由于電子元件的擴(kuò)散和小型化，減輕電磁污染正成為一個(gè)日益嚴(yán)重的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)電磁兼容，必須考慮電磁干擾（EMI）屏蔽，而屏蔽效率（SE）的分析是至關(guān)重要的。與傳統(tǒng)金屬基材料相比，石墨烯增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料具有成本低、耐腐蝕、重量輕、多用途、易加工、帶寬寬等特點(diǎn)，是取代金屬基電磁干擾屏蔽材料的新材料。

利用麥克斯韋方程的解析或數(shù)值解，可以從大塊材料的性質(zhì)，包括介電常數(shù)、滲透率和電導(dǎo)率來(lái)確定SE。然而，由于石墨烯基聚合物復(fù)合材料的異質(zhì)性，表征這些值仍然困難。

本文試圖對(duì)這些材料的制備和表征方面的最新進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)和評(píng)述。此外，本文還闡述了基于微觀力學(xué)的精確建模技術(shù)，如滲流、電子隧穿、團(tuán)聚、不完美界面、頻率依賴(lài)的納米電容和電子跳變等。該模型旨在通過(guò)預(yù)先確定的聚合物基體和碳基填料的性能來(lái)預(yù)測(cè)納米復(fù)合材料的電磁性能。這一認(rèn)識(shí)可能最終促進(jìn)開(kāi)發(fā)具有優(yōu)化EMI屏蔽性能的石墨烯/聚合物復(fù)合材料，從而開(kāi)發(fā)新型EMI屏蔽材料。本文重點(diǎn)研究了石墨納米片(GnP)/環(huán)氧樹(shù)脂作為石墨烯/聚合物的選擇。

圖1. 石墨烯合成工藝示意圖

(a) “自下而上”和 (b) “自上而下”的方法。

為了實(shí)現(xiàn)石墨烯納米復(fù)合材料的最佳性能，必須監(jiān)控分散質(zhì)量和均勻性水平。石墨烯納米材料在聚合物基質(zhì)中的均勻分散被認(rèn)為是最佳的，如圖2所示。在石墨烯復(fù)合材料中，石墨烯顆粒之間的范德華力導(dǎo)致石墨烯在分散階段發(fā)生團(tuán)聚。這種現(xiàn)象是不希望的，因?yàn)槠鋵⒉辉俦３质┕逃械乃杼匦?。另外，將需要更高的?fù)荷才能達(dá)到滲濾作用。理想的分散狀態(tài)是將石墨烯連接成網(wǎng)格，且片層重疊、扭曲、滾動(dòng)或彎曲較少。另外，片層之間的連接較少是理想的，這可以通過(guò)較大的石墨烯片層來(lái)實(shí)現(xiàn)，盡管通常觀察到較大的石墨烯片層會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚，特別是在較高的負(fù)載下。石墨烯聚合物分散方法可分為（1）化學(xué)分散法和（2）物理分散法。

圖2. 均勻，分散良好和分散不良的材料之間電導(dǎo)率差異

化學(xué)分散法可以被認(rèn)為是使用溶劑或表面活性劑以在填料和基體組分之間形成牢固的相互作用的方法。然而，通常產(chǎn)量低，生產(chǎn)成本較高，工藝復(fù)雜。 這就阻礙了它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中的大規(guī)模開(kāi)發(fā)。這些化學(xué)方法包括但不限于使用有機(jī)小分子、改性聚合物、離子鍵和氫鍵。

一般來(lái)說(shuō)，物理分散法包括通過(guò)超聲處理，研磨或高剪切混合將石墨烯分散在適當(dāng)?shù)囊后w聚合物前體中。然后在分散石墨烯納米填料的情況下進(jìn)行固化過(guò)程。 對(duì)于所有的機(jī)械分散方法，都需要在使用機(jī)械攪拌限制其團(tuán)聚的同時(shí)，與確保機(jī)械力不會(huì)破壞石墨烯結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行權(quán)衡。此外，通常發(fā)現(xiàn)分散方法的組合能夠產(chǎn)生良好的結(jié)果。

與非發(fā)泡復(fù)合材料相比，石墨烯泡沫在重量更輕，厚度更薄的情況下具有更好的屏蔽效果。該特征歸因于泡沫形態(tài)，該形態(tài)在材料內(nèi)引起進(jìn)一步的內(nèi)部反射，因此增加了吸收。圖4顯示了石墨烯復(fù)合泡沫的合成方法，這些方法大致分為三大類(lèi)。

圖3. 石墨烯-聚合物復(fù)合泡沫材料的合成方法

金屬具有高電導(dǎo)率，因此具有低波阻抗，這會(huì)導(dǎo)致明顯的EMI反射。另一方面，金屬往往很重，容易腐蝕并且難以制造。GnPs /環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料為開(kāi)發(fā)具有防腐蝕特性的薄，輕便，易于制造的EMI屏蔽罩提供了可能。石墨烯基復(fù)合材料可以作為涂層應(yīng)用，甚至可以進(jìn)一步嵌入到纖維增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料系統(tǒng)中。GRAPHENEST Advanced Nanotechnology（一家總部位于美國(guó)的公司）是用于高級(jí)復(fù)合材料的基于石墨烯的解決方案的提供商。該公司最近推出了創(chuàng)新的基于石墨烯的EMI屏蔽涂料，即“ Hexasheild”，可定制電阻和波衰減級(jí)別。石墨烯基EMI屏蔽復(fù)合材料有望替代便攜式設(shè)備中的金屬（這也需要這些材料固有的高熱導(dǎo)率），雷擊防護(hù)，雷達(dá)吸收，甚至可以提供時(shí)電磁反射/吸收控制。

在航空航天，信息技術(shù)，汽車(chē)，醫(yī)療和國(guó)防工業(yè)中，EMI屏蔽勢(shì)在必行。在航空領(lǐng)域，降低飛機(jī)油耗的全球目標(biāo)導(dǎo)致碳纖維增強(qiáng)塑料成為飛機(jī)制造中的主要材料，從而最大程度地減少了重量，成本和生產(chǎn)時(shí)間。因此，銅或鋁的金屬網(wǎng)或金屬片被加入到碳纖維的最外層，以獲得足夠高的SE值。在金屬網(wǎng)和碳纖維之間會(huì)發(fā)生電偶腐蝕，腐蝕也可能是由于水分或環(huán)境因素引起的。這將導(dǎo)致電導(dǎo)率下降，并且需要常規(guī)更換/維護(hù)。也有報(bào)道說(shuō)這些金屬網(wǎng)可能在大電流雷擊下蒸發(fā)。自然地，碳基導(dǎo)電納米復(fù)合材料已被研究作為解決這些問(wèn)題的潛在方法。可以看出，這些復(fù)合材料允許使用簡(jiǎn)便的處理方法，并且與金屬網(wǎng)相比，其使用壽命成本總體較低。陸上，水上和空中車(chē)輛越來(lái)越依賴(lài)于電子通信和控制。電子設(shè)備的普及需要通過(guò)增加適用于這些應(yīng)用的EMI屏蔽材料。

相關(guān)文獻(xiàn)：

Modelling, fabrication and characterization of graphene/polymer nanocomposites for electromagnetic interference shielding applications

DOI: 10.1016/j.cartre.2021.100047