基于石墨烯的高性能电磁屏蔽膜的研究

发布时间：2020-10-12 01:06

　　 随着通讯技术的发展,电子设备在商用、民用和军用领域均被广泛使用,其涉及的电磁干扰(EMI)屏蔽功能已经成为保护电子元件和人类免受电磁干扰不可或缺的部分。如何设计出高效轻质的电磁屏蔽器件已成为制约通讯技术行业中电磁屏蔽技术发展的关键问题。最先被应用到电磁屏蔽领域的金属及金属氧化物材料因其密度大、耐化学腐蚀性差和难加工的缺点已难以满足人们对电磁屏蔽材料轻质高效的要求,而碳纤维、碳纳米管和石墨烯等碳材料因密度小、导电性高、易加工等特点,逐渐成为了制备电磁干扰屏蔽材料的理想选择。众多碳材料中石墨烯作为一种比表面积大、强度高、导热和导电能力极为优异的二维纳米材料,近十年内被广泛的研究。然而,基于石墨烯的高性能电磁屏蔽膜的研究还远未完善,基于此,本课题针对这一方向开展了高性能电磁抗干扰屏蔽膜的设计制备及其功能和性能的研究,并深入讨论了相关机理,本论文的主要研究成果如下:(1)使用明胶(gelatin)作为交联剂与石墨烯(rLGO)通过真空抽滤的方式构建了一种二元复合膜。通过X射线能谱(EDS)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)表征薄膜的化学结构;通过扫面电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)表征了薄膜的物理结构,并对薄膜进行了力学性能、导电性能和电磁屏蔽性能的测试。研究结果表明,明胶分子可通过化学键和氢键的作用与石墨烯片层连接,形成空间立体网状交联结构,且这一交联结构并不会因为碘化氢还原而消失。明胶的引入会显著提升薄膜的机械性能,当明胶含量为10 wt%时,二元复合膜(rLG/G_(10))的拉伸强度、弹性模量和韧性可分别达到236±12.3 MPa、6.0±0.47 GPa和6.28±0.70 MJ/m~3,是纯石墨烯薄膜的2.2倍、1.8倍和2.2倍,与此同时,rLG/G_(10)的导电性能和电磁屏蔽性能也维持在一个较高的水平,分别为8888±838 S/m和32.2 dB。力学性能分析表明:通过化学键和氢键连接石墨烯的明胶,会极大地增加薄膜内部的结合力,导致强度的提高;而明胶作为一种具有良好柔性的一维高分子,在提升强度的同时也赋予薄膜良好的柔韧性。电磁屏蔽性能分析说明:通过此方法构建的复合膜拥有良好的导电网络,因此电磁屏蔽性能性始终维持在较高的水平。(2)使用明胶、钠基蒙脱土(MMT)和石墨烯通过真空抽滤的方式构建一种三元复合膜。通过EDS、FTIR和XPS表征了薄膜的化学结构;使用SEM和XRD表征薄膜的截面形貌和层状结构;对薄膜进行了力学性能,导电性能和电磁屏蔽性能的测试。明胶和蒙脱土可协同增强石墨烯膜的力学性能,当rLGO:Gelatin:MMT质量比为9:1:1时,三元复合膜(rLG/G_(10)/M_(10))的拉伸强度可达260±20.1 MPa,该强度是纯石墨烯薄膜的2.4倍。相较于rLG/G_(10),rLG/G_(10)/M_(10)拉伸强度的提高主要归因于rLG/G_(10)/M_(10)内部具有比rLG/G_(10)更强的结合力。与此同时,rLG/G_(10)/M_(10)的电磁屏蔽性能维持在一个较高的水平,达到30.5 dB,这主要是因为所构建的特殊层状结构使石墨烯在插层蒙脱土后仍可构建良好的导电网络。因着rLGO、gelatin和MMT间的相互作用,石墨烯膜的热稳定性会在加入gelatin和MMT后显著提高。更加值得注意的是,蒙脱土的引入提高了石墨烯薄膜的隔热性能,其原因在于MMT片层在三元网络中形成了均匀有序排列的砖块结构和自身导热率极低。(3)使用共沉淀法在氧化石墨(GO)烯表面修饰了四氧化三铁(Fe_3O_4)纳米粒子,并将修饰后的氧化石墨烯与天然橡胶(NR)胶乳进行复合,最终通过平板硫化制得rGO@Fe_3O_4/NR复合膜。通过FTIR、XPS和XRD表征rGO@Fe_3O_4的化学结构,通过SEM分析了复合材料的断面形貌,并对复合材料的力学性能、磁性能、导电性能和电磁屏蔽性能进行了测试。研究结果表明,rGO@Fe_3O_4制备成功。rGO@Fe_3O_4/NR复合膜的导电性能和饱和磁化强度随着rGO@Fe_3O_4添加量的增加而提高。rGO@Fe_3O_4的加入极大地提升了复合膜的拉伸强度和杨氏模量,在添加3份时分别达到18.3±0.76MPa和3.8±0.15 MPa,是纯天然橡胶的42.6倍和8.8倍。同时,在rGO@Fe_3O_4添加量达到8份时,复合膜的电磁屏蔽性能达到8.3 dB。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ127.11;TB383.2
【部分图文】：

蔽的原理蔽种类及原理按屏蔽类型可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽[3]。采用了涡流效应法、电磁场理论、传输线理论法等不同的方法来其中，传输线理论法因其计算方便、精度高和容易理解而成为目种方法。传输线理论法是将屏蔽体看作一段传输线，电磁辐射通在外表面被反射一部分，剩余的电磁波向屏蔽体内部传输。传输屏蔽体的连续衰减，并在屏蔽体的两个界面间多次反射和透射。解释的话，电磁屏蔽的机理包括屏蔽体表面的反射损耗、屏蔽体体内部的多次反射损耗。图 1-1 展示了在屏蔽材料中发生的三种图[4]。

1-2 使用波导法通过矢量网络分析仪（VNA）对材料进行 X 波段电磁屏蔽测试e 1-2 Test for the EMI shielding performance of testing of materials through wamethod using vector Network network analyzer (VNA)表 1-2 不同测试频率对应的波导法样品尺寸Table 1-2 Sample sizes corresponding to different testing frequenciesin waveguide method频率范围/GHz 尺寸/mm*mm8.2-12.4 22.6 * 10.212.4-18 15.9 * 8.0318-26.5 10.95 * 4.5

太原理工大学硕士研究生学位论文-3 所示，在内外导体间放置圆环形的样品，样品，外径 7 mm 的样品可测试 0.5-18 GHz 的频率点是环形样品需要做的很薄且尺寸精度要求较隙会引起误差）。
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本文编号：2837398