石墨烯/聚苯胺复合材料的电磁屏蔽性能

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海大学物理系 作者:袁冰清

  采用直流电弧放电法制备高结晶性石墨烯,利用乙醇助溶分散法得到石墨烯/聚苯胺电磁屏蔽复合材料,研究不同掺杂比例的石墨烯/聚苯胺复合材料的电磁屏蔽性能。拉曼光谱分析表明:由于石墨烯与聚苯胺之间的相互作用,复合材料中聚苯胺特征峰比纯聚苯胺特征峰稍弱或向低频方向移动。复合物的电导率随石墨烯掺杂量的增加而增大,当掺杂质量分数为25%时,其电导率达到19.4S/cm,接近纯石墨烯电导率(20.1S/cm)。频率为2~18GHz时,复合材料的电磁屏蔽效能随着石墨烯掺杂量和频率的增大而增强;当石墨烯掺杂质量分数为25%时,总屏蔽效能在2~18GHz范围内由19.8dB增至34.2dB,增加了约42%,其中吸收部分占总屏蔽效能的比例为66%~81%,这表明石墨烯/聚苯胺复合材料的电磁屏蔽性质是以电磁波吸收为主;同时也说明了拥有特殊结构与特性的石墨烯是一种较好的聚苯胺填料,在微波屏蔽与微波吸收领域将会有广阔的应用前景。

  随着科学技术与电子工业的发展,各种电子仪器设备在商业、工业、医疗卫生等方面的应用日益增多, 电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)已成为一种新的社会公害。金属是最普遍的电磁屏蔽材料,但其存在着高密度、易腐蚀、不易加工等缺点。

  在过去的几十年,聚苯胺(polyaniline,PANI)因其电导率可控,成本低,热稳定性和化学稳定性好,易于制备等优点受到极大的关注。由于其在微波频段有较高的电导率,已成为一种重要的导电聚合物。石墨烯(graphene sheets)是一种准二维炭材料,自从2004年被发现以来,因其独特的性质而引起研究者们的关注。特别是电导率和力学性能与碳纳米管相当,且可能更甚于碳纳米管,这使石墨烯成为潜在的高科技应用材料。据文献报道,石墨烯填充到聚苯胺中制成复合材料,可应用于柔性电极、超级电容等。但迄今为止,尚未有其在电磁屏蔽、微波吸收应用方面的报道。

  本文作者制备了一种乙醇助溶分散-压制法制备石墨烯/聚苯胺复合材料,研究不同掺杂比例的复合物在频率为2~18GHz时的导电性和电磁屏蔽性能,分析了其在电磁干涉屏蔽方面的变化机制及其产生原因。

  1、实 验

  1.1、样品制备

  利用直流电弧放电法制备石墨烯纳米粉体,即在氢氩混合气氛,400Torr(1Torr=133.3Pa)的气压及较高电流下制备所得;从阿法埃莎公司购买聚苯胺,其电导率为1S/cm。乙醇助溶分散-压制的方法制备石墨烯/聚苯胺复合材料,四种不同混合质量比(0∶1,1∶5、1∶4、1∶3)的石墨烯/聚苯胺样品,如表1所示。

表1 石墨烯/聚苯胺中石墨烯的掺杂质量比

石墨烯/聚苯胺中石墨烯的掺杂质量比

  为了使材料分散均匀,先将石墨烯和聚苯胺混合研磨10min,然后分散到无水乙醇中,接着用细胞粉碎机粉碎5min,将得到的混合溶液超声1h(100W);最后水浴加热蒸发多余的乙醇得到复合物粉末。一部分粉末在室温、压强3MPa下压制成薄片(Φ12mm×0.5mm),其余粉末则压制成外径7.00mm,内径3.05mm、厚2.40mm 左右的环状。最终将所有样品置于60℃恒温箱中干燥2h。

  1.2、测试与表征

  使用拉曼光谱分析仪检测石墨烯结构,激光波长为514nm,功率为10mW(RENISHAW,inviaplus)。样品表面形貌及结构分析由带有能量色散分析仪(EDS,Oxford Inca)的场发射扫描电镜FE-SEM(FE-SEM,JEOL-700F)和透射电子显微镜TEM(JEOL JEM-200CX)表征。采用表面低阻抗分析仪(Loresta EP.MCP-T360)测量纯石墨烯、纯聚苯胺及复合材料片状样品的面电阻Rs(Ω),利用公式σ=1/(Rs×t)计算样品电导率σ(S/cm)[8],其中t为薄片样品的厚度(cm)。复合材料的电磁屏蔽效能(electromagneticshielding effectiveness,EMI SE)利用矢量分析仪(HPE8363B)同轴法测量环状样品在2~18GHz的S 散射参数后计算得到。

  结 论

  (1)采用电弧法制备结晶性良好的石墨烯,利用乙醇助溶分散法得到一种新型石墨烯/聚苯胺复合材料。

  (2)石墨烯/聚苯胺复合材料的电导率随石墨烯掺杂量增加而增大;当石墨烯掺杂量达到25%(质量分数,下同)时,复合材料电导率达到19.4S/cm。

  (3)石墨烯/聚苯胺复合材料的电磁屏蔽效能随石墨烯含量增大而增强;当掺杂量为25%,总屏蔽效能在2~18GHz范围内由19.8dB 增至34.2dB,达到商业应用的要求;并且这是一种以吸收为主的电磁屏蔽材料。

  (4)石墨烯是一种极具应用前景的微波屏蔽与微波吸收的导电填料。

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