石墨烯电磁屏蔽涂料的研究进展

赵建伟 尚阳 刘栩瑞 崔杰

1 引言

随着人类社会的快速发展，除却被人们所熟悉的水污染、噪音污染、空气污染等问题，电磁污染对人类的危害也在日益加剧，正逐渐被人们熟知和关注[1]，特别是在信息技术快速发展的时代，各类电子设备进入了人类的生产生活，带来便利的同时也带来了电磁污染和射频干扰，引发了危害身体健康等一系列问题[2]。因此，电磁污染的治理日益迫切。开发有效的电磁屏蔽材料越来越受到研发人员的关注，被广泛研究的电磁屏蔽材料主要有金属类、合金类材料、高分子基复合材料、电磁屏蔽涂料等。金属类、合金类材料存在密度大、易腐蚀、不易散热等缺点，高分子基材料存在导电性能差、屏蔽效能低、合成工艺复杂以及复合后材料机械性能差等问题，而电磁屏蔽涂料有着使用方便、应用范围广等特点，被广泛开展研究[3]。

2 电磁屏蔽涂料

电磁屏蔽涂料主要由成膜物、导电填料、助剂、溶剂等组成的一种功能性涂料，分为本征型和填充型2種。本征型电磁屏蔽涂料的成膜物质要求为导电高分子材料，成本高、不易加工的问题限制了其推广应用。填充型电磁屏蔽涂料的成膜物质一般不要求具有导电性，是以具有良好导电性能的功能填料使其实现电磁屏蔽功能，工艺简单、成本低、丰富多样、使用方便，被广泛应用[4]。

目前，填充性电磁屏蔽涂料中常见的填料有金属系、碳系、复合填料、金属氧化物、纳米导电填料等[5，6]。金属系导电填料的导电性能好，常用的有铜、银、镍等，其中铜的抗氧化性较差、性能不稳定、需预处理；银存量少、成本高；镍的导电性相比铜、银较差，但价格适中，抗氧化性能好，相对使用较为广泛。碳系主要有石墨、炭黑，存在导电性能一般、用量大、屏蔽效果差等缺陷，复合填料将多种功能填料进行协同作用，进一步提升涂层的电磁屏蔽性能[7]。金属氧化物如铁氧体，电磁波吸收能力较好，常用于吸波材料，纳米导电填料因其比表面积大、纳米级的尺寸结构，制备的电磁屏蔽涂料具有密度小、机械性能好、覆盖频带宽等特点[8]。

因此，利用粒径小、导电性能好、机械性能强、低密度、比表面积大的填料开发电磁屏蔽涂料成为了新的研究热点。

3 电磁屏蔽机理

SER、SEA、SEM分别表示屏蔽材料表面对电磁波的反射损耗、对电磁波的吸收损耗、2个界面处多次反射而造成的多次反射损耗（见图1）。研究表明，屏蔽材料导电性比较好则反射损耗较大，磁导率较大则吸收损耗很大而反射损耗很小，厚度越厚则多次反射损耗越大[10，11]。

对于屏蔽效能的评价，一般认为，屏蔽效能≥20dB，可屏蔽90%的电磁波，具备电磁屏蔽效果[12]，屏蔽效能达到35dB时，具备中等屏蔽效能，初步满足民用要求，屏蔽效能≥75dB时，具备高屏蔽效能，可用于军工产品[12，13]。

4 石墨烯电磁屏蔽涂料

4.1 石墨烯的性能优势

石墨烯有着低密度、质量轻、高导电性[14]〔电子迁移率高达2×105cm2/（V·s）〕、高热导率[15]〔室温下5 300W /（m·K ）〕、高表面积[16]（2 630m2/ g）高强度[17]（杨氏模量达1TPa）、强疏水性[18]等特性，以及独特的二维片状结构，使电磁波形成多次反射损耗以及多重吸收损耗，成为了填充型电磁屏蔽涂料的理想导电填料，受到越来越多研究人员的关注。

4.2 研究概况

Shen等[19]通过构建由聚酯无纺布作为增强夹层和具有高石墨烯负载量的热塑性聚氨酯（TPU）复合材料作为导电涂层的夹层结构，石墨烯负载量约为20%（质量分数），涂层厚度约为50μm，不仅具有优异的机械柔韧性和强度，而且在5.4～59.6 GHz的宽带频率范围内，屏蔽效能（SE）≥20dB的带宽高达49.1GHz。

刘元军等[20]以石墨烯和石墨为功能粒子，制备了石墨烯/石墨单层涂层织物，结果表明，石墨烯和石墨用量为10：0时，在0～1000MHz频率范围内，对电磁波的极化能力、衰减能力均最强，用量为8：2时，在0～40 MHz频率范围内，石墨烯单层涂层织物的屏蔽效能最大。

何文龙等[21]以自制石墨烯为导电填料制备的水性导电涂料，在0.1～1000MHz的频段范围内，对电磁波的衰减在30dB以上。

魏峰等[22]以炭黑、石墨粉和石墨烯为导电材料制备的水性电磁屏蔽涂料，在0.3MHz～40GHz频段的屏蔽效能40.1～62.3dB，应用于屏蔽室施工中，经实测，在200 MHz～3.0GHz的频段，屏蔽效能为42～48dB，具备较好的屏蔽效果。

高玉凯等[23]制备了的镍/石墨烯/环氧树脂柔性复合涂层，其中石墨烯含量为0.7%（质量分数），镍粉含量60%（质量分数），电磁波频率为30MHz～1.5GHz时，柔性复合涂层的平均屏蔽效能为29.3dB，基底上镀铜膜后，双层结构的柔性复合涂层的平均屏蔽效能为36.6dB。

刘奇等[24]利用制备出石墨烯负载镍磁性复合粉体（N/RGO）作为填料，制备的涂层在100kHz～30MHz电磁场中，电场屏蔽效能109～51dB，磁场屏蔽效能49～30dB，具有良好的电磁屏蔽效果。

张殊卓等[25]对石墨烯电磁屏蔽涂料的专利进行了分析，结果表明，石墨烯电磁屏蔽涂料的专利申请在逐年上升，全球范围内，中国申请数量占据最多，充分说明石墨烯应用于电磁屏蔽涂料的潜在前景。

4.3 应用领域

电磁屏蔽涂料本身有着低成本、制备简便、使用方便、不受基材限制等优势特点，可广泛应用于电子、建筑、航空及军事等领域，具有更高屏蔽效能和宽频屏蔽的电磁屏蔽涂料已经被研究人员不断关注，将有着更加广阔的应用前景[26]。目前，中国电子科技集团公司第三十三研究所与大同墨西科技有限责任公司通过联合研究将石墨烯应用于电磁屏蔽涂料，已完成石墨烯电磁屏蔽涂料及其工程应用技术的研究工作，在国内首次将石墨烯电磁屏蔽涂料应用于屏蔽工程，实施打造的防护样板间，屏蔽效能达到40dB，电磁波阻隔可实现99.99%[27]。

5 展望

综上所述，电磁屏蔽涂料因其制备简单、使用方便、轻薄、占据空间小、不受基材限制等特点已经越来越受研究人员的关注。石墨烯有着粒径小、高导电、低密度、高比面积、高强度等性能优势，以及二维片状结构，是电磁屏蔽涂料的理想填料。研究表明，石墨烯应用于电磁屏蔽涂料中，有着良好的电磁屏蔽效果。此外，有关电磁屏蔽的专利布局也在不断增加，表明石墨烯在电磁屏蔽涂料的领域有着很好的潜在应用前景。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.01.011

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