第五代通信設(shè)備非常需要具有柔韌性、優(yōu)異機(jī)械性能和導(dǎo)熱性的高性能電磁干擾 (EMI) 屏蔽材料。石墨烯因其高導(dǎo)電性和獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)而展現(xiàn)出巨大的潛力。然而，在聚合物基質(zhì)中構(gòu)建致密的石墨烯結(jié)構(gòu)仍然具有挑戰(zhàn)性。在此，我們開發(fā)了一種石墨烯/水性聚氨酯 (G/WPU) 柔性薄膜，該薄膜具有致密有序的層結(jié)構(gòu)，可用作 EMI 屏蔽材料。憑借聚乙烯吡咯烷酮改性策略和簡便的液相球磨處理，石墨烯納米片可以有效地分散在WPU基材中，并通過內(nèi)部相互作用相互緊密連接。得益于石墨烯相對較低的缺陷和致密結(jié)構(gòu)，所得的 G/WPU 薄膜具有 1,004.5 S/m 的高電導(dǎo)率和約 48.5 MPa 的拉伸強(qiáng)度。因此，它在 X 波段實現(xiàn)了超過 30 dB 的平均 EMI 屏蔽效果，厚度僅為 0.15 mm，該值進(jìn)一步提高到 0.9 mm 處的 73.4 dB，低密度為 1.4 g/cm
3，提供超過 99.99999% 的入射電磁波屏蔽。更重要的是，這種 G/WPU 薄膜還表現(xiàn)出約 1.13 W/(m·K) 的高橫截面熱導(dǎo)率。因此，本工作開發(fā)了一種具有良好傳熱能力的高性能 EMI 屏蔽材料，同時也為設(shè)計下一代先進(jìn)、輕質(zhì)、柔性和多功能的屏蔽材料提供了一種簡便的策略。
Figure 1. (a) 致密有序 G/WPU 復(fù)合薄膜的制備示意圖。 (b) G/WPU 薄膜的照片和厚度。
Figure 2. 不同球磨時間制備的 G/WPU 薄膜的形貌變化：2 h ((a
1)-(a
3))、8 h ((b
1)-(b
3) 和18 h ((c1)–(c3))制備的 G/WPU 薄膜的橫截面 SEM 圖。
Figure 3. (a) 不同球磨時間制備的 G/WPU 薄膜的拉曼光譜。 (b) 不同球磨時間制備的 G/WPU 薄膜的電導(dǎo)率。 (c) 純 PVP、石墨烯和 G/PVP 的 TGA 曲線。 (d) 原始石墨烯和 G/PVP 樣品的 FTIR 光譜曲線。
Figure 4. (a) 不同球磨時間制備的 G/WPU 薄膜在 X 波段頻率范圍內(nèi)的 EMI 屏蔽性能。 (b) X 波段中平均 SE 吸收、SE 反射和 SE 總和的總結(jié)。 (c) G/WPU 薄膜的反射率 (R)、吸收率 (A) 和透射率 (T) 值的相應(yīng)功率系數(shù)。 (d) 不同石墨烯含量的 G/WPU 薄膜的 TGA 曲線、(e) 電導(dǎo)率和 (f) EMI SE。 (g) 不同厚度的 G/WPU 薄膜的 EMI SE。 (h) 不同厚度的平均 SE 吸收、SE 反射和 SE 總和的總結(jié)。 (i) 不同厚度的 G/WPU 薄膜的 R、A 和 T 值的對應(yīng)功率系數(shù)。
Figure 5. （a）未經(jīng)熱壓處理和（b）經(jīng)熱壓處理制備的 G/WPU 薄膜的橫截面圖。 (c) 采用和未采用應(yīng)力工藝制備的 G/WPU 薄膜的電導(dǎo)率和 (d) EMI SE 性能。
Figure 6. (a) 制備的致密 G/WPU 薄膜的 EMI 屏蔽機(jī)制示意圖。 (b) 本工作中 G/WPU 薄膜與其他一些報道的屏蔽材料的 EMI SE 性能比較。
Figure 7. (a) 純WPU薄膜和不同石墨烯含量的G/WPU薄膜的熱導(dǎo)率。 (b) G/WPU 薄膜分別在拉伸和斷裂狀態(tài)下的照片。 (c)不同石墨烯含量的G/WPU薄膜的(c)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和(d)拉伸強(qiáng)度和彈性模量，(c)中的插圖是G/WPU-3薄膜的曲線。
相關(guān)研究工作由中國石油大學(xué)（北京）Yongfeng Li課題組于2022年在線發(fā)表在《Nano Research》期刊上，原文：Flexible and densified graphene/waterborne polyurethane composite film with thermal conducting property for high performance electromagnetic interference shielding。
