片 （b） 的图示。（c） GC/PU 薄膜的 EMI 屏蔽机制。

图5.GC/PU 薄膜的电加热性能。

小结

综上所述，本文通过一种可行的绿色制造方法开发了一种柔性 GC/PU 层状复合材料。在CNT的桥接作用下，与石墨烯纳米片合作成功构建了GC/PU薄膜的三维导电网络。所制备的 GC/PU 薄膜表现出优异的导电性 （2087.2 S/m）、面外导热性 （1.78 W/（m·K））、高 EMI 屏蔽效果（130 μm 厚度时的平均 EMI SE 为 37.7 dB，520 μm 时的平均 EMI SE 为 72.1 dB）和在承受各种恶劣条件后具有出色的 EMI 屏蔽稳定性，这应归因于分层的异质内部结构。此外，所生产的 GC/PU 薄膜集成了令人满意的电加热性能，使其能够用于有前途的防冰/除冰应用。可以设想GC/PU薄膜成为能够应对复杂场景的先进 EMI 屏蔽材料，从而在柔性可穿戴设备、军事武器和航空航天领域显示出巨大潜力。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119875