我科研团队研发出高性能电磁屏蔽材料

◎本报记者 李禾

在日常生活和工作中,电子设备运行时会产生电磁辐射,可能会给人们的健康带来不良影响,各设备间的电磁干扰也会严重影响电子设备的性能及其正常运行。因此,发展新型电磁屏蔽材料,尤其是高性能电磁屏蔽材料是解决电磁污染的关键。

如今,各种电子设备越来越多地应用于人们的生活和工作中,但是电子设备在运行过程中会产生电磁辐射,可能会给人们的健康带来不良影响,各设备间的电磁干扰也会造成信号被拦截、数据丢失等,严重影响电子设备的性能及其正常运行。特别是随着物联网、自动驾驶、可穿戴设备的发展,电子设备越来越复杂、体积越来越小、精度要求越来越高,要保证这些高度集成、高功率的电子设备正常运行,电磁干扰屏蔽至关重要。

发展新型电磁屏蔽材料是解决电磁污染的关键,特别是超薄、轻质并具有优异力学强度和可靠性的高性能电磁屏蔽材料。日前,北京航空航天大学化学学院研究员衡利苹团队研发了一种具有超润滑界面的还原氧化石墨烯/液态金属(S-rGO/LM)异质层状纳米复合材料,可用于高性能稳定的电磁屏蔽。相关研究成果发表在国际学术期刊《美国化学学会·纳米》上。

用石墨烯研发高性能柔性电磁屏蔽材料

电磁屏蔽材料是能够通过吸收、反射等方式来衰减电磁波能量传播,以有效抑制电磁干扰和污染的功能材料。

人们希望,电子设备在工作时,既不被外界电磁波干扰,又不辐射出电磁波干扰其他设备或危害人体健康,因此电子设备运行时,自身产生的电磁波需要被吸收,而外界入射的电磁波需要被反射或吸收。铜、铝等金属是常用的电磁屏蔽材料,但它们容易被腐蚀、密度大、重量重,并以反射电磁波为主,会造成二次电磁污染。特别是传统的金属材料不具备柔性,难以被应用在柔性电磁屏蔽领域。

镓基液态金属(LM)是目前柔性电子制造应用最广泛的材料,这主要归因于其具有低熔点、低黏度、高电导率和热导率等物理特性。衡利苹说,随着对具备室温流动性的镓金属、镓基合金液态金属材料研究的逐步深入,其在柔性电磁屏蔽材料领域已表现出相当大的潜力。

但是现有的镓基液态金属电磁屏蔽材料普遍需要与绝缘的聚合物基材共混,以得到具备一定机械强度、可实际应用的电磁屏蔽材料。而材料的导电性和导磁性越好,对电磁的屏蔽效能就越高,镓基液态金属电磁屏蔽材料与绝缘的聚合物基材共混,会损失镓基液态金属的导电性能,使电磁屏蔽性能无法达到最佳水平。使用一种本身也具备超高电导率的基材来构建液态金属柔性复合材料,成为提升液态金属柔性电磁屏蔽复合材料性能的关键。于是,石墨烯进入了衡利苹团队的视线。

石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,本身就可以保持很好的导电性。氧化石墨烯(GO)对镓基液态金属还起到了良好的桥接作用,因此,在S-rGO/LM材料内部,可形成连续完整的导电网络。材料厚度仅需33微米,就可屏蔽99%的入射电磁波,且对X波段的电磁屏蔽效率较高。

可作为抗结冰、除冰功能材料使用

聚二甲基硅氧烷(PDMS)具有耐热性、耐寒性、防水性、导热性以及良好的化学稳定性,电绝缘性和疏水性能好,可在-50℃—200℃下长期使用。目前,PDMS已广泛用于绝缘润滑、防震、防油尘和热载体等。

该团队先将S-rGO/LM材料在稀释后的PDMS溶液中浸涂,随后再对其旋转涂抹硅油,使其获得超润滑特性。衡利苹说,得益于材料本身的稳定性和超润滑界面的协同保护,S-rGO/LM材料在极限工作温度中,严重机械磨损后,依然能保持良好的电磁屏蔽能力。

除了具有出色的电磁屏蔽性能外,S-rGO/LM材料还具备优秀的热管理性能。实验显示,在1个太阳光照功率(100毫瓦/平方厘米)照射下,S-rGO/LM材料的表面温度在40秒内就可达到47.5℃。这表明,在低温地区,S-rGO/LM还可以作为具有抗结冰、除冰功能的材料来使用。