中國粉體網(wǎng)11月20日訊 隨著電子工業(yè)的迅猛發(fā)展和電子設(shè)備的廣泛應用，電磁波輻射被認為是繼水污染、噪音污染、空氣污染后的第四大公害。
電子器件發(fā)射的高頻電磁波不僅會導致電子器件的非正常運轉(zhuǎn)，還能影響到人們的正常生活，甚至會威脅國家的軍事機密。比如，高頻電磁波輻射可以影響甚至破壞軍事設(shè)備的敏感器件，使無線電通訊指揮系統(tǒng)、現(xiàn)代化武器作戰(zhàn)平臺失效或者失控。
此外，電子設(shè)備發(fā)射的電磁波可能誘發(fā)某些疾病，如睡眠不足、頭暈、嘔吐，嚴重的可能誘發(fā)癌癥、心血管疾病等。
因此，電磁屏蔽/吸波材料的研究開發(fā)一直備受世界各國學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。
石墨烯帶來驚喜
所謂的電磁屏蔽/吸波材料主要包括金屬和高分子復合材料。傳統(tǒng)的金屬基電磁屏蔽材料存在密度大、結(jié)構(gòu)設(shè)計困難等問題，并且應用也受到限制。
可喜的是，聚合物/吸收劑復合材料具有很好的可設(shè)計性，可以部分解決金屬基電磁屏蔽材料存在的技術(shù)瓶頸。其中，具有微發(fā)泡結(jié)構(gòu)的聚合物基電磁屏蔽/吸波材料是近幾年該領(lǐng)域的熱點研究方向之一。
理由是：泡孔結(jié)構(gòu)不僅賦予電磁屏蔽/吸波材料輕質(zhì)的優(yōu)勢，發(fā)泡過程產(chǎn)生的雙向牽伸作用還有利于二次分散聚合物基體中的吸收劑。同時，泡孔結(jié)構(gòu)的引入可以使進入材料的電磁波陷入“迷宮結(jié)構(gòu)”中，從而顯著地提升材料的電磁屏蔽效能，有效防止材料的電磁泄漏。
不過，聚合物樹脂本身卻并沒有電磁屏蔽/吸波性能，必須通過外加大量的吸收劑來實現(xiàn)，比如鐵氧體類或者碳材料類等，但這些吸收劑均與聚合物基體不相容性，從而導致吸收劑不能被聚合物基體完全浸潤。
而對于聚合物復合材料發(fā)泡來說，大量吸收劑的添加不僅增加了基體中缺陷的數(shù)量，還增強了復合材料的剛度，而這直接導致大量的發(fā)泡劑不能用于材料的膨脹，因此，高填充聚合物復合材料發(fā)泡變得異常困難。
作為大比表面的碳材料——石墨烯具有良好的電磁屏蔽/吸波性能。特別是采用cvd等方法制備的石墨烯性能幾乎接近“完美”，與聚合物沒有親和性，且在聚合物基體中很難均勻分散。
筆者所在的科研團隊，通過調(diào)控氧化石墨中的可揮發(fā)物質(zhì)的含量，成功實現(xiàn)了氧化石墨的低溫常壓剝離，制備了含有大量含氧基團的氧化石墨烯，并已成功申請中國發(fā)明專利。
聚酰亞胺微發(fā)泡電磁屏蔽材料顯威力
利用氧化石墨烯表面豐富的含氧基團，中科院寧波材料所的研究人員通過共混手段改善了氧化石墨烯在熱塑性聚酰亞胺樹脂中的分散，并通過相分離工藝成功在聚酰亞胺/氧化石墨烯復合材料中引入了均勻泡孔結(jié)構(gòu)。
研究人員發(fā)現(xiàn)，聚合物微發(fā)泡過程原位形成的拉伸作用不但有助于石墨烯的二次分散，還促進了石墨烯圍繞泡孔結(jié)構(gòu)進行取向。微發(fā)泡材料中氧化石墨烯的添加量可以高至10wt%，材料的密度為0.3g/cm3左右，材料在x波段的平均比電磁屏蔽效能為36.4db/（g/cm3）。
不過，研究人員也注意到，聚合物微發(fā)泡過程中，材料體積會增加，吸收劑體積會降低。而這直接損害了聚合物微發(fā)泡電磁屏蔽/吸波材料的效能。
為了進一步解決上述問題，研究人員在石墨烯表面原位合成了納米四氧化三鐵，利用上述復合納米材料的電磁匹配，成功制備了電磁屏蔽性能更為優(yōu)異的聚酰亞胺微發(fā)泡電磁屏蔽材料，比電磁屏蔽效能由36.4 db/（g/cm3）增加至41.5 db/（g/cm3）。
更為難得的是，復合納米材料的電磁性能匹配特點使聚合物微發(fā)泡材料吸收更多的電磁波，而不是反射電磁波，這無疑再次降低了電磁波對環(huán)境的二次污染。
未來，電子產(chǎn)品的尺寸將越來越小、電子器件的集成度也會越來越高，這勢必要求電子屏蔽/吸波材料朝著“質(zhì)量輕、厚度薄、頻段寬、吸收強”的方向發(fā)展。
中科院寧波材料所研究人員利用聚合物微發(fā)泡技術(shù)成功開發(fā)了聚合物功能微發(fā)泡薄膜和功能微發(fā)泡板材材料。所使用的聚合物基體可以是高性能聚酰亞胺樹脂，也可以是柔性聚氨酯熱塑彈性體樹脂。所開發(fā)的材料可以用于雷達透波材料、手機電子支付吸波材料、吸波貼片、隱身結(jié)構(gòu)功能一體化材料等多個新材料領(lǐng)域。
電子器件發(fā)射的高頻電磁波不僅會導致電子器件的非正常運轉(zhuǎn)，還能影響到人們的正常生活，甚至會威脅國家的軍事機密。比如，高頻電磁波輻射可以影響甚至破壞軍事設(shè)備的敏感器件，使無線電通訊指揮系統(tǒng)、現(xiàn)代化武器作戰(zhàn)平臺失效或者失控。
此外，電子設(shè)備發(fā)射的電磁波可能誘發(fā)某些疾病，如睡眠不足、頭暈、嘔吐，嚴重的可能誘發(fā)癌癥、心血管疾病等。
因此，電磁屏蔽/吸波材料的研究開發(fā)一直備受世界各國學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。
石墨烯帶來驚喜
所謂的電磁屏蔽/吸波材料主要包括金屬和高分子復合材料。傳統(tǒng)的金屬基電磁屏蔽材料存在密度大、結(jié)構(gòu)設(shè)計困難等問題，并且應用也受到限制。
可喜的是，聚合物/吸收劑復合材料具有很好的可設(shè)計性，可以部分解決金屬基電磁屏蔽材料存在的技術(shù)瓶頸。其中，具有微發(fā)泡結(jié)構(gòu)的聚合物基電磁屏蔽/吸波材料是近幾年該領(lǐng)域的熱點研究方向之一。
理由是：泡孔結(jié)構(gòu)不僅賦予電磁屏蔽/吸波材料輕質(zhì)的優(yōu)勢，發(fā)泡過程產(chǎn)生的雙向牽伸作用還有利于二次分散聚合物基體中的吸收劑。同時，泡孔結(jié)構(gòu)的引入可以使進入材料的電磁波陷入“迷宮結(jié)構(gòu)”中，從而顯著地提升材料的電磁屏蔽效能，有效防止材料的電磁泄漏。
不過，聚合物樹脂本身卻并沒有電磁屏蔽/吸波性能，必須通過外加大量的吸收劑來實現(xiàn)，比如鐵氧體類或者碳材料類等，但這些吸收劑均與聚合物基體不相容性，從而導致吸收劑不能被聚合物基體完全浸潤。
而對于聚合物復合材料發(fā)泡來說，大量吸收劑的添加不僅增加了基體中缺陷的數(shù)量，還增強了復合材料的剛度，而這直接導致大量的發(fā)泡劑不能用于材料的膨脹，因此，高填充聚合物復合材料發(fā)泡變得異常困難。
作為大比表面的碳材料——石墨烯具有良好的電磁屏蔽/吸波性能。特別是采用cvd等方法制備的石墨烯性能幾乎接近“完美”，與聚合物沒有親和性，且在聚合物基體中很難均勻分散。
筆者所在的科研團隊，通過調(diào)控氧化石墨中的可揮發(fā)物質(zhì)的含量，成功實現(xiàn)了氧化石墨的低溫常壓剝離，制備了含有大量含氧基團的氧化石墨烯，并已成功申請中國發(fā)明專利。
聚酰亞胺微發(fā)泡電磁屏蔽材料顯威力
利用氧化石墨烯表面豐富的含氧基團，中科院寧波材料所的研究人員通過共混手段改善了氧化石墨烯在熱塑性聚酰亞胺樹脂中的分散，并通過相分離工藝成功在聚酰亞胺/氧化石墨烯復合材料中引入了均勻泡孔結(jié)構(gòu)。
研究人員發(fā)現(xiàn)，聚合物微發(fā)泡過程原位形成的拉伸作用不但有助于石墨烯的二次分散，還促進了石墨烯圍繞泡孔結(jié)構(gòu)進行取向。微發(fā)泡材料中氧化石墨烯的添加量可以高至10wt%，材料的密度為0.3g/cm3左右，材料在x波段的平均比電磁屏蔽效能為36.4db/（g/cm3）。
不過，研究人員也注意到，聚合物微發(fā)泡過程中，材料體積會增加，吸收劑體積會降低。而這直接損害了聚合物微發(fā)泡電磁屏蔽/吸波材料的效能。
為了進一步解決上述問題，研究人員在石墨烯表面原位合成了納米四氧化三鐵，利用上述復合納米材料的電磁匹配，成功制備了電磁屏蔽性能更為優(yōu)異的聚酰亞胺微發(fā)泡電磁屏蔽材料，比電磁屏蔽效能由36.4 db/（g/cm3）增加至41.5 db/（g/cm3）。
更為難得的是，復合納米材料的電磁性能匹配特點使聚合物微發(fā)泡材料吸收更多的電磁波，而不是反射電磁波，這無疑再次降低了電磁波對環(huán)境的二次污染。
未來，電子產(chǎn)品的尺寸將越來越小、電子器件的集成度也會越來越高，這勢必要求電子屏蔽/吸波材料朝著“質(zhì)量輕、厚度薄、頻段寬、吸收強”的方向發(fā)展。
中科院寧波材料所研究人員利用聚合物微發(fā)泡技術(shù)成功開發(fā)了聚合物功能微發(fā)泡薄膜和功能微發(fā)泡板材材料。所使用的聚合物基體可以是高性能聚酰亞胺樹脂，也可以是柔性聚氨酯熱塑彈性體樹脂。所開發(fā)的材料可以用于雷達透波材料、手機電子支付吸波材料、吸波貼片、隱身結(jié)構(gòu)功能一體化材料等多個新材料領(lǐng)域。
