一种低填充-高热导/屏蔽效能石墨烯泡沫封装材料

导热-电磁屏蔽多功能电子封装材料既能快速导热又能有效吸收或衰减入射的电磁波能量，是解决当前电子器件发热与电磁干扰问题以及保护其正常运行的最有效途径。5G/6G 通讯技术推动电子器件向小型化、功能集成化、轻薄、高功率、高工作频段方向发展，小型化和高工作频段要求电磁波吸波/屏蔽材料“更宽、更强、更薄”；而小型化、功能集成化、高功率要求导热材料“更薄、更轻、散热更快”，这势必加剧了电子器件的电磁干扰和发热问题。目前，国内学者主要单独研究和使用导热材料与电磁波吸波/屏蔽材料，有关导热-电磁屏蔽多功能封装材料的研究起步较晚，同时导热和吸波性能兼容性较差，现有的导热-电磁屏蔽多功能材料填充比高（不低于50%）、导热和吸波性能差（带宽窄，不大于5 GHz；热导率不大于2.0 W·m-1·K-1）。因此，建立“导热-吸波协同增强”机制并开发低填充比、高效的导热-电磁屏蔽多功能电子封装材料具有挑战性和重要意义。

浙江师范大学童国秀教授团队采用可溶性盐模板法大量合成了石墨烯纳米片基泡沫。通过改变煅烧温度T和水溶性聚乙二醇（PEG 20000）/NaCl 质量比λ 来调控石墨烯泡沫的结构、织构、缺陷、石墨化、电导率、电磁参数、电磁屏蔽效能和热导率，并分析了其电磁屏蔽和导热性能及机理。以高熔点、立方结构的NaCl 为模板、PEG 20000 作为表面活性剂和碳源，冷冻干燥其混合水溶液得到干凝胶。在干凝胶煅烧过程中，PEG 20000 在NaCl 微晶模板表面碳化；再洗涤去模板，获得由超薄石墨烯纳米片相互交联构成的三维多孔泡沫结构，其壁厚薄（5～10 nm）、密度低、比表面积可调（255.6～670.5 m2/g）。改变投料比能调节壁厚、比表面积和介电常数；调节煅烧温度能控制材料的结晶性、缺陷、电导率、介电损耗、电磁屏蔽和热性能。该方法具有工艺简单、通用、绿色、环保、低成本、易于工业化等优点。

研究结果表明，可溶性盐模板使超薄石墨烯纳米片形成三维多孔相通网络结构，超薄石墨烯纳米片泡沫的SEM 图像见图1。提高煅烧温度、填充比和投料比能改善石墨烯泡沫的热导率和电磁屏蔽效能（见图2、3）。在T=800 ℃和λ=0.530 下形成的石墨烯泡沫显现了最佳的热导率和电磁屏蔽效能。在石墨烯泡沫的填充比质量分数仅为7%时，其在C、S 和Ku 波段的电磁屏蔽效能超过20 dB，这明显优于大多数石墨烯基材料。同时，与大多数报道的复合材料相比，三维互通网络可以降低石墨烯纳米片之间的接触热阻，并为声子/电子提供连续的热传输通道，因而在较低的填充比（质量分数为3%～5%）下能获得更高的热导率（3.26～3.95 W·m-1·K-1）。总之，由于可调的比表面积、低填充比以及优异的电磁屏蔽效能和热导率，本研究合成的石墨烯泡沫在电子封装以及导热屏蔽领域具有广阔的应用潜力。（童国秀 范宝新 邢露 杨凯霞杨怡均 周凡洁）

图1 超薄石墨烯纳米片泡沫的SEM 图像

图2 石墨烯泡沫的热导率

原始文献：

FAN B X,XING L,YANG K X,et al.Salt-templated graphene nanosheet foams filled in silicon rubber toward prominent EMI shielding effectiveness and high thermal conductivity [J].Carbon,2023,207:317-327.