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刘忠范院士、亓月团队 Adv. Mater.:超大尺寸、超宽带强电磁屏蔽性能的柔性铁磁石墨烯石英纤维织物的制备

日期:2022-06-21 17:39:57    作者:市场运营部    浏览量:218 次

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随着电子设备和无线通信网络技术的蓬勃发展,电磁干扰问题正在以一种无形的方式威胁着人们的身心健康和信息安全。抗电磁干扰也因此成为了人们广泛关注的技术领域。常用的电磁屏蔽材料,如金属、金属基复合材料、导电高分子聚合物等往往受限于其高密度,窄屏蔽带宽和高脆性,无法得到广泛应用。以石墨烯材料(如石墨烯薄膜、石墨烯泡沫、石墨烯纳米片等)为代表的新型电磁屏蔽材料在电磁波的反射和吸收领域表现出了良好的应用前景。然而受石墨烯本征性质的限制,材料难以兼顾宽频带和高强度的电磁屏蔽效能。此外,新型电磁屏蔽材料的尝试大多停留在实验室水平,距离电磁屏蔽特种材料的大规模批量生产与工业级应用仍存在较大差距。


近期,北京大学、北京石墨烯研究院刘忠范—亓月研究团队在柔性石墨烯石英纤维制备与应用方面取得了重要进展。该团队首次报道了利用卷对卷化学气相沉积(CVD)技术批量制备大面积、轻质、柔性、具有超宽带强电磁屏蔽效能的铁磁性石墨烯石英纤维织物(FGQF),相关成果以“Ultra-broadband strong electromagnetic interference shielding with ferromagnetic graphene quartz fabric”为题,于2022年05月23日在线发表在国际知名期刊Advanced Materials上。北京大学为该工作的第一单位,贵州民族大学为第二单位,北京石墨烯研究院为重要参与单位。


本工作利用卷对卷CVD批量生长系统首次制备了超大尺寸柔性铁磁石墨烯石英纤维织物(FGQF)。通过精确控制石墨烯的氮掺杂类型,实现了具有高电导率(3906 S·cm–1)和高磁响应(室温下饱和磁化强度达0.14 emu·g–1)的铁磁石墨烯层的制备(图1a)。同时,FGQF织物特殊的编织结构在材料中引入了额外的电磁波多重反射和多通道吸收,进一步增强了材料的电磁屏蔽效能。1 mm厚度的FGQF在超宽频带1-18 GHz下表现出107 dB的超强屏蔽效能,同时实现了高电磁干扰屏蔽效率和宽抗电磁干扰频带(图1c)。利用团队自主研制的石墨烯卷对卷连续CVD生长系统(图1b),实现了FGQF的规模化制备,单批次制备尺寸高达10×0.5 m2(图1d),这为材料的实际应用提供了重要基础。


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图1 FGQF的制备。(a)石墨烯石英纤维织物结构示意图(黑色、红色圆球分别代表碳原子、氮原子)。(b)团队自主研制的石墨烯卷对卷连续CVD生长系统。(c)FGQF的电磁屏蔽效能。(d)制备得到的尺寸为10 m × 0.5 m的大面积FGQF。


基于FGQF的高导电性、铁磁性和特殊的编织结构,当电磁波到达材料表面时,其与石墨烯表面自由载流子发生相互作用,部分电磁波被反射。通过优化空气-材料界面处的阻抗匹配,剩余电磁波将进入FGQF内部,与FGQF导电网络匹配,并在其编织结构中产生多重内反射。因此,具有高电导率和高磁响应的铁磁石墨烯层可以实现对电磁波能量的有效吸收和衰减(图2a)。具体分析FGQF纤维布中的单根铁磁石墨烯石英纤维(直径约7 μm)的屏蔽机理,电磁波在与相邻纤维阵列发生多次内部反射,而多层铁磁石墨烯可对多次反射的电磁波进行高效吸收,进一步衰减电磁波能量,从而获得高电磁屏蔽效能(图2b)。


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图2 FGQF的电磁屏蔽机理。(a)FGQF织物的电磁屏蔽过程。(b)FGQF单丝的电磁屏蔽过程(黄色区域为石英纤维,黑色区域为氮掺杂石墨层)。


信息来源:高分子科技

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