導電塑料——抗靜電和電磁屏蔽材料

隨著現代電子工業的快速發展,人類已經進入了電子信息化時代,越來越多的電子和電器設備已經進入社會的各個角落,但是這些電子電器設備在運行過程中會產生一定的電磁波,不僅會對周邊的電子電器設備產生一定的電磁干擾,同時也會對人類的身體產生一定的電磁輻射危害。為了有效地抑制電磁干擾和電磁輻射危害,電磁屏蔽材料的研究顯得尤為重要。中國科學院寧波材料技術與工程研究所高分子事業部研究員鄭文革團隊一直致力于高效電磁屏蔽材料的開發,前期已經在石墨烯基電磁屏蔽材料的制備以及性能研究方面取得一系列進展(ACS Applied Materials & Interfaces, 2011, 3, 918; ACS Applied Materials & Interfaces, 2013, 5, 2677; ACS Applied Materials & Interfaces, 2013, 5, 11383; Advanced Functional Materials, 2014, 24, 4542; RSC Advances, 2015, 5, 24342; Carbon, 2016, 100, 375; Carbon, 2016, 102, 154; ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8, 8050)。近期,該團隊又在石墨烯基電磁屏蔽材料的結構設計與性能研究方面取得新進展。

(1)研究人員設計了一種具有夾層結構的高強度柔性聚合物/石墨烯復合薄膜,并探索了鋸齒形折疊結構對薄膜電磁屏蔽的影響(如圖1所示)。高強度柔性聚合物/石墨烯復合薄膜是以普通無紡布作為增強夾層,并以聚合物/石墨烯復合物作為導電涂層制備而得的。電磁屏蔽測試結果顯示對薄膜樣品進行鋸齒形折疊可以增強其電磁屏蔽性能(特別是對于具有較高電導率的薄膜),其中較小的鋸齒夾角以及較長的鋸齒邊長使得鋸齒形折疊對薄膜電磁屏蔽增強越加明顯,這主要是因為較小的鋸齒夾角以及較長的鋸齒邊長可以使得更大面積的材料參加電磁屏蔽,同時增強鋸齒對電磁波的多重反射衰減。同時,通過對鋸齒結構進行簡單的拉伸或壓縮就可以實現對薄膜電磁屏蔽性能的有效調控。相關結果發表于國際期刊Carbon,2017,113,55,并申請中國發明專利201610850306.5。

(2)研究人員探索了多層復合結構(梯度結構+中空三明治結構)對聚合物/石墨烯復合材料電磁屏蔽性能的影響。首先,通過對不同石墨烯含量的聚合物/石墨烯復合泡沫進行自由疊加組合可以制備出不同梯度結構的復合材料,結果表明:①梯度結構對復合材料的電磁屏蔽性能影響較小,但卻可以大幅提升復合材料與空氣之間的波阻抗,進而增強對電磁波的吸收性能;②吸波性能最強的結構設計是具有a-b-c結構(如圖2所示),而對電磁波反射最強的結構設計是c-b-a結構。另外,將透波材料夾在兩層聚合物/石墨烯復合泡沫之間可以得到一種具有中空三明治結構的復合材料,結果表明:①中空三明治結構可以大幅提高復合材料的屏蔽性能,但是主要原因是增強了材料對電磁波的反射;②三明治結構對復合材料屏蔽效能的提高量與其中間透波層的厚度有關,當厚度為對應頻段1/4波長時,其增幅最大。該研究對于設計具有高屏蔽和吸波性能的聚合物基電磁屏蔽材料具有較大的參考價值,相關結果發表于國際期刊Composites Science and Technology, 2017, DOI: 10.1016/j.compscitech.2016.12.002,并申請中國發明專利201610919451.4和201610919480.0。

上述工作得到了國家自然科學基金(51603218、51473181、51573202)、寧波市自然科學基金(2016A610269)和中國博士后科學基金(2015M570531)的大力資助。