近年來，隨著電子科學技術的迅猛發(fā)展，電磁輻射帶來的電磁污染、電磁干擾、泄密等問題，不僅影響通信等電子設備正常工作，對人體健康也存在隱患。特別是隨著5G時代的到來，毫米波穿透力差，衰減大，覆蓋能力會大幅度減弱，因此5G 對信號的抗干擾能力要求很高，需要大量的電磁屏蔽器件。
金屬材料是目前廣泛應用的電磁屏蔽材料,但是金屬具有密度大、易腐蝕、耐疲勞性差等缺點。鐵氧體材料是廣泛使用的吸波材料,但是鐵氧體材料作為吸波材料的填充含量過高(>50wt%),使材料密度太大、整體的力學性能受到影響。隨著人們對碳材料的關注,碳基的電磁屏蔽材料和吸波材料得到了迅速的發(fā)展。碳材料,包括碳黑、石墨、碳納米管、石墨烯等多種同素異形體,具有質量輕、易加工、化學穩(wěn)定性好、耐高溫、導電性高且可調等一系列優(yōu)點,是制備集輕、薄、高性能電磁屏蔽或吸波性能于一體的理想材料。通過構建碳材料不同的形態(tài),會獲得不同電磁響應性能的碳材料。按照電磁屏蔽和吸波材料的形態(tài)分類,碳材料主要可以分為致密的薄膜材料、多孔的泡沫材料和碳/聚合物復合材料,
以石墨烯、碳納米管等構建的碳薄膜,具有致密的結構和較高的電導率,對微波具有較強的反射性能和衰減性能,因此具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能。由于碳膜材料的厚度較薄(~10μm),低于大多數(shù)吸波材料的厚度要求(>2mm),所以大多數(shù)的碳薄膜都用于電磁屏蔽而非吸波。薄層的碳膜材料可以實現(xiàn)較高的屏蔽性能,適用于一些體積小的精密儀器和器件。
研究發(fā)現(xiàn)具有更高電導率的碳膜材料往往具備更優(yōu)的屏蔽性能。Fe3O4/GN（石墨烯納米片膜）膜中即使摻入了大量的磁性材料,其屏蔽效能仍然不如高溫處理的GF-2000或CVD生長的石墨烯紙。因此,單純地以屏蔽效能而論,制備具有低缺陷、高密度、高電導率的碳膜材料是一種實現(xiàn)高屏蔽效能的有效方法。
碳泡沬材料,是以碳材料為骨架結構單元,所構建的一類多孔、輕質的碳材料。按照碳材料的原材料分類,又可以將碳泡沫分為碳氣凝膠、碳/海綿復合泡沫、聚合物熱解泡沫等。碳泡沬材料具有極輕的密度,在航空航天等需要輕質材料的領域具有很大的潛力。碳泡沫材料的碳含量可以根據(jù)需求調節(jié),其導電性可以通過控制碳含量、還原程度來調節(jié)。以不同方法制備的碳泡沫在微觀結構上表現(xiàn)出可很大的差異。碳泡沫材料既可以作為電磁屏蔽材料,又可以作為吸波材料使用。
碳/聚合物復合材料,就是將具有導電性的碳的填料填充到不導電的聚合物基體中而制成的復合材料。相比于碳氣凝膠相比,碳/聚合物復合材料相當于將聚合物填充到了氣凝膠的氣孔當中。因為不導電的聚合物和空氣的電磁響應特性相似,所以具有相似微觀結構、導電性、碳填充量的碳/聚合物復合材料和碳泡沫材料往往具有類似的屏蔽效能或吸波性能。碳/聚合物材料的密度較泡沫材料重,但是力學性能也有很大提升,且成本較低。適用于建筑物,大型儀器等材料用量大,且需要材料需要承擔一部分力學支撐的應用場合。關于碳/聚合物的電磁屏蔽或吸波材料的研宄十分眾多,—般所采用的碳材料為碳黑,碳纖維,納米級碳纖維,無定形碳,碳納米管,石墨烯等。而復合材料中對聚合物并沒有具體的要求,幾乎所有可成型加工的聚合物都可以用來作為電磁屏蔽材料或吸波材料的聚合物基體。但是,不同的聚合物材料由于其物理性質的差異會對復合材料的微觀結構造成差異,從而對材料的性能造成一定影響。對于碳/聚合物屏蔽材料,為了實現(xiàn)較好的屏蔽性能,材料必須具有較高的導電性。一般認為,宏觀電導率達到1Sm-1是碳/聚合物材料實現(xiàn)優(yōu)異屏蔽性能的最低標準。為了實現(xiàn)較高的屏蔽效能,一般要求碳填料在聚合物中可以形成搭接緊密的導電網(wǎng)絡。一般情況下,具有較高橫縱比的填料更容易形成更好的導電網(wǎng)絡,從這個角度講,石墨烯的性能最好,碳納米管次之,然后是碳纖維,碳黑。此外,分散方法,是高性能屏蔽復合材料的一個關鍵工藝。填料的分散性越好,則材料整體越趨向于擁有更好的屏蔽性能。
對于碳/聚合物吸波材料,要實現(xiàn)比較好的吸波性能,同樣是要通過調節(jié)材料的介電性能(電導率)讓材料最佳平衡阻抗匹配和電磁波損耗能力。調節(jié)碳材料的填充含量是優(yōu)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，制備具有多層結構,梯度結構的復合材料也可以進一步優(yōu)化復合材料的吸波性能。
參考資料：席嘉彬；高性能碳基電磁屏蔽及吸波材料的研究
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