一种垂直分层石墨烯电磁屏蔽材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及电磁屏蔽材料技术领域，具体涉及一种具有垂直分层微结构的石墨烯电磁屏蔽材料及其制备方法与应用。本发明专利技术首次提出一种具有垂直分层微结构的三维石墨烯电磁屏蔽材料，其是以氧化石墨烯薄膜为基底，利用激光划刻技术构筑垂直分层微结构。相对于MXene等具有分层结构的材料而言，本发明专利技术所得垂直分层电磁屏蔽材料具有更低的密度、更优异的力学性能，相对更高的电磁屏蔽效能；并且所述制备方法具有工艺更简单，生产效率更高、制备条件更温和的优点，可实现定制化和工业化大规模制备。本发明专利技术所述垂直分层电磁屏蔽材料可用于国防军工、航空航天、通信设备、可穿戴电子装备等轻量化的电磁屏蔽应用中。轻量化的电磁屏蔽应用中。轻量化的电磁屏蔽应用中。

【技术实现步骤摘要】
一种垂直分层石墨烯电磁屏蔽材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及电磁屏蔽材料
，具体涉及一种具有垂直分层微结构的石墨烯电磁屏蔽材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着物联网技术的发展，电子设备变得越来越小、越来越智能，任何传输、分布或使用电能的电子设备都会产生电磁干扰(EMI)，对设备性能和周围环境造成不利影响。
[0003]对于运行速度更快、体积更小的电子产品及其部件，电磁干扰作用相对会大幅增加，导致电子产品更易出现故障和加速退化；同时这种电磁污染的增加也会影响人类健康以及周围的环境。
[0004]传统的电磁屏蔽材料以金属为主，如铜、铝等。金属作为电磁屏蔽材料存在诸多缺点，如密度较大、易被腐蚀、非柔性、成本高等，这些缺点不利于其在航空航天、国防军工及智能可穿戴电子设备中实现轻量化应用；此外，其通过反射电磁波以达到屏蔽目的的方式，会造成电磁波的二次污染，这也一定程度上限制了其应用场景。
[0005]二维过渡金属碳/氮化物(MXene)是一种新型二维纳米材料，由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。该材料具有优异的金属导电性、出色的机械性能和大的比表面积等特性；然而，该材料的密度较大，表面电导率较高，导致趋肤深度较小，与金属材料类似，在电磁屏蔽应用中主要以反射屏蔽为主，容易造成二次污染。
[0006]目前主要通过HF蚀刻制备合成的MXene材料，所得材料具有类似手风琴形态的多层层叠结构。但该合成方法目前还处于试验研究阶段，可控性差，工艺繁琐，因而无法满足工业化生产需求；同时所得MXene材料的片层常由于自堆叠而降低材料比表面积，导致接触电阻的增加，降低整体性能。
[0007]石墨烯与MXene均为二维纳米材料，由于MXene材料的以上缺陷，且石墨烯材料的密度较低，因此，本专利技术受MXene材料类手风琴结构启发，期望构筑石墨烯三维类手风琴结构，即垂直分层结构，在增大材料界面和比表面积的同时，能有效降低其密度，是实现轻量化、吸收为主的电磁屏蔽应用的有效途径。
[0008]现有技术提出，可通过构筑三维石墨烯材料以制备高性能的电磁屏蔽材料。如CN113060721A，其通过树脂基底受到激光照射后产生局部的瞬间高温，使得分子结构中的C
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C、C
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N、C
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O、C
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H等化学键被破坏，这些元素一部分在高温下重组成石墨烯结构，另一部分则以气体产物的形式释放，因而导致多孔结构的三维石墨烯生成；同时金属有机化合物在激光导致的高温下受热分解和/或与空气中氧气反应生成金属氧化物纳米颗粒，从而得到可用于电磁屏蔽的复合材料。该方法的制备方法简单、制作周期短，成本低，但所得复合材料结构为无序三维结构，与MXene材料的三维垂直堆叠手风琴结构完全不同，因而其电学性能虽有一定提升，但并不理想；基于此，该方法通过复合金属氧化物纳米颗粒以提高材料的整体性能，但同时也因此导致材料的密度增大，不适合轻量化应用。

技术实现思路

[0009]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种具有垂直分层微结构的电磁屏蔽材料及其制备方法。本专利技术所得电磁屏蔽材料不仅密度更小，整体性能更好，而且三维微结构稳定、不易堆叠，有利于实现电磁屏蔽材料的轻量化应用；同时本专利技术所提供的制备方法具有工艺更简单、一步实现、可定制化和可控性更好的优点，更适合工业化大规模生产。
[0010]第一方面，本专利技术首次提出一种具有垂直分层微结构的三维石墨烯电磁屏蔽材料。
[0011]本专利技术所述三维石墨烯电磁屏蔽材料的密度为0.02～0.05g/cm3，单次制备的厚度为15
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25μm，层间距为2
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3μm，趋肤深度为120
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175μm，材料的整体厚度可通过多次制备堆叠实现增加。
[0012]本专利技术所述石墨烯电磁屏蔽材料的内部呈现出丰富的石墨烯界面和缺陷，进入材料内部的电磁波可被多次反射与吸收，大大提高了材料的电磁屏蔽性能。以20μm厚、层间间距约为2μm的垂直分层石墨烯电磁屏蔽材料为例，其在8.2～12.4GHz的电磁屏蔽效能为40dB，其中反射屏蔽效能为8dB，吸收屏蔽效能为32dB。
[0013]同时，本专利技术所得石墨烯电磁屏蔽材料基于其特殊的垂直分层微结构而具有优异的力学性能，在面对循环拉伸、弯曲或扭转等力学应用场景时，该材料具备良好机械稳定性和耐久性，可实现力学缓冲，避免材料的应力集中导致材料的疲劳损坏或断裂。
[0014]第二方面，本专利技术提供上述三维垂直分层石墨烯电磁屏蔽材料的制备方法，以氧化石墨烯薄膜为基底，利用激光划刻技术构筑垂直分层微结构；并通过控制激光功率密度、氧化石墨烯薄膜的厚度、以及激光头与所述氧化石墨烯薄膜表面的距离，通过控制三者之间匹配关系以控制所述垂直分层微结构。
[0015]激光热还原技术是一种常见的热处理技术，CN113060721A公开了利用激光热还原技术构筑三维石墨烯结构，但其是通过激光辐照方式实现的，所得三维结构为无序结构，对材料的整体性能改善作用有限。
[0016]而本专利技术提出的利用激光划刻技术构筑三维石墨烯材料，可使材料具有垂直分层的微结构特点。基于这一特殊结构，所得三维石墨烯材料具有密度更小、电磁屏蔽性能及整体性能(包括力学性能)更佳的优点，更适合实现轻量化应用；同时该方法工艺更简单、可控性更强，更适合工业化大规模生产。
[0017]由此可见，本专利技术所述的制备方法解决了现有金属屏蔽材料的密度大，不适合轻量化应用的问题，又解决了MXene材料制备原料成本高、结构易堆叠、难以实现工业化生产的问题，同时还解决了三维石墨烯材料密度大、结构无序、整体性能不高的问题。
[0018]申请人早期公布的研究显示，激光划刻技术可用于构筑蜂窝状石墨烯材料，通过有机薄膜(以聚酰亚胺为主)的化学反应，利用产生的气体穿破有机薄膜，从而形成多孔网络结构。
[0019]然而垂直分层微结构与蜂窝状结构差异显著，二者结构上的力学支撑点不同，形成机理也显著不同。本专利技术以氧化石墨烯片为原料，通过激光处理使其一步到位还原为石墨烯；更为重要的挑战在于，在制备过程中须严格控制产生的二氧化碳气体是从氧化石墨烯片层之间溢出，而避免穿破氧化石墨烯片，从而使得氧化石墨烯片层分离，最终形成三维垂直分层微结构。
[0020]但在实际制备过程中，常常出现因划刻参数设计不合理，导致材料内部无法形成分层、所得材料密度较大的问题，或者导致薄膜材料直接被气体穿破损坏的情况发生。
[0021]为此，本专利技术提出通过控制上述三者之间的匹配关系，合理优化激光划刻的操作条件，既较大程度地增大各层间距，又避免材料被损坏，从而获得理想的垂直分层微结构。在本专利技术设定的激光功率密度30
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60mW/cm2的范围之内，控制氧化石墨烯薄膜厚度(μm)与激光功率密度(mW/cm2)之比为2:5，可一次性有效将氧化石墨烯薄膜还原为具有垂直分层结构的石本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯电磁屏蔽材料，其特征在于，具有垂直分层微结构。2.根据权利要求1所述的石墨烯电磁屏蔽材料，其特征在于，所述石墨烯电磁屏蔽材料的密度为0.02～0.05g/cm3，单层厚度为15
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25μm，层间距为2
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3μm，趋肤深度为120～175μm；通过堆叠次数调控所述石墨烯电磁屏蔽材料的整体厚度。3.权利要求1或2所述石墨烯电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，以氧化石墨烯薄膜为基底，利用激光划刻技术构筑垂直分层微结构。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，控制激光功率密度、氧化石墨烯薄膜的厚度、以及激光头与所述氧化石墨烯薄膜表面的距离，通过控制三者之间匹配关系以控制所述垂直分层微结构。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，控制所述激光功率密度为30
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60mW/cm2，及控制氧化石墨烯薄膜厚度μm与激光功率密度mW/cm2之比为2:5。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，控制所述激光功率密度为30
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60mW/cm2，所述氧化石墨烯薄膜的厚度为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：任天令，徐建东，杨轶，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：