【摘 要】
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现代电子技术的快速发展推动了科技的巨大进步并为人民生活带来了极大方便,但随之而来的电磁辐射污染也成为严重危害人类身体健康和干扰电子设备的正常运行的重要问题。高效、宽频次、厚度小、重量轻和柔性的电磁干扰屏蔽材料开发成为近年来的研究热点。石墨烯材料具有超高的电导率和机械强度、出色的热导率、良好的透光性和化学稳定性以及巨大的比表面积等,在电磁屏蔽领域具有重要的潜在的应用价值,但在石墨烯片层间范德华力和π
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现代电子技术的快速发展推动了科技的巨大进步并为人民生活带来了极大方便,但随之而来的电磁辐射污染也成为严重危害人类身体健康和干扰电子设备的正常运行的重要问题。高效、宽频次、厚度小、重量轻和柔性的电磁干扰屏蔽材料开发成为近年来的研究热点。石墨烯材料具有超高的电导率和机械强度、出色的热导率、良好的透光性和化学稳定性以及巨大的比表面积等,在电磁屏蔽领域具有重要的潜在的应用价值,但在石墨烯片层间范德华力和π-π作用力的作用下,石墨烯极易发生团聚和堆叠现象,严重制约了石墨烯优异物理特性的发挥。通过构建三维结构石墨烯,石墨烯片层间的交联支撑作用可有效避免团聚堆叠现象发生,同时又可提供大比表面积和大量电磁反射界面,有望大幅提高其电磁屏蔽性能。本文利用纳米Zn O的催化及模板效应,采用高温热解法制备了纳米三维空心石墨烯/碳化棉纤维及Mo2C/石墨烯/碳化棉纤维复合材料,重点研究了制备温度、Zn O尺寸、前驱体成分及浓度对产物形貌结构及电磁屏蔽性能的影响机制。主要研究内容及结果如下:使用平均粒径为200 nm的Zn O,分别在800℃、1000℃和1200℃下辅助热解棉纤维,研究了反应温度对产物结构和电磁屏蔽性能的影响。通过对产物物相结构和微观形貌的分析发现,在纳米Zn O的催化和模板效应的联合作用下,当热解温度在1000℃以上时,可在碳化纤维表面形成石墨化程度较高的空心三维石墨烯,且产物的石墨化程度随反应温度升高而显著提高。对产物电磁屏蔽性能的研究发现,所得复合材料的电磁屏蔽性能随反应温度升高明显增强,得益于碳化纤维表面空心三维石墨烯对电磁波的欧姆损耗和极化损耗作用,电磁屏蔽机制主要以吸收为主,其中1200℃下纳米Zn O辅助热解棉纤维的反射损耗SER为5.8 d B,吸收损耗SEA达到32.6 d B,总屏蔽效能SET为38.4d B,电磁波屏蔽率高达99.986%。分别使用平均粒径为30 nm、50 nm和90 nm的Zn O在1200℃下辅助热解棉纤维,进一步研究了纳米Zn O的粒径对空心三维石墨烯结构和电磁屏蔽性能的影响。结果表明,空心三维石墨烯的尺寸和形状取决于纳米Zn O的粒径和形貌,且产物的石墨化程度随纳米Zn O粒径的增大而提高。将90 nm Zn O辅助热解棉纤维所制试样作为屏蔽材料后,由于碳化纤维表面形成了更多的空心三维石墨烯,良好的导电性和更多的电磁波反射界面增强了欧姆损耗和极化损耗的作用,其SER、SEA和SET的平均值分别为5.3 d B、34.2 d B和39.5 d B,电磁波屏蔽率为99.989%。为了进一步提升电磁屏蔽性能,采用了在碳基材料中引入高导电性过渡金属碳化物Mo2C。Na2Mo O4·2H2O作为钼源,分解产生的Na2O与纳米Zn O共同作用导致了三维石墨烯薄膜的形成,C6H8O7·H2O作为主要碳源与Mo Ox反应生成的Mo2C在薄膜上形核并生长,制备了Mo2C/石墨烯/碳化棉纤维复合材料,研究了反应前驱体浓度比对产物形貌结构及电磁屏蔽性能的影响。Na2Mo O4·2H2O、C6H8O7·H2O和纳米Zn O前驱体摩尔比为1:1:5所制碳基复合材料,其石墨化程度良好、负载的Mo2C含量较高,形成的Mo2C在三维石墨烯薄膜上分布均匀,因此电子的传质速度较快。作为屏蔽材料后,其内部片状的Mo2C为电磁波的吸收提供了理想的微观形貌,样品粉末填充量为60%时,吸收损耗SEA和总屏蔽效能SET分别为34.0 d B和42.5 d B,电磁波吸收值约为总屏蔽值的80.0%,当SET为42.5 d B时已经超过了商用需求的2倍,意味着可以屏蔽99.994%的电磁波。
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