具有高效电磁屏蔽和热管理性能的石墨烯纳米片复合材料

来源 | Carbon

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背景介绍

随着电子器件向小型化、集成化、高频化的快速发展，在有限的空间内不可避免地会产生严重的电磁干扰(EMI)和热量积累。这会大大降低了电子元件的可靠性，如果不及时消散，甚至可能引发故障或火灾。在这种情况下，采用具有优异的电磁屏蔽性能和热管理性能的材料来解决上述问题是非常理想的方式之一。

含碳导热填料由于其热导率高，且填充在聚合物中的复合材料其重量轻、柔韧性好、可加工性好等优点，成为当前电磁干扰屏蔽和热管理材料领域的研究热点之一。石墨烯纳米片(GNPs)具有优异的导电性、优异的导热性，显示出作为新材料的巨大潜力。但是由于GNP含量有限(<30 wt%)，石墨烯纳米片/聚合物复合材料（GPCs）的电磁屏蔽性和热导率保持在相对较低的水平，这限制了它们在下一代高度集成电子设备中的应用。

高GNP含量(≥50 wt%)的GPC材料有望通过形成致密的导电网络产生具有强电磁屏蔽能力和良好导热性。然而，通过传统的熔体混合、溶液混合和原位生长工艺将高GNP含量纳入聚合物基体仍然是一个艰巨的挑战，因为加工困难和柔性差。因此，开发一种易于处理和有效的方法来制备高GNP含量的GPCs是非常重要的。

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成果掠影

近期，四川大学空天科学与工程学院鄢定祥教授和电气工程学院的贾利川副研究员在具有电磁屏蔽和高导热的复合材料研究取得新进展。

该团队提出通过一种易于处理和可扩展的聚合物渗透技术，实现了高填充含量的石墨烯纳米片聚氨酯复合材料(GNP/PU)复合材料，其中GNPs紧密地面对面接触并沿平面方向排列。这种结构的形成为GNP/PU复合材料中电子和声子的传输提供了良好的通道。GNP/PU复合材料表现出较强的电磁干扰屏蔽和导热性，屏蔽效果为67.6 dB (0.4 mm厚度)，导热系数为41.60 W/(m·K)。

此外，GNP/PU复合材料被证明具有优异的机械灵活性，电磁屏蔽稳定性和热管理能力。GNP/PU复合材料具有良好的综合性能和高可加工性，在高集成电子领域的电磁干扰屏蔽和热管理应用方面具有很大的前景。

研究成果以“High-efficiency electromagnetic interference shielding and thermal management of high-graphene nanoplate-loaded composites enabled by polymer-infiltrated technique ”为题发表于《Carbon》。

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图文导读

图1.制备GNP/PU薄膜的示意图。

图2.(a) PU网的SEM图像,(b) PU网的放大SEM图像,(c)GNP的SEM图像,(d) GNP涂层PU混合物的顶面SEM图像,(d) GNP涂层PU混合物的表面SEM图像,(f) GNP50薄膜的表面SEM图像,(g-k)GNP60的照片。

图3.(a)GNP50薄膜的SEM图像,(b-c)GNP50薄膜的放大SEM图像,(e,f)GNP含量为50wt%的r-GNP/PU薄膜的SEM图像,(g) PU熔化和渗透到GNP层的过程示意图。

图4.(a) GNP/PU薄膜和r-GNP60薄膜的电导率,(b) GNP/PU薄膜和PU薄膜的EMI SE,(c) GNP/PU薄膜在10.3GHz和100μm厚度下的实验和理论EMI SE,(d) GNP/PU薄膜的SER和SEA,(e) 10.3 GHz时GNP/PU薄膜的功率系数,(f) GNP/PU薄膜的EMI SE与样品厚度,(g) 在10.3GHz下，不同样品厚度的GNP/PU薄膜的SETotal、SER和SEA,(h) GNP/PU薄膜的EMI屏蔽机制示意图,(j-k)显示GNP60薄膜被放入特斯拉线圈系统后的EMI屏蔽效果的照片。

图5.薄膜的电磁屏蔽性和热管理性能示意图。

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