我科研團隊研發出高性能電磁遮罩材料

◎本報記者 李禾

在日常生活和工作中,電子設備運作時會産生電磁輻射,可能會給人們的健康帶來不良影響,各設備間的電磁干擾也會嚴重影響電子設備的性能及其正常運作。因此,發展新型電磁遮罩材料,尤其是高性能電磁遮罩材料是解決電磁污染的關鍵。

如今,各種電子設備越來越多地應用於人們的生活和工作中,但是電子設備在運作過程中會産生電磁輻射,可能會給人們的健康帶來不良影響,各設備間的電磁干擾也會造成信號被攔截、數據丟失等,嚴重影響電子設備的性能及其正常運作。特別是隨著物聯網、自動駕駛、可穿戴設備的發展,電子設備越來越複雜、體積越來越小、精度要求越來越高,要保證這些高度整合、高功率的電子設備正常運作,電磁干擾遮罩至關重要。

發展新型電磁遮罩材料是解決電磁污染的關鍵,特別是超薄、輕質並具有優異力學強度和可靠性的高性能電磁遮罩材料。日前,北京航空航太大學化學學院研究員衡利蘋團隊研發了一種具有超潤滑界面的還原氧化石墨烯/液態金屬(S-rGO/LM)異質層狀奈米複合材料,可用於高性能穩定的電磁遮罩。相關研究成果發表在國際學術期刊《美國化學學會·奈米》上。

用石墨烯研發高性能柔性電磁遮罩材料

電磁遮罩材料是能夠通過吸收、反射等方式來衰減電磁波能量傳播,以有效抑制電磁干擾和污染的功能材料。

人們希望,電子設備在工作時,既不被外界電磁波干擾,又不輻射出電磁波干擾其他設備或危害人體健康,因此電子設備運作時,自身産生的電磁波需要被吸收,而外界入射的電磁波需要被反射或吸收。銅、鋁等金屬是常用的電磁遮罩材料,但它們容易被腐蝕、密度大、重量重,並以反射電磁波為主,會造成二次電磁污染。特別是傳統的金屬材料不具備柔性,難以被應用在柔性電磁遮罩領域。

鎵基液態金屬(LM)是目前柔性電子製造應用最廣泛的材料,這主要歸因于其具有低熔點、低黏度、高電導率和熱導率等物理特性。衡利蘋説,隨著對具備室溫流動性的鎵金屬、鎵基合金液態金屬材料研究的逐步深入,其在柔性電磁遮罩材料領域已表現出相當大的潛力。

但是現有的鎵基液態金屬電磁遮罩材料普遍需要與絕緣的聚合物基材共混,以得到具備一定機械強度、可實際應用的電磁遮罩材料。而材料的導電性和導磁性越好,對電磁的遮罩效能就越高,鎵基液態金屬電磁遮罩材料與絕緣的聚合物基材共混,會損失鎵基液態金屬的導電性能,使電磁遮罩性能無法達到最佳水準。使用一種本身也具備超高電導率的基材來構建液態金屬柔性複合材料,成為提升液態金屬柔性電磁遮罩複合材料性能的關鍵。於是,石墨烯進入了衡利蘋團隊的視線。

石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性,本身就可以保持很好的導電性。氧化石墨烯(GO)對鎵基液態金屬還起到了良好的橋接作用,因此,在S-rGO/LM材料內部,可形成連續完整的導電網路。材料厚度僅需33微米,就可遮罩99%的入射電磁波,且對X波段的電磁遮罩效率較高。

可作為抗結冰、除冰功能材料使用

聚二甲基硅氧烷(PDMS)具有耐熱性、耐寒性、防水性、導熱性以及良好的化學穩定性,電絕緣性和疏水性能好,可在-50℃—200℃下長期使用。目前,PDMS已廣泛用於絕緣潤滑、防震、防油塵和熱載體等。

該團隊先將S-rGO/LM材料在稀釋後的PDMS溶液中浸涂,隨後再對其旋轉塗抹硅油,使其獲得超潤滑特性。衡利蘋説,得益於材料本身的穩定性和超潤滑界面的協同保護,S-rGO/LM材料在極限工作溫度中,嚴重機械磨損後,依然能保持良好的電磁遮罩能力。

除了具有出色的電磁遮罩性能外,S-rGO/LM材料還具備優秀的熱管理性能。實驗顯示,在1個太陽光照功率(100毫瓦/平方釐米)照射下,S-rGO/LM材料的表面溫度在40秒內就可達到47.5℃。這表明,在低溫地區,S-rGO/LM還可以作為具有抗結冰、除冰功能的材料來使用。