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【头条】我国研发出石墨烯水性电磁屏蔽涂料,国防战略意义深远

烯碳资讯  · 公众号  ·  · 2017-03-23 14:41

正文

小烯导读


近年来,随着电子科学技术的迅猛发展,电磁辐射 带来的电磁污染、电磁干扰、泄密等问题,不仅影响通 信等电子设备正常工作,对人体健康也存在隐患, 发展电磁屏蔽 材料降低电磁污染在军事与民用领域具有重要价 值。近期,国内一家企业与高校联合研发出了石墨烯水性电磁屏蔽涂料,让我们一起去看看。



2017年2月底,由广东三和化工科技有限公司组织、北京理工大学化工与环境学院共同承办的广东省重大科技项目《石墨烯/纳米铁氧体基轻质宽频高性能水性电磁屏蔽涂料开发研究》成功通过广东省科技厅相关专家的会议验收,顺利结题。



此项目由三和精化研究中心技术总监Leo全权负责,建涂研究所所长高级工程师陈明毅及北京理工大学矫庆泽院长和赵芸教授等为主要研究人员。 广东三和化工科技有限公司作为主要承担单位,负责水性丙烯酸树脂电磁屏蔽涂料制备、性能研究及水性电磁屏蔽涂料系列产品开发研究,北京理工大学课题组负责石墨烯/纳米铁氧体复合吸波填料的制备、结构特性、电磁屏蔽效能及屏蔽机制研究。 双方通过互相交流、密切合作、不懈努力,保障了项目的顺利完成。


随着电子电器产品的广泛使用和人类对健康质量的提高及国际国内电子产品电磁兼容标准的强制执行,水性电磁屏蔽涂料的需求量越来越大,使用范围已涉及手机、电视机、打印机、医疗设备、飞机等科技、信息、通讯、家电以及军事等诸多领域。


据了解,项目完成将产品推向市场后,有可能替代部分进口水性电磁屏蔽涂料产品,使我国电磁屏蔽涂料跟上市场需求,可为国家、企业节省大量外汇和资金,同时在订货量和交货时间上给予了极大的便利,有利于厂家灵活经营和计划生产;另外还可推动相关行业的发展,产生良好的社会效益,对我国涂料、电子等行业的发展和材料本土化具有深远的战略意义。



石墨烯类电磁屏蔽材料研究进展


歼-20表面具有隐形涂层


近年来,随着电子科学技术的迅猛发展,电磁辐射 带来的电磁污染、电磁干扰、泄密等问题,不仅影响通信等电子设备正常工作,对人体健康也存在隐患。因此,防治电磁辐射成为当务之急,而电磁屏蔽便是其中一种最普遍的有效手段。


电磁屏蔽,即电磁波传播到电磁屏蔽材料表面时,利用屏 蔽材料的反射、吸收、衰减等使电磁辐射场产生的电磁波不能进入被屏蔽区域。


在千兆赫兹频段的电磁波覆盖军工以及移动通信等重要领域,使得该频段的电磁屏蔽研究受到广泛关注和重视。因而, 发展电磁屏蔽材料降低电磁污染在军事与民用领域具有重要价值。


常用电磁屏蔽材料包括金属材料、磁性材料、导电 聚合物、碳基导电复合材料等,良好的电损耗与磁损耗赋予了它们优异的电磁屏蔽性能。其中,传统金属材料和磁性材料密度较大,随着电子设备向便携式方向发展,这就要求电磁屏蔽材料在具备高屏蔽性能的同时也具有轻质等特点。 由此可见,由于具有轻质、耐腐蚀和易加工等优点,碳基电磁屏蔽材料在电磁屏蔽方面具有更加突出的应用价值。



石墨烯具有纵横比、电导率和热导率高、比表面积大、密度低等特点,其本征强度高达130 GPa,常温下的电子迁移率可达到15 000 cm2/(V · s),是目前电阻率最小的材料。 并且石墨烯具有室温量子霍尔效应和良好的铁磁性,与石墨、碳纤维、碳纳米管等材料相比,拥有独特性能的石墨烯可以突破碳材料原有的局限,成为一种新型有效的电磁屏蔽和微波吸收材料。


01

石墨烯的吸波性


吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量,并通过材料的介质损耗电磁波能量转换为热能或其他形式的能量,一般由基体材料与吸收介质复合而成。


石墨烯是一种二维材料,具有优异的导电性和导热性。由于石墨烯是纳米级,具有新的性能。 根据理论推导,石墨烯会吸收πα≈2.3%的白光(α指精细结构场数)。目前,石墨烯作为电磁干扰吸波材料在国内外都处于起步阶段。而相关研究表明,石墨烯所具备的片貌相对于棒状状形或球状对材料的吸波性更加有利。


Ling等和Mikhailov研究了石墨烯在电磁波方面的干扰特性和响应特性,发现石墨烯在X波段电磁干扰效果好,石墨烯的电子对频率的辐射具有非线性响应的特点。石墨烯对电磁波的干扰特性和可能实现对电磁干扰材料吸收频段宽、兼容性好、质量轻和厚度薄等特点。都是人们所希望的电磁干扰材料。石墨烯的吸波层厚度为lmm时,在7GHz左右最大衰减值为一6.5dB。但是不能实现对微波的90%的衰减。


不同厚度的石墨烯理论反射损耗频率的变化曲线

不同厚度的镀镍石墨烯理论反射损耗频率的变化曲线

随着科学的发展,人们对吸波材料的要求越来越高,而石墨烯具有的吸波性能和特性都是其他材料所不能具有的,因而人们为了提高石墨烯的吸波性能,对石墨烯进行了改性。湖南大学化学化工学院对用还原液相悬浮氧化石墨法制的了石墨烯并进行了镀镍。试验结果表明,镀镍石墨烯复合材料的微波吸收峰也随着厚度的增加而向低频移动,且吸波水平达到-10dB以上。可以实现对入射电磁波90%的功能衰减。


清华大学运用石墨的层状结构,将石墨剥离成了纳米级的石墨烯层片,选择了铁钴镍合金粒子作为负载材料。用较为简单的共沉积方法制的了合金/石墨烯的吸波剂。电磁波的吸收性能得到了很大的提高。


随着吸波材料的快速发展,吸波材料的性能也需要提高,而石墨烯具有的特殊的性能和结构,必然随着科学的进步,必然会在强吸收性能材料的复合及其纳米化方面大放异彩。


02

石墨烯的屏蔽性



石墨烯具有优异的导电性,是作电磁蔽涂料的优良材料。碳系材料的屏蔽作用主要取决于表面反射,而石墨烯的结构有利于提高多次反射损耗。导电膜就是一种应用比较广泛的电磁屏蔽材料。 石墨烯是片状结构,如果其一层一层的紧密平行排列,过面与面的接触实现导电通路,由于接触面大、电阻小,导电能力较强。这就是理想中的石墨烯屏蔽材料的的导电网络。

理想的导电网络

青岛大学用石墨烯(质量分数5%)为导电填料,水性苯丙乳液(质量分数30%)为基体,用共混的方法制得一种全新的复合导电膜。由图看出,制得的导电膜石墨烯片层构成的导电网络蓬松,取向不一,层与层之间存在不少的空隙,存在结构上的缺陷。导电膜结构中空隙的增大、增多不利于其导电性能。

复合导电膜的截面

为了避免这些缺陷,因此选择尝试添加了少量纳米金属银的方法。纳米银粒充当导电网络的节点,使其导电能力增强。石墨烯的片状结构在二维平面上虽然容易接触形成导电网络,但在三维空间结构内,层与层之间容出现间隙用纳米银粒充当导电网络的节点,使相邻石墨烯薄片进行点接触,增加了石墨烯导电网络的通路数量、降低了导电通路的阻值。使其导电能力增加。屏蔽性能增加。


03

小结



作为新一代碳材料的石墨烯,不仅具有独特的物理结 构和优异的力学、电磁性能,还具有良好的微波吸收性能,将其与磁性纳米粒子复合后可以得到一种兼具磁损耗和电损耗的新型吸收剂,可极大地提高石墨烯复合材料的微波吸收性能。


因此,开展多功能石墨烯以及磁性片状石墨烯复合材料的研制,是未来新型吸收剂材料应用研究的重点。此外,在聚合物基体中引入石墨烯,不仅可提高复合材料的结构性能,并且能显著提高其电磁屏蔽性能。目前,国内外石墨烯







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