優異的電磁屏蔽效果!​石墨烯/環氧複合材料

663 人參與      分類 : 科學  

一、研究背景:


無線通信、分散式感測器陣列和攜帶型電子設備的飛速發展使得控制電磁(EM)輻射和減少電磁污染至關重要。需要使用電磁干擾(EMI)屏蔽材料來確保電子設備可靠地運行,並且不會對人體健康產生有害影響。不同頻率範圍和類型的設備需要不同的EMI屏蔽解決方案。對於高頻段電磁屏蔽特別具有挑戰性。在許多情況下,對用於EMI屏蔽的材料提出了額外的要求,包括厚度和密度限制、機械和熱性能。在廣泛的商業和國防應用中,吸收電磁能量更為有利,而不是將其反射迴環境中造成二次污染。然而,許多現有的EMI屏蔽材料在保護電子組件的同時,可能對人體健康產生負面影響。基於金屬的EMI屏蔽材料還具有重量重、耐腐蝕性差和加工困難等其他問題。


金屬屏蔽方法的替代方法是將聚合物基材料與導電填料一起使用,最初的研究對象主要是含有金屬顆粒的複合材料,這些複合材料通過添加高重量分數填料,以提高電導率,但是,聚合物-金屬複合材料的重量,成本和腐蝕都相對較大,這些材料中EMI屏蔽的主要機理是反射,而這會對環境產生二次污染。


二、研究成果


針對上述問題,近日,加州大學河濱分校AlexanderA. Balandin教授課題組報道了石墨烯/環氧複合材料的製備,並在極高頻(EHF)頻段(220–325 GHz)中通過准光學自由空間方法測試了其電磁屏蔽效率。固化粘合劑複合材料具有橫向尺寸為幾微米的單層和幾層石墨烯層的混合物,並且可以大規模製備。結果發現,該複合材料電磁波透射率即使在低濃度的石墨烯填充量時也很低。石墨烯負載量低的複合材料的主要屏蔽機理是電磁吸收。厚度為1毫米,石墨烯填充量為8 wt%的複合材料在太赫茲EHF頻段內呈現70 dB的出色電磁屏蔽性能,向環境反射的電磁能量可忽略不計。開發的含有石墨烯填料的輕質粘合劑複合材料可用作高頻微波無線電繼電器、微波遠程感測器、毫米波掃描儀和無線區域網中的電磁波吸收劑!相關研究工作以「Graphene Epoxy-Based Composites as Efficient Electromagnetic Absorbersin the Extremely High-Frequency Band」為題發表在國際著名期刊《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。

論文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.0c06729

優異的電磁屏蔽效果!​石墨烯/環氧複合材料


優異的電磁屏蔽效果!​石墨烯/環氧複合材料

圖1.(a)電磁波與低石墨烯填充量的環氧基複合材料的相互作用示意圖。(b)原始環氧樹脂(左)和含4 wt%石墨烯(右)的環氧樹脂複合材料的光學圖像。(c)具有不同石墨烯填充量的環氧樹脂的拉曼光譜。注意添加石墨烯後環氧複合材料的顏色變化。該複合材料可用作安裝微波設備的粘合劑和塗層。

優異的電磁屏蔽效果!​石墨烯/環氧複合材料

圖2.在220-320 GHz頻率範圍內具有不同石墨烯填充量的複合材料的(a)反射係數和(b)透射係數。(c)透射係數的下限(T <5%),可以區分石墨烯負載量大於1 wt%的複合材料的透射係數


石墨烯含量低的複合材料通過吸收,對環境的能量反射很小,在此頻段提供了有效的EMI屏蔽。對於給定尺寸和厚度的填料,石墨烯負載量為1 wt%似乎是測試複合材料的最佳選擇。


優異的電磁屏蔽效果!​石墨烯/環氧複合材料

圖3 具有不同石墨烯填充分數的複合材料的(a)吸收係數和(b)有效吸收係數。(c)有效吸收係數的上限(A eff > 95%),可以區分石墨烯負載量大於1 wt%的複合材料的A eff值


優異的電磁屏蔽效果!​石墨烯/環氧複合材料

圖4 (a)反射率(SER),(b)吸收率(SE A)和(c)總複合物(SE T)在不同石墨烯填充量下的屏蔽效率。隨著填料含量的增加,SER不會顯著增大,而SE A則顯著增加。SE A增強後,總屏蔽效率大大提高

三、結論與展望


綜上所述,作者報道了使用石墨烯填料的環氧基複合材料的合成,並在亞太赫茲頻率範圍(頻段:220-320 GHz)中測試了其EMI屏蔽效率。結果發現,即使填充很低濃度的石墨烯,該複合材料的電磁透射率仍很低,結果表明,石墨烯環氧複合材料通過吸收和向環境反射少量能量,可在亞太赫茲帶中提供有效的電磁屏蔽。在320 GHz的頻率下,只有8 wt%的石墨烯填充量,最大總屏蔽效率約為70 dB。這種EMI屏蔽超出了大多數工業應用的要求。這種開發的石墨烯輕質複合材料可用作微波無線電繼電器、遠程感測器、毫米波掃描儀和無線區域網中的電磁吸收劑,也可以用作包裝電子組件的粘合劑,有巨大的應用潛力。(文:嘉一)

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