石墨烯電磁屏蔽涂料的研究進(jìn)展

趙建偉 尚陽(yáng) 劉栩瑞 崔杰

1 引言

隨著人類社會(huì)的快速發(fā)展，除卻被人們所熟悉的水污染、噪音污染、空氣污染等問題，電磁污染對(duì)人類的危害也在日益加劇，正逐漸被人們熟知和關(guān)注[1]，特別是在信息技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，各類電子設(shè)備進(jìn)入了人類的生產(chǎn)生活，帶來(lái)便利的同時(shí)也帶來(lái)了電磁污染和射頻干擾，引發(fā)了危害身體健康等一系列問題[2]。因此，電磁污染的治理日益迫切。開發(fā)有效的電磁屏蔽材料越來(lái)越受到研發(fā)人員的關(guān)注，被廣泛研究的電磁屏蔽材料主要有金屬類、合金類材料、高分子基復(fù)合材料、電磁屏蔽涂料等。金屬類、合金類材料存在密度大、易腐蝕、不易散熱等缺點(diǎn)，高分子基材料存在導(dǎo)電性能差、屏蔽效能低、合成工藝復(fù)雜以及復(fù)合后材料機(jī)械性能差等問題，而電磁屏蔽涂料有著使用方便、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，被廣泛開展研究[3]。

2 電磁屏蔽涂料

電磁屏蔽涂料主要由成膜物、導(dǎo)電填料、助劑、溶劑等組成的一種功能性涂料，分為本征型和填充型2種。本征型電磁屏蔽涂料的成膜物質(zhì)要求為導(dǎo)電高分子材料，成本高、不易加工的問題限制了其推廣應(yīng)用。填充型電磁屏蔽涂料的成膜物質(zhì)一般不要求具有導(dǎo)電性，是以具有良好導(dǎo)電性能的功能填料使其實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽功能，工藝簡(jiǎn)單、成本低、豐富多樣、使用方便，被廣泛應(yīng)用[4]。

目前，填充性電磁屏蔽涂料中常見的填料有金屬系、碳系、復(fù)合填料、金屬氧化物、納米導(dǎo)電填料等[5，6]。金屬系導(dǎo)電填料的導(dǎo)電性能好，常用的有銅、銀、鎳等，其中銅的抗氧化性較差、性能不穩(wěn)定、需預(yù)處理；銀存量少、成本高；鎳的導(dǎo)電性相比銅、銀較差，但價(jià)格適中，抗氧化性能好，相對(duì)使用較為廣泛。碳系主要有石墨、炭黑，存在導(dǎo)電性能一般、用量大、屏蔽效果差等缺陷，復(fù)合填料將多種功能填料進(jìn)行協(xié)同作用，進(jìn)一步提升涂層的電磁屏蔽性能[7]。金屬氧化物如鐵氧體，電磁波吸收能力較好，常用于吸波材料，納米導(dǎo)電填料因其比表面積大、納米級(jí)的尺寸結(jié)構(gòu)，制備的電磁屏蔽涂料具有密度小、機(jī)械性能好、覆蓋頻帶寬等特點(diǎn)[8]。

因此，利用粒徑小、導(dǎo)電性能好、機(jī)械性能強(qiáng)、低密度、比表面積大的填料開發(fā)電磁屏蔽涂料成為了新的研究熱點(diǎn)。

3 電磁屏蔽機(jī)理

SER、SEA、SEM分別表示屏蔽材料表面對(duì)電磁波的反射損耗、對(duì)電磁波的吸收損耗、2個(gè)界面處多次反射而造成的多次反射損耗（見圖1）。研究表明，屏蔽材料導(dǎo)電性比較好則反射損耗較大，磁導(dǎo)率較大則吸收損耗很大而反射損耗很小，厚度越厚則多次反射損耗越大[10，11]。

對(duì)于屏蔽效能的評(píng)價(jià)，一般認(rèn)為，屏蔽效能≥20dB，可屏蔽90%的電磁波，具備電磁屏蔽效果[12]，屏蔽效能達(dá)到35dB時(shí)，具備中等屏蔽效能，初步滿足民用要求，屏蔽效能≥75dB時(shí)，具備高屏蔽效能，可用于軍工產(chǎn)品[12，13]。

4 石墨烯電磁屏蔽涂料

4.1 石墨烯的性能優(yōu)勢(shì)

石墨烯有著低密度、質(zhì)量輕、高導(dǎo)電性[14]〔電子遷移率高達(dá)2×105cm2/（V·s）〕、高熱導(dǎo)率[15]〔室溫下5 300W /（m·K ）〕、高表面積[16]（2 630m2/ g）高強(qiáng)度[17]（楊氏模量達(dá)1TPa）、強(qiáng)疏水性[18]等特性，以及獨(dú)特的二維片狀結(jié)構(gòu)，使電磁波形成多次反射損耗以及多重吸收損耗，成為了填充型電磁屏蔽涂料的理想導(dǎo)電填料，受到越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。

4.2 研究概況

Shen等[19]通過(guò)構(gòu)建由聚酯無(wú)紡布作為增強(qiáng)夾層和具有高石墨烯負(fù)載量的熱塑性聚氨酯（TPU）復(fù)合材料作為導(dǎo)電涂層的夾層結(jié)構(gòu)，石墨烯負(fù)載量約為20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），涂層厚度約為50μm，不僅具有優(yōu)異的機(jī)械柔韌性和強(qiáng)度，而且在5.4～59.6 GHz的寬帶頻率范圍內(nèi)，屏蔽效能（SE）≥20dB的帶寬高達(dá)49.1GHz。

劉元軍等[20]以石墨烯和石墨為功能粒子，制備了石墨烯/石墨單層涂層織物，結(jié)果表明，石墨烯和石墨用量為10：0時(shí)，在0～1000MHz頻率范圍內(nèi)，對(duì)電磁波的極化能力、衰減能力均最強(qiáng)，用量為8：2時(shí)，在0～40 MHz頻率范圍內(nèi)，石墨烯單層涂層織物的屏蔽效能最大。

何文龍等[21]以自制石墨烯為導(dǎo)電填料制備的水性導(dǎo)電涂料，在0.1～1000MHz的頻段范圍內(nèi)，對(duì)電磁波的衰減在30dB以上。

魏峰等[22]以炭黑、石墨粉和石墨烯為導(dǎo)電材料制備的水性電磁屏蔽涂料，在0.3MHz～40GHz頻段的屏蔽效能40.1～62.3dB，應(yīng)用于屏蔽室施工中，經(jīng)實(shí)測(cè)，在200 MHz～3.0GHz的頻段，屏蔽效能為42～48dB，具備較好的屏蔽效果。

高玉凱等[23]制備了的鎳/石墨烯/環(huán)氧樹脂柔性復(fù)合涂層，其中石墨烯含量為0.7%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），鎳粉含量60%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），電磁波頻率為30MHz～1.5GHz時(shí)，柔性復(fù)合涂層的平均屏蔽效能為29.3dB，基底上鍍銅膜后，雙層結(jié)構(gòu)的柔性復(fù)合涂層的平均屏蔽效能為36.6dB。

劉奇等[24]利用制備出石墨烯負(fù)載鎳磁性復(fù)合粉體（N/RGO）作為填料，制備的涂層在100kHz～30MHz電磁場(chǎng)中，電場(chǎng)屏蔽效能109～51dB，磁場(chǎng)屏蔽效能49～30dB，具有良好的電磁屏蔽效果。

張殊卓等[25]對(duì)石墨烯電磁屏蔽涂料的專利進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，石墨烯電磁屏蔽涂料的專利申請(qǐng)?jiān)谥鹉晟仙?，全球范圍?nèi)，中國(guó)申請(qǐng)數(shù)量占據(jù)最多，充分說(shuō)明石墨烯應(yīng)用于電磁屏蔽涂料的潛在前景。

4.3 應(yīng)用領(lǐng)域

電磁屏蔽涂料本身有著低成本、制備簡(jiǎn)便、使用方便、不受基材限制等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于電子、建筑、航空及軍事等領(lǐng)域，具有更高屏蔽效能和寬頻屏蔽的電磁屏蔽涂料已經(jīng)被研究人員不斷關(guān)注，將有著更加廣闊的應(yīng)用前景[26]。目前，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所與大同墨西科技有限責(zé)任公司通過(guò)聯(lián)合研究將石墨烯應(yīng)用于電磁屏蔽涂料，已完成石墨烯電磁屏蔽涂料及其工程應(yīng)用技術(shù)的研究工作，在國(guó)內(nèi)首次將石墨烯電磁屏蔽涂料應(yīng)用于屏蔽工程，實(shí)施打造的防護(hù)樣板間，屏蔽效能達(dá)到40dB，電磁波阻隔可實(shí)現(xiàn)99.99%[27]。

5 展望

綜上所述，電磁屏蔽涂料因其制備簡(jiǎn)單、使用方便、輕薄、占據(jù)空間小、不受基材限制等特點(diǎn)已經(jīng)越來(lái)越受研究人員的關(guān)注。石墨烯有著粒徑小、高導(dǎo)電、低密度、高比面積、高強(qiáng)度等性能優(yōu)勢(shì)，以及二維片狀結(jié)構(gòu)，是電磁屏蔽涂料的理想填料。研究表明，石墨烯應(yīng)用于電磁屏蔽涂料中，有著良好的電磁屏蔽效果。此外，有關(guān)電磁屏蔽的專利布局也在不斷增加，表明石墨烯在電磁屏蔽涂料的領(lǐng)域有著很好的潛在應(yīng)用前景。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.01.011

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