基于石墨烯层叠结构的透明电磁屏蔽方法研究

发布时间：2020-06-06 18:07

【摘要】：精密仪器、电子通讯、航空航天等领域对高性能电磁屏蔽光窗的需求日益迫切,性能要求集中体现为:保持良好的光学通透性,同时实现对电磁辐射的高水平屏蔽,且减小电磁反射造成的二次污染。石墨烯具有透光性和部分微波吸收特性,在透明电磁屏蔽领域极具应用潜力,然而目前仍存在透光能力与吸波能力互相制约、电磁屏蔽效率不高等问题,制约了石墨烯在透明电磁屏蔽领域的应用。针对上述问题,本文以石墨烯及其与透明介质、金属网栅复合结构为研究对象,建模分析影响石墨烯/透明介质层叠结构微波吸收能力的因素及机理,并研究石墨烯与金属网栅不同复合方式对电磁屏蔽性能的影响。进而,针对不同应用需求,分别提出了石墨烯/透明介质层叠结构、石墨烯/金属网栅复合导电薄膜结构以及石墨烯/透明介质/金属网栅层叠结构,以期实现强电磁屏蔽、高透光和低电磁反射特性,并进行实验验证。具体研究内容如下:为了解决多层石墨烯微波传输特性缺少系统性分析模型的问题,基于Kubo公式、电磁场边界条件及麦克斯韦方程组建立了石墨烯微波传输特性分析模型。分析表明,增加石墨烯的层数会使介电损耗正切与磁损耗正切的差值增大,即阻抗匹配弱化,导致石墨烯屏蔽机制由单层时以吸收为主转变为多层时以反射为主。该研究为基于石墨烯透明电磁屏蔽器件的设计提供了理论依据。为了同时具备较高的透光率和较强的微波吸收能力,提出了一种基于石墨烯/透明介质层叠结构的透明微波吸收方法。将单层石墨烯与透明介质交替排布构成层叠结构,并建立模型分析其微波传输特性。分析表明,由于法布里—珀罗效应,该层叠结构出现多吸收共振峰特征,且可通过优化介质厚度,在保持高透光性能的同时,有效提高微波吸收能力。实验表明,四层石墨烯/透明介质层叠结构样品可同时实现87%的微波吸收率和90%的透光率;与石墨烯相比,在保持高透光的同时,该层叠结构的微波吸收率提高60%以上。为了缓解透光率与电磁屏蔽效率之间的固有矛盾,提出了一种基于石墨烯/金属网栅复合导电薄膜的透明电磁屏蔽方法。基于边界条件和Shacklette模型,分析指出石墨烯的电磁屏蔽效率与表面电阻负相关;建立传输线等效阻抗模型,分析表明石墨烯和金属网栅构成的复合导电薄膜的表面电阻比石墨烯明显减小,因而可提高电磁屏蔽效率。实验表明,该复合导电薄膜的表面电阻为石墨烯的1/40,与透光率均为94%的双层石墨烯相比,电磁屏蔽效率提高了14.41 d B。为了解决现有透明电磁屏蔽技术无法同时兼顾高透光、低电磁反射和强电磁屏蔽性能的问题,提出了一种基于石墨烯/透明介质/金属网栅层叠结构的透明电磁屏蔽方法。该方法以透明介质/金属网栅作为反射层,在微波入射方向设置透明介质/石墨烯作为吸收层,构成层叠结构;基于传输线理论和等效阻抗理论建立模型,分析表明该层叠结构利用金属网栅实现强电磁屏蔽;软件仿真分析表明该层叠结构可使入射微波多次穿过吸收层而被强吸收,有效抑制金属网栅的电磁反射,光波仅经过该层叠结构一次而实现高透光。实验表明,本文提出的基于双层石墨烯和双层金属网栅的层叠结构可同时实现91%的透光率,Ku波段超过35 d B的电磁屏蔽效率,且屏蔽机制以吸收为主。解决了现有透明电磁屏蔽技术无法同时实现高透光、低电磁反射和强电磁屏蔽的问题,为石墨烯在高端仪器和电子通讯等领域的透明电磁屏蔽应用奠定了基础。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O613.71;O441

【参考文献】