电磁屏蔽效果最佳 | 石墨烯/PMMA 纳米层压板的有效EMI屏蔽行为

用于电磁干扰屏蔽的CVD石墨烯/聚合物纳米层压板示意图。

图片来源：研究和技术基金会- Hellas

石墨烯具有很多优异性能，但是当其应用于聚合物复合材料中时，因其微小薄片的形式受到了限制，其优异性能得不到充分利用，需要较高的填充量才能获得令人满意的电气和器械性能。

由 Costas Galiotis 教授领导的一组研究人员提出了一个创新的想法，即使用厘米大小的石墨烯片作为具有纳米层压结构的聚合物复合材料的增强材料。由于横向尺寸大，通过聚合物和石墨烯层的交替，确保了有效的应力转移和均匀可控的分散，克服了纳米材料的典型缺点。大尺寸单层石墨烯是通过化学气相沉积(CVD)工艺生产的：该工艺可以生产单原子层厚度且在其他维度（长度和宽度）没有尺寸限制的石墨烯薄片。

然后采用半自动工艺生产厘米级 CVD 石墨烯/聚合物纳米层压板，该工艺可以进行超薄膜的操作，并且已发现对于相同的石墨烯含量，最先进的薄片表现更好基于石墨烯聚合物复合材料的机械增强和电气性能。最重要的是，这些薄层压材料在太赫兹范围内显示出非常高的电磁干扰 (EMI) 屏蔽效果，在 33 μm 薄的厚度下达到 60 dB，并且每单位重量和厚度的绝对EMI屏蔽效果，是迄今为止生产的合成非金属材料的最高值。

图1：CVD 石墨烯/PMMA 纳米层压板的生产

图2. Gr/PMMA 纳米层压板的电气和 EMI 屏蔽特性

Galiotis 教授说：“在该研究中，我们试图利用单层石墨烯作为工程聚合物的增强材料时的优异机械和电气性能。因为夹杂物的尺寸很小，目前为止使用短尺寸石墨烯薄片是不可能的。连续（大尺寸）单层石墨烯膜生产的最新进展，使我们能够通过将数十甚至数百个石墨烯层嵌入商业聚合物中以制造纳米层压板。这使得石墨烯纳米层板的刚度接近每体积分数的完美石墨烯，并具有有效的电磁干扰屏蔽性能。”

总之，该研究开发了一种基于湿转移和后续沉积的自下而上的方法，以生产重量轻、硬度高、导电的大尺寸CVD石墨烯/聚合物纳米层压板，具有非常高的绝对 EMI 屏蔽效率值。这里采用了超薄膜技术，将聚合物层的厚度减少到100 nm以下，以达到高于之前提出的石墨烯含量。所制备的自支撑纳米层压板的杨氏模量得到了提高，CVD石墨烯的有效模量估计为846 GPa，并且面内电导率高达95 S/cm。通过对模型支撑试样的测量可以证明，这项工作的一个重要方面是是通过进一步增加体积分数，石墨烯纳米层压材料有可能在整个物理力学性能范围内表现出无限价值。实际上，我们的结果表明，在太赫兹区域内，平面内电导率和绝对屏蔽效果值是有史以来文献中最高的，而且频率超过10年。这项工作为开发具有优异性能的纳米层压材料铺平了道路，这些纳米层压材料适用于数据通信、电子和航空航天等领域。

研究工作发表在 Nature Communications 上。

◾ 文献信息：

Pavlou, C., Pastore Carbone, M.G., Manikas, A.C. et al. Effective EMI shielding behaviour of thin graphene/PMMA nanolaminates in the THz range.

Nat Commun 12, 4655 (2021). 

https://doi.org/10.1038/s41467-021-24970-4

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