碳基电磁屏蔽和吸波材料的诞生

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碳基电磁屏蔽和吸波材料的诞生

近年来，随着电子科学技术的迅猛发展，电磁辐射带来的电磁污染、电磁干扰、泄密等问题，不仅影响通信等电子设备正常工作，对人体健康也存在隐患。特别是随着5G时代的到来，毫米波穿透力差，衰减大，覆盖能力会大幅度减弱，因此5G 对信号的抗干扰能力要求很高，需要大量的电磁屏蔽器件。

金属材料是目前广泛应用的电磁屏蔽材料,但是金属具有密度大、易腐蚀、耐疲劳性差等缺点。铁氧体材料是广泛使用的吸波材料,但是铁氧体材料作为吸波材料的填充含量过高(>50wt%),使材料密度太大、整体的力学性能受到影响。随着人们对碳材料的关注,碳基的电磁屏蔽材料和吸波材料得到了迅速的发展。碳材料,包括碳黑、石墨、碳纳米管、石墨烯等多种同素异形体,具有质量轻、易加工、化学稳定性好、耐高温、导电性高且可调等一系列优点,是制备集轻、薄、高性能电磁屏蔽或吸波性能于一体的理想材料。通过构建碳材料不同的形态,会获得不同电磁响应性能的碳材料。按照电磁屏蔽和吸波材料的形态分类,碳材料主要可以分为致密的薄膜材料、多孔的泡沫材料和碳/聚合物复合材料,

碳膜材料

以石墨烯、碳纳米管等构建的碳薄膜,具有致密的结构和较高的电导率,对微波具有较强的反射性能和衰减性能,因此具有优异的电磁屏蔽性能。由于碳膜材料的厚度较薄(~10μm),低于大多数吸波材料的厚度要求(>2mm),所以大多数的碳薄膜都用于电磁屏蔽而非吸波。薄层的碳膜材料可以实现较高的屏蔽性能,适用于一些体积小的精密仪器和器件。

研究发现具有更高电导率的碳膜材料往往具备更优的屏蔽性能。Fe3O4/GN（石墨烯纳米片膜）膜中即使掺入了大量的磁性材料,其屏蔽效能仍然不如高温处理的GF-2000或CVD生长的石墨烯纸。因此,单纯地以屏蔽效能而论,制备具有低缺陷、高密度、高电导率的碳膜材料是一种实现高屏蔽效能的有效方法。

碳泡沫材料

碳泡沬材料,是以碳材料为骨架结构单元,所构建的一类多孔、轻质的碳材料。按照碳材料的原材料分类,又可以将碳泡沫分为碳气凝胶、碳/海绵复合泡沫、聚合物热解泡沫等。碳泡沬材料具有极轻的密度,在航空航天等需要轻质材料的领域具有很大的潜力。碳泡沫材料的碳含量可以根据需求调节,其导电性可以通过控制碳含量、还原程度来调节。以不同方法制备的碳泡沫在微观结构上表现出可很大的差异。碳泡沫材料既可以作为电磁屏蔽材料,又可以作为吸波材料使用。

碳/聚合物复合材料

碳/聚合物复合材料,就是将具有导电性的碳的填料填充到不导电的聚合物基体中而制成的复合材料。相比于碳气凝胶相比,碳/聚合物复合材料相当于将聚合物填充到了气凝胶的气孔当中。因为不导电的聚合物和空气的电磁响应特性相似,所以具有相似微观结构、导电性、碳填充量的碳/聚合物复合材料和碳泡沫材料往往具有类似的屏蔽效能或吸波性能。碳/聚合物材料的密度较泡沫材料重,但是力学性能也有很大提升,且成本较低。适用于建筑物,大型仪器等材料用量大,且需要材料需要承担一部分力学支撑的应用场合。关于碳/聚合物的电磁屏蔽或吸波材料的研宄十分众多,—般所采用的碳材料为碳黑,碳纤维,纳米级碳纤维,无定形碳,碳纳米管,石墨烯等。而复合材料中对聚合物并没有具体的要求,几乎所有可成型加工的聚合物都可以用来作为电磁屏蔽材料或吸波材料的聚合物基体。但是,不同的聚合物材料由于其物理性质的差异会对复合材料的微观结构造成差异,从而对材料的性能造成一定影响。

对于碳/聚合物屏蔽材料,为了实现较好的屏蔽性能,材料必须具有较高的导电性。一般认为,宏观电导率达到1Sm-1是碳/聚合物材料实现优异屏蔽性能的最低标准。为了实现较高的屏蔽效能,一般要求碳填料在聚合物中可以形成搭接紧密的导电网络。一般情况下,具有较高横纵比的填料更容易形成更好的导电网络,从这个角度讲,石墨烯的性能最好,碳纳米管次之,然后是碳纤维,碳黑。此外,分散方法,是高性能屏蔽复合材料的一个关键工艺。填料的分散性越好,则材料整体越趋向于拥有更好的屏蔽性能。

对于碳/聚合物吸波材料,要实现比较好的吸波性能,同样是要通过调节材料的介电性能(电导率)让材料最佳平衡阻抗匹配和电磁波损耗能力。调节碳材料的填充含量是优化材料吸波性能的主要方法。此外,増加填料在聚合物中的分散性，制备具有多层结构,梯度结构的复合材料也可以进一步优化复合材料的吸波性能。

参考资料：席嘉彬；高性能碳基电磁屏蔽及吸波材料的研究

IKN 2019-09-30 | 阅读：2886

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