石墨烯基電纜屏蔽復(fù)合材料的研究進(jìn)展

沈治華，單黎明

（1.杭州高新橡塑材料股份有限公司，浙江杭州311116；2.上海國(guó)纜檢測(cè)中心有限公司，上海200093）

石墨烯基電纜屏蔽復(fù)合材料的研究進(jìn)展

沈治華1，單黎明2

（1.杭州高新橡塑材料股份有限公司，浙江杭州311116；2.上海國(guó)纜檢測(cè)中心有限公司，上海200093）

石墨烯具有高比表面積、長(zhǎng)徑比及電導(dǎo)率，兼具質(zhì)輕、高導(dǎo)熱、良好力學(xué)性能、高電磁屏蔽等特性。以石墨烯為填料研制具有優(yōu)異綜合性能的電磁屏蔽材料，有著重要的經(jīng)濟(jì)效益和研究?jī)r(jià)值。綜述了石墨烯在電纜屏蔽材料領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并提出了該領(lǐng)域的發(fā)展方向。

石墨烯；電磁屏蔽；電纜；屏蔽材料

0 引 言

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，電子電氣設(shè)備已在各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，它們?cè)诮o人們的生活提供極大便利的同時(shí)，也暴露出了嚴(yán)重的電磁污染問(wèn)題［1］。相關(guān)研究證實(shí)，電子電氣設(shè)備發(fā)出的電磁波不但會(huì)干擾其他儀器設(shè)備的正常工作，而且還可能導(dǎo)致信息泄露，甚至危害人體健康。我國(guó)對(duì)電磁屏蔽材料的研究，雖起步較晚，但發(fā)展迅速，已開(kāi)發(fā)出高性能低成本的電磁屏蔽材料用于國(guó)防裝備、電力、信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域。

電纜屏蔽一方面可以減少電纜內(nèi)部傳輸信號(hào)的泄漏，降低對(duì)外的電磁輻射污染，使信息更加保密；另一方面可以有效地防止外部電磁環(huán)境對(duì)電纜內(nèi)信號(hào)產(chǎn)生干擾，保證信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量［2］。電纜屏蔽應(yīng)采用高磁導(dǎo)率和高電導(dǎo)率的材料，目前電纜中使用的屏蔽材料主要有鋁、銅、銀、鍍銀銅、合金等金屬材料，以及半導(dǎo)電聚合物及其復(fù)合材料。通常來(lái)說(shuō)，電磁屏蔽聚合物復(fù)合材料是往聚合物基體中添加導(dǎo)電或半導(dǎo)電填料制備的復(fù)合材料，填料不僅要具有良好的導(dǎo)電屏蔽性能，還要有優(yōu)異的加工性能和較好的性?xún)r(jià)比，如炭黑、石墨、金屬粉等。

1 石墨烯的簡(jiǎn)介

在碳系屏蔽材料中，炭黑、石墨、碳纖維、碳納米管等已經(jīng)有相當(dāng)廣泛的研究。作為一種新型碳材料，石墨烯比碳納米管更有可能成為一種新型有效的電磁屏蔽或微波吸收材料［3］。

石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄的二維材料，完美的石墨烯具有理想的二維晶體結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），由六邊形晶格組成，構(gòu)成一個(gè)二維空間無(wú)限延伸的基面。其C—C鍵的鍵長(zhǎng)大約0.142 nm。石墨烯中每個(gè)碳原子的σ鍵與周?chē)钠渌荚舆B接，具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)剛性。石墨烯中每個(gè)碳原子都有一個(gè)未成鍵的π電子，π電子在與平面垂直方向上形成了π軌道，電子可以在晶體中自由地移動(dòng)，所以石墨烯具有很好的導(dǎo)電性。

圖1 石墨烯的結(jié)構(gòu)

由于石墨烯具有優(yōu)異的物理性能，且制備成本比富勒烯（C60）低很多，向聚合物基體中引入石墨烯制備納米復(fù)合材料可顯著改善材料的綜合性能，因此，這種新型納米材料已成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。

2 石墨烯屏蔽料的研究現(xiàn)狀

在電纜屏蔽中，目前主要使用兩大類(lèi)材料：高壓電纜的內(nèi)、外屏蔽料，使用以導(dǎo)電炭黑為主的具有半導(dǎo)電性能的材料；信號(hào)傳輸電纜使用具有導(dǎo)電、導(dǎo)磁特性的材料。在這兩類(lèi)材料中，添加適量的石墨烯均有可能改善或提高現(xiàn)有屏蔽料的性能。

2012年歐美國(guó)家就出現(xiàn)了石墨烯電纜屏蔽相關(guān)專(zhuān)利，而在我國(guó)石墨烯發(fā)展較晚，直到2015年石墨烯在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域特別是電線(xiàn)電纜領(lǐng)域的應(yīng)用仍然罕有報(bào)道。可見(jiàn)，石墨烯需要更多研究人員與工程技術(shù)人員的關(guān)注與研究［5］。

石墨烯與納米石墨微片的片層厚度對(duì)復(fù)合材料的電磁屏蔽效能有重要的影響。圖2a和圖2b為還原氧化石墨烯和納米石墨片的電磁屏蔽效果圖［7］。從石墨到納米石墨微片再到石墨烯，隨著石墨層數(shù)的減少，復(fù)合材料的電磁屏蔽效能逐漸增加。這是由于石墨烯的大量官能團(tuán)和結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)增加極化損耗；同時(shí)，石墨層數(shù)的減少會(huì)增加材料的電傳導(dǎo)路徑而提高傳導(dǎo)損耗；薄片、柔性及表面褶皺的石墨烯會(huì)明顯提高電磁波的傳導(dǎo)路徑［6］。此外，研究證實(shí)，石墨烯基復(fù)合材料會(huì)表現(xiàn)出異于其它碳類(lèi)填料的卓越的電磁屏蔽性能。因此，在聚合物石墨烯電纜屏蔽料的研發(fā)及配方設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量使用片層較薄的納米石墨片或單層石墨烯。圖2c～圖2f是不同添加量的石墨烯復(fù)合材料和納米石墨片在不同頻率下的電磁干擾屏蔽效率和增量圖［7］。結(jié)果顯示，在2～18 Hz帶寬下，石墨烯添加20 wt%的復(fù)合材料電磁干擾屏蔽效率≥20 dB（見(jiàn)圖2f）。該復(fù)合材料被證明是一種高效的電磁屏蔽材料，其良好的電磁屏蔽性能主要得益于電磁波吸收和反射的協(xié)同作用。

近期，Chen和Huang［8］課題組在碳材料填充制備電磁屏蔽聚合物復(fù)合材料上取得了很大進(jìn)展，將石墨烯與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合，該復(fù)合材料表現(xiàn)出很好的電磁屏蔽性能，15 wt%石墨烯填充量下復(fù)合材料電磁干擾屏蔽效率達(dá)到21dB，同時(shí)該復(fù)合材料還具有輕質(zhì)、抗腐蝕、柔性、易加工等特點(diǎn)。Yan等［9］制備了石墨烯聚苯乙烯復(fù)合材料，結(jié)果表明，石墨烯添加量為3.47%時(shí)，復(fù)合材料電磁干擾屏蔽效率高達(dá)48 dB。此外石墨烯還被填充于其他的聚合物基體，如電纜行業(yè)常用的聚烯烴、聚氯乙烯、聚硅氧烷及各種合成膠中，這些復(fù)合材料除了具有良好的電磁屏蔽性能、力學(xué)性能外，還具有良好的加工性能［10］。

石墨烯基電纜屏蔽復(fù)合材料近年來(lái)被廣泛研究。Song［11］等構(gòu)建了柔性全碳電傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)——碳纖維/納米石墨微片/碳纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在很小的厚度下可明顯提高復(fù)合材料的電磁屏蔽性能。由于內(nèi)部連接碳網(wǎng)絡(luò)的建立，明顯提高了材料的導(dǎo)電性能，此外該材料的電磁波吸收效率達(dá)98%。Chen等［12］通過(guò)CVD法制備了石墨烯三維泡沫，用其澆注聚硅氧烷可得到具有良好電磁屏蔽性能的柔性復(fù)合材料。

3 結(jié)果與展望

石墨烯由于具有高比表面積、長(zhǎng)徑比及電導(dǎo)率，成為制備兼具質(zhì)輕、高導(dǎo)電、良好力學(xué)性能及高電磁屏蔽的電纜屏蔽料的理想填料，并且在復(fù)合填料中，石墨烯的加入可減少其他填料的添加，具有很好的協(xié)同作用，從而改善加工性能。然而制備具有良好綜合性能的電纜屏蔽料以及產(chǎn)業(yè)化方面仍然需要做出很大的努力。首先要考慮石墨烯與其他填料、助劑和聚合物基體間的相互作用，生產(chǎn)出不同結(jié)構(gòu)的石墨烯電纜屏蔽料，如石墨烯紙、石墨烯薄膜和石墨烯泡沫等；其次是賦予石墨烯電纜屏蔽料輕質(zhì)、寬頻、高效、梯度溫度穩(wěn)定性等特質(zhì)；最后是需要進(jìn)一步對(duì)電纜屏蔽機(jī)理進(jìn)行探討，例如電導(dǎo)率和電磁波參數(shù)的匹配，電磁波吸收與反射的協(xié)同作用等。

［1］ 王生浩，文峰，郝萬(wàn)軍，等.電磁污染及電磁輻射防護(hù)材料［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2006，29（12）：96-98.

［2］ 王川川，朱長(zhǎng)青.電磁場(chǎng)對(duì)屏蔽電纜耦合的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.電線(xiàn)電纜，2011（3）：1-5.

［3］ Novoselov K SA，Geim A K，Morozov S V，et al.Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene［J］.nature，2005，438（7065）：197-200.

［4］ Geim A K，Novoselov K S.The rise of graphene［J］.Naturematerials，2007，6（3）：183-191.

［5］ 任芳，朱光明，任鵬剛.納米石墨烯復(fù)合材料的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2014，31（2）：263-272.

［6］ Yan D X，Ren PG，Pang H，etal.Efficient electromagnetic interference shielding of lightweightgraphene/polystyrene composite［J］.Journal of Materials Chemistry，2012，22（36）：18772-18774.

圖2 石墨烯與納米石墨微片復(fù)合材料的電磁屏蔽性能

［7］ Wen B，Wang X X，CaoW Q，etal.Reduced graphene oxides：the thinnest and most lightweight materials with highly efficient microwave attenuation performances of the carbon world［J］. Nanoscale，2014，6（11）：5754-5761.

［8］ Huang H D，Liu C Y，Zhou D，et al.Cellulose composite aerogel for highly efficientelectromagnetic interference shielding［J］. Journal of Materials Chemistry A，2015，3（9）：4983-4991.

［9］ Yan D X，Ren PG，Pang H，etal.Efficient electromagnetic interference shielding of lightweightgraphene/polystyrene composite［J］.Journal of Materials Chemistry，2012，22（36）：18772-18774.

［10］ 方也.新型中高壓半導(dǎo)電屏蔽料的制備與性能研究［D］.北京化工大學(xué)，2012.

［11］ Song W L，Cao M S，Lu M M，etal.Flexible graphene/polymer composite films in sandwich structures for effective electromagnetic interference shielding［J］.Carbon，2014，66：67-76.

［12］ Chen Z，Xu C，Ma C，et al.Lightweight and Flexible Graphene Foam Composites for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding［J］.Advanced Materials，2013，25（9）：1296-1300.

Advances in Graphene-Based Cable Shielding Composites

SHEN Zhi-hua1，SHAN Li-ming2
（1.Hangzhou Gaoxin Rubber&Plastic Materials Co.，Ltd.，Hangzhou 311116，China；2.Shanghai National Centre of Testing and Inspection for Electric Cable and Wire Co.，Ltd.，Shanghai200093，China）

Graphene has a high specific surface area，aspect ratio，electrical conductivity，lightweight，high thermal conductivity，good mechanical properties and high electromagnetic shielding properties.Graphene based electromagnetic shieldingmaterials have excellentoverall performance and have importanteconomic and research value，This paper reviewed the research progress in the field of graphene based shielding cablematerials and proposed the development direction of this field.

graphene；electromagnetic shielding；cable；shieldingmaterial

TM215.1

：A

：1672-6901（2016）06-0024-03

2016-01-18

沈治華（1970-），男，工程師.

作者地址：浙江杭州市余杭區(qū)徑山鎮(zhèn)龍皇路10號(hào)［311116］.