多孔碳基纳米材料在电磁屏蔽领域的应用

多孔碳基纳米材料在电磁屏蔽领域的应用

秦子怡 1 曾琪堯 1 刘雅雯 1 袁谋 1

（ 1.重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074）

【摘要】随着我国电子技术的不断发展，层出不穷的电子产品导致了严重的电磁污染，因此开发轻质、厚度薄、有效吸收频带宽的电磁屏蔽材料显得尤为重要。本文基于电磁屏蔽性能，介绍了几种常见的多孔碳基纳米材料，并简要说明了其特点。

【关键字】电磁屏蔽材料；石墨烯；多孔；纳米材料；碳基

1 前言

近年来，由于中国电子科技的发达以及国家综合国力的日益增强，电磁射线对电子设备的工作和人体的健康都形成了相当的威胁。因此，研究电磁屏蔽材料是大势所趋，多孔碳基纳米材料有着轻质、耐腐蚀、电磁屏蔽性能优异等特点，被广泛的运用于电子信息工程、航空航天及军事等诸多领域。本文主要介绍了几种常见的多孔碳基纳米电磁屏蔽材料，并简要说明了其特点。

2 电磁屏蔽机理

在电子设备中，电磁干扰信号主要利用传导耦合或者辐射耦合来实现传输，传导耦合可以利用集成电路设计技术和滤波器材料等来控制，而辐射耦合就需要利用电磁屏蔽材料来控制。

电磁屏蔽材料通常能减弱或阻挡电磁波在某一空间内的传输，因此一般用屏蔽效能来评估材料遮蔽电磁波的能力。当电磁波传递至电磁屏蔽材料表面时，电磁波将会以以下三种方法加以减弱:(1)二种介质阻抗不相匹配形成的反射波，产生反射衰减；(2)波进入材料后，一部分波被材料内部吸收，产生的能量衰减；(3)在材料内经过多次反射所产生的反射减弱。所以，材料总的电磁屏蔽效应是反射衰减、吸收衰减和多次反射衰减，三者之和^[1]。

3 碳基纳米材料

3.1石墨烯基电磁屏蔽材料

石墨烯是一种sp²杂化连接的碳原子密集堆积成具有六边形型的蜂巢状结构的高新型材料，其拥有良好的光、电子、热力学等特性，在建筑材料学、电力、海洋生物医疗以及药品输送等领域方面都有着广阔的应用前景。单一的石墨烯制取方法很多，如微机械剥除法、化学气相沉淀法、氧化还原法等。采用不同的生产方法，获得的石墨烯其表面基团种类、导电率的大小各不相同。二维结构的石墨烯通常具有很大的比表面积，研究发现，石墨烯片层越大，越能够产生导电网络结构，从而改善材料的电磁屏蔽特性^[2]。

石墨烯气凝胶是以石墨烯为主要的具有独特三维结构的固态物质，由于其轻质多孔，比表面积大、高弹性、强吸附性等特点，常被用于航空航天等领域。石墨烯气凝胶的生产，一般采取了溶胶-凝胶法、模板导向法以及模具冷冻干燥法等。溶胶-凝胶法虽然可以批量制备，但可控性相对较差；模板导向法虽可形成有序的结构，但取决于模板的精细结构和尺寸，因此无法大规模生产。而模块冷冻干燥法不要求模板，材料可根据模具任意改变形状，使大规模生产成为了可能。

石墨烯增强复合材料也是目前研究的热门，将石墨烯引入到复合材料中，利用石墨烯的特殊结构，增强材料的电磁屏蔽效能。例如将石墨烯融入环氧树脂基体，可以获得更轻量级的电磁屏蔽材料；也可以把石墨烯和其他的金属材料进行复合，通过调整各个部分的参数，从而得到更为理想的材料。

3.2碳纳米管电磁屏蔽材料

碳纳米管是由单层或多层石墨片绕中心轴卷曲而成的独特管状结构的物质，其独特的构造和良好的电学、化学、力学等特性，吸引了大批的海内外科研人员对其展开深入的研究。碳纳米管所具有的表面效应、量子尺寸效应及其宏观隧道效应等，使其在电磁屏蔽领域发挥着举足轻重的作用。由于单一的碳纳米管所表现出的性能并不理想，大量研究者们通过晶格掺杂或者将碳纳米管与其他材料进行复合等方式，来改善碳纳米管的电磁屏蔽性能^[3]。

因为氮原子具有比碳原子更小的原子半径和较好的电负性，因此碳纳米管常利用氮原子进行晶格掺杂，掺杂后的氮原子可以代替碳纳米管内的碳，进而改善材料的性质^[4]。碳纳米管也常与金属氧化物、聚合物及其他碳材料等进行复合，例如石墨烯气凝胶等，经复合之后的材料结构更加多孔，吸波性能更强。

3.3有机衍生碳基电磁屏蔽材料

有机衍生碳可以分为非生物质碳和生物质碳。前者则是利用人工合成的叔丁醇、间苯二醇、酚醛树脂、聚丙烯腈等有机物质为原材料，经高温碳化获得具有微孔、介孔及大小孔混合分布均匀的多孔碳。生物质碳是以糖类或含碳生物等有机废弃物为原材料，再经过高温裂解去除物料本身所存在的非碳元素后生产而成的一种多孔碳材料^[5]。两者制备出的碳材料都具有多孔结构，可有效降低材料密度，改善抗阻匹配，表现出轻质、强吸波性等优点，具有良好的应用前景。

4 结语

电磁屏蔽用多孔碳基纳米材料的相关研究在材料微结构的设计、电磁屏蔽性能的提高等方面均取得较大进展。但是，随着材料服役环境要求的多样化，使得高性能多孔碳基纳米复合材料材料的研发不可只局限于材料的某一特性，综合性能的改善与结构/功能一体化将是未来研究的重点。

【参考文献】

[1]钱伟，何大平，李宝文.石墨烯基电磁屏蔽材料的研究进展[J].材料工程，2020，48(07):14-23.

[2]贾锡琛，沈斌，郑文革.多孔石墨烯/聚合物电磁屏蔽材料研究进展[J].高分子通报，2020(12):83-90.

[3]王翊，刘元军，赵晓明.碳系电磁屏蔽材料的研究进展[J].现代纺织技术， 2021， 29(1): 1-11.

[4]李克训，马江将，张泽奎，等.环氧树脂基碳纳米复合电磁屏蔽材料研究[J].强激光与粒子束，2019，31(10):24-30.

[5]武志红，蒙真真，邓悦，王耀，刘新伟，王宇斌.分级多孔碳复合吸波材料研究进展[J].硅酸盐学报，2021，49(06):1125-1134.