石墨烯帶來驚喜：聚醯亞胺微發泡電磁遮罩材料顯威力

■ 翟文濤

隨著電子工業的迅猛發展和電子設備的廣泛應用，電磁波輻射被認為是繼水污染、噪音污染、空氣污染後的第四大公害。

電子器件發射的高頻電磁波不僅會導致電子器件的非正常運轉，還能影響到人們的正常生活，甚至會威脅國家的軍事機密。 比如，高頻電磁波輻射可以影響甚至破壞軍事設備的敏感器件，使無線電通訊指揮系統、現代化武器作戰平臺失效或者失控。

此外，電子設備發射的電磁波可能誘發某些疾病，如睡眠不足、頭暈、嘔吐，嚴重的可能誘發癌症、心血管疾病等。

因此，電磁遮罩／吸波材料的研究開發一直備受世界各國學術界和工業界的廣泛關注。

// 石墨烯帶來驚喜

所謂的電磁遮罩／吸波材料主要包括金屬和高分子複合材料。傳統的金屬基電磁遮罩材料存在密度大、結構設計困難等問題，並且應用也受到限制。

可喜的是，聚合物／吸收劑複合材料具有很好的可設計性，可以部分解決金屬基電磁遮罩材料存在的技術瓶頸。 其中，具有微發泡結構的聚合物基電磁遮罩／吸波材料是近幾年該領域的熱點研究方向之一。

理由是：泡孔結構不僅賦予電磁遮罩／吸波材料輕質的優勢，發泡過程產生的雙向牽伸作用還有利於二次分散聚合物基體中的吸收劑。 同時，泡孔結構的引入可以使進入材料的電磁波陷入「迷宮結構」中，從而顯著地提升材料的電磁遮罩效能，有效防止材料的電磁洩漏。

不過，聚合物樹脂本身卻並沒有電磁遮罩／吸波性能，必須通過外加大量的吸收劑來實現，比如鐵氧體類或者碳材料類等， 但這些吸收劑均與聚合物基體不相容性，從而導致吸收劑不能被聚合物基體完全浸潤。

而對於聚合物複合材料發泡來說，大量吸收劑的添加不僅增加了基體中缺陷的數量，還增強了複合材料的剛度， 而這直接導致大量的發泡劑不能用於材料的膨脹，因此，高填充聚合物複合材料發泡變得異常困難。

作為大比表面的碳材料——石墨烯具有良好的電磁遮罩／吸波性能。 特別是採用 CVD 等方法製備的石墨烯性能幾乎接近「完美」，與聚合物沒有親和性，且在聚合物基體中很難均勻分散。

筆者所在的科研團隊，通過調控氧化石墨中的可揮發物質的含量，成功實現了氧化石墨的低溫常壓剝離， 製備了含有大量含氧基團的氧化石墨烯，並已成功申請中國發明專利。

// 聚醯亞胺微發泡電磁遮罩材料顯威力

利用氧化石墨烯表面豐富的含氧基團，中科院寧波材料所的研究人員通過共混手段改善了氧化石墨烯在熱塑性聚醯亞胺樹脂中的分散， 並通過相分離工藝成功在聚醯亞胺／氧化石墨烯複合材料中引入了均勻泡孔結構。

研究人員發現，聚合物微發泡過程原位形成的拉伸作用不但有助於石墨烯的二次分散，還促進了石墨烯圍繞泡孔結構進行取向。 微發泡材料中氧化石墨烯的添加量可以高至 10 wt%，材料的密度為 0.3 g/cm³ 左右， 材料在 X 波段的平均比電磁遮罩效能為 36.4 dB／(g/cm³)。

不過，研究人員也注意到，聚合物微發泡過程中，材料體積會增加，吸收劑體積會降低，這直接損害了聚合物微發泡電磁遮罩／吸波材料的效能。

為了進一步解決上述問題，研究人員在石墨烯表面原位合成了納米四氧化三鐵， 利用上述複合納米材料的電磁匹配，成功製備了電磁遮罩性能更為優異的聚醯亞胺微發泡電磁遮罩材料， 比電磁遮罩效能由 36.4 dB／(g/cm³) 增加至 41.5 dB／(g/cm³)。

更為難得的是，複合納米材料的電磁性能匹配特點使聚合物微發泡材料吸收更多的電磁波，而不是反射電磁波， 這無疑再次降低了電磁波對環境的二次污染。

未來，電子產品的尺寸將越來越小、電子器件的集成度也會越來越高， 這勢必要求電子遮罩／吸波材料朝著「品質輕、厚度薄、頻段寬、吸收強」的方向發展。

中科院寧波材料所研究人員利用聚合物微發泡技術成功開發了聚合物功能微發泡薄膜和功能微發泡板材材料。 所使用的聚合物基體可以是高性能聚醯亞胺樹脂，也可以是柔性聚氨酯熱塑彈性體樹脂。 所開發的材料可以用於雷達透波材料、手機電子支付吸波材料、吸波貼片、隱身結構功能一體化材料等多個新材料領域。

（作者單位：中科院寧波材料所）

來源： https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2013/11/280294.shtm