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现高效电磁浙江大学高超课题组--极低石墨烯负载的石墨烯/聚合物复合材料中实干扰屏蔽
发布时间: 2020-07-28 发布人: 打印 关闭

材料分析与应用


本文要点:

一种有效的方法来增强聚合物基复合材料的EMI屏蔽性能,有望用于民用军事方面

成果简介

复合材料的电磁干扰(EMI)屏蔽性能通常受其电导率和磁导率的限制,而电导率和磁导率在很大程度上取决于导电填料的含量,纵横比,磁导率等。较高的填料含量通常会导致成本高,分散性差和易于团聚,从而使聚合物复合材料机械上变脆并且难以加工。因此,非常需要开发具有低导电填料含量同时保持其高EMI屏蔽性能的复合材料。

本文 浙江大学高分子科学与工程学系高超教授(点击蓝色字体有导师详细介绍)课题组在Carbon期刊发表名为“High-efficiency electromagnetic interference shielding realized in nacre-mimetic graphene/polymer composite with extremely low graphene loading”的论文,研究具有极低石墨烯负载的拟真石墨烯/聚合物复合材料实现了高性能的EMI屏蔽。通过独特的双向冻结技术,制备了具有双轴排列层状结构的拟真3D导电石墨烯网络

借助这种类似珍珠母的,高度对齐的网络,我们的石墨烯/聚合物复合材料表现出各向异性的导电性,机械性能,因此在极低的石墨烯含量下具有出色的EMI屏蔽效果。特别,石墨烯气凝胶在2500°C退火后,具有0.42 wt%石墨烯含量的仿生复合材料显示出约65 dB的增强EMI屏蔽效果,与铜箔相当。更显着的是,由于复合材料的密度低,其比屏蔽效果甚至比具有高导电填料含量的金属箔和固体材料的屏蔽效果还要高。

图文导读

图1。(a–d)各向异性石墨烯/ PDMS复合材料的制造过程示意图。

图2。(a–c)分别在LN(a),-110°C(b)和-50°C(c)的冷冻温度下平行于氧化石墨烯气凝胶铜板的横截面的SEM图像。氧化石墨烯气凝胶显示出长距离排列的层状结构。冷冻温度对气凝胶的层状结构影响很大,层间间距明显增加,并且随着冷冻温度的升高,枝晶和层间桥的数量也增加。

(d)概括的层间间距/层密度和(e)电导率与冻结温度的关系。

(f)在不同温度下冷冻的石墨烯/ PDMS复合材料的EMI屏蔽性能。

(g)总结EMI屏蔽效果与冻结温度的关系。与具有更多层状界面的复合材料相对应的增强的EMI屏蔽效果。

图3。石墨烯/ PDMS复合材料(LN-0.49 wt%)在XY平面(a),ZX平面(b)和YZ平面(c)的形态。

(a)中的插图是各向异性复合结构的示意图。

(d–f)与(a–c)中的复合物相对应的复合物放大图像。在YZ平面上看到的均匀复合材料。在XY和ZX平面上均可见的层状结构复合材料。

(g)石墨烯/ PDMS复合材料的各向异性力学性能,

(h)各向异性电导率和(i)各向异性EMI屏蔽效果。

图4。导电填料的浓度对石墨烯/ PDMS复合材料的EMI屏蔽效果产生影响。

图5。比较石墨烯基聚合物复合材料,薄膜和我们的长距离排列片状结构石墨烯/ PDMS复合材料的EMI屏蔽效果。

小结

总之,实现了高性能的EMI屏蔽石墨烯/ PDMS复合材料,石墨烯含量极低,例如在0.42 wt%的石墨烯/ PDMS复合材料中约为65 dB。采用双向冻结技术制备了具有超低渗滤阈值的长距离层状结构石墨烯网络。通过将PDMS渗入模拟拟真的高度对齐3D石墨烯网络中,柔性石墨烯/ PDMS复合材料在极低的石墨烯含量下具有各向异性的导电性,机械性能和出色的EMI屏蔽效果。通过结构控制,可以在长距离排列的复合材料中实现超低渗透阈值。而且,特定的远程排列的层状结构有助于层间反射,当电磁波穿过复合材料时,更多的层状界面会导致更多的能量损失。通过构建更有效的仿珍珠质3D导电网络,研究提供了一种有效的方法来增强聚合物基复合材料的EMI屏蔽效果,使其在民用和军事上都具有经济和功能前景。

作者

WeiweiGao(通讯作者),NifangZhao, TianYu, JiabinXi ,AnranMao ,MengqiYuan ,HaoBai, ChaoGao(通讯作者)

参考文献:

High-efficiency electromagnetic interference shielding realized in nacre-mimetic graphene/polymer composite with extremely low graphene loading