近年來(lái)，隨著電子科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電磁輻射帶來(lái)的電磁污染、電磁干擾、泄密等問(wèn)題，不僅影響通信等電子設(shè)備正常工作，對(duì)人體健康也存在隱患。特別是隨著5G時(shí)代的到來(lái)，毫米波穿透力差，衰減大，覆蓋能力會(huì)大幅度減弱，因此5G 對(duì)信號(hào)的抗干擾能力要求很高，需要大量的電磁屏蔽器件。
金屬材料是目前廣泛應(yīng)用的電磁屏蔽材料,但是金屬具有密度大、易腐蝕、耐疲勞性差等缺點(diǎn)。鐵氧體材料是廣泛使用的吸波材料,但是鐵氧體材料作為吸波材料的填充含量過(guò)高(>50wt%),使材料密度太大、整體的力學(xué)性能受到影響。隨著人們對(duì)碳材料的關(guān)注,碳基的電磁屏蔽材料和吸波材料得到了迅速的發(fā)展。碳材料,包括碳黑、石墨、碳納米管、石墨烯等多種同素異形體,具有質(zhì)量輕、易加工、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、導(dǎo)電性高且可調(diào)等一系列優(yōu)點(diǎn),是制備集輕、薄、高性能電磁屏蔽或吸波性能于一體的理想材料。通過(guò)構(gòu)建碳材料不同的形態(tài),會(huì)獲得不同電磁響應(yīng)性能的碳材料。按照電磁屏蔽和吸波材料的形態(tài)分類(lèi),碳材料主要可以分為致密的薄膜材料、多孔的泡沫材料和碳/聚合物復(fù)合材料,
以石墨烯、碳納米管等構(gòu)建的碳薄膜,具有致密的結(jié)構(gòu)和較高的電導(dǎo)率,對(duì)微波具有較強(qiáng)的反射性能和衰減性能,因此具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能。由于碳膜材料的厚度較薄(~10μm),低于大多數(shù)吸波材料的厚度要求(>2mm),所以大多數(shù)的碳薄膜都用于電磁屏蔽而非吸波。薄層的碳膜材料可以實(shí)現(xiàn)較高的屏蔽性能,適用于一些體積小的精密儀器和器件。
研究發(fā)現(xiàn)具有更高電導(dǎo)率的碳膜材料往往具備更優(yōu)的屏蔽性能。Fe3O4/GN（石墨烯納米片膜）膜中即使摻入了大量的磁性材料,其屏蔽效能仍然不如高溫處理的GF-2000或CVD生長(zhǎng)的石墨烯紙。因此,單純地以屏蔽效能而論,制備具有低缺陷、高密度、高電導(dǎo)率的碳膜材料是一種實(shí)現(xiàn)高屏蔽效能的有效方法。
碳泡沬材料,是以碳材料為骨架結(jié)構(gòu)單元,所構(gòu)建的一類(lèi)多孔、輕質(zhì)的碳材料。按照碳材料的原材料分類(lèi),又可以將碳泡沫分為碳?xì)饽z、碳/海綿復(fù)合泡沫、聚合物熱解泡沫等。碳泡沬材料具有極輕的密度,在航空航天等需要輕質(zhì)材料的領(lǐng)域具有很大的潛力。碳泡沫材料的碳含量可以根據(jù)需求調(diào)節(jié),其導(dǎo)電性可以通過(guò)控制碳含量、還原程度來(lái)調(diào)節(jié)。以不同方法制備的碳泡沫在微觀結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出可很大的差異。碳泡沫材料既可以作為電磁屏蔽材料,又可以作為吸波材料使用。
碳/聚合物復(fù)合材料,就是將具有導(dǎo)電性的碳的填料填充到不導(dǎo)電的聚合物基體中而制成的復(fù)合材料。相比于碳?xì)饽z相比,碳/聚合物復(fù)合材料相當(dāng)于將聚合物填充到了氣凝膠的氣孔當(dāng)中。因?yàn)椴粚?dǎo)電的聚合物和空氣的電磁響應(yīng)特性相似,所以具有相似微觀結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電性、碳填充量的碳/聚合物復(fù)合材料和碳泡沫材料往往具有類(lèi)似的屏蔽效能或吸波性能。碳/聚合物材料的密度較泡沫材料重,但是力學(xué)性能也有很大提升,且成本較低。適用于建筑物,大型儀器等材料用量大,且需要材料需要承擔(dān)一部分力學(xué)支撐的應(yīng)用場(chǎng)合。關(guān)于碳/聚合物的電磁屏蔽或吸波材料的研宄十分眾多,—般所采用的碳材料為碳黑,碳纖維,納米級(jí)碳纖維,無(wú)定形碳,碳納米管,石墨烯等。而復(fù)合材料中對(duì)聚合物并沒(méi)有具體的要求,幾乎所有可成型加工的聚合物都可以用來(lái)作為電磁屏蔽材料或吸波材料的聚合物基體。但是,不同的聚合物材料由于其物理性質(zhì)的差異會(huì)對(duì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)造成差異,從而對(duì)材料的性能造成一定影響。對(duì)于碳/聚合物屏蔽材料,為了實(shí)現(xiàn)較好的屏蔽性能,材料必須具有較高的導(dǎo)電性。一般認(rèn)為,宏觀電導(dǎo)率達(dá)到1Sm-1是碳/聚合物材料實(shí)現(xiàn)優(yōu)異屏蔽性能的最低標(biāo)準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)較高的屏蔽效能,一般要求碳填料在聚合物中可以形成搭接緊密的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。一般情況下,具有較高橫縱比的填料更容易形成更好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),從這個(gè)角度講,石墨烯的性能最好,碳納米管次之,然后是碳纖維,碳黑。此外,分散方法,是高性能屏蔽復(fù)合材料的一個(gè)關(guān)鍵工藝。填料的分散性越好,則材料整體越趨向于擁有更好的屏蔽性能。
對(duì)于碳/聚合物吸波材料,要實(shí)現(xiàn)比較好的吸波性能,同樣是要通過(guò)調(diào)節(jié)材料的介電性能(電導(dǎo)率)讓材料最佳平衡阻抗匹配和電磁波損耗能力。調(diào)節(jié)碳材料的填充含量是優(yōu)化材料吸波性能的主要方法。此外,増加填料在聚合物中的分散性，制備具有多層結(jié)構(gòu),梯度結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料也可以進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合材料的吸波性能。
參考資料：席嘉彬；高性能碳基電磁屏蔽及吸波材料的研究
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