具有高效電磁屏蔽和熱管理性能的石墨烯納米片復合材料

來源 | Carbon

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背景介紹

隨著電子器件向小型化、集成化、高頻化的快速發(fā)展，在有限的空間內不可避免地會產生嚴重的電磁干擾(EMI)和熱量積累。這會大大降低了電子元件的可靠性，如果不及時消散，甚至可能引發(fā)故障或火災。在這種情況下，采用具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能和熱管理性能的材料來解決上述問題是非常理想的方式之一。

含碳導熱填料由于其熱導率高，且填充在聚合物中的復合材料其重量輕、柔韌性好、可加工性好等優(yōu)點，成為當前電磁干擾屏蔽和熱管理材料領域的研究熱點之一。石墨烯納米片(GNPs)具有優(yōu)異的導電性、優(yōu)異的導熱性，顯示出作為新材料的巨大潛力。但是由于GNP含量有限(<30 wt%)，石墨烯納米片/聚合物復合材料（GPCs）的電磁屏蔽性和熱導率保持在相對較低的水平，這限制了它們在下一代高度集成電子設備中的應用。

高GNP含量(≥50 wt%)的GPC材料有望通過形成致密的導電網絡產生具有強電磁屏蔽能力和良好導熱性。然而，通過傳統(tǒng)的熔體混合、溶液混合和原位生長工藝將高GNP含量納入聚合物基體仍然是一個艱巨的挑戰(zhàn)，因為加工困難和柔性差。因此，開發(fā)一種易于處理和有效的方法來制備高GNP含量的GPCs是非常重要的。

02

成果掠影

近期，四川大學空天科學與工程學院鄢定祥教授和電氣工程學院的賈利川副研究員在具有電磁屏蔽和高導熱的復合材料研究取得新進展。

該團隊提出通過一種易于處理和可擴展的聚合物滲透技術，實現(xiàn)了高填充含量的石墨烯納米片聚氨酯復合材料(GNP/PU)復合材料，其中GNPs緊密地面對面接觸并沿平面方向排列。這種結構的形成為GNP/PU復合材料中電子和聲子的傳輸提供了良好的通道。GNP/PU復合材料表現(xiàn)出較強的電磁干擾屏蔽和導熱性，屏蔽效果為67.6 dB (0.4 mm厚度)，導熱系數(shù)為41.60 W/(m·K)。

此外，GNP/PU復合材料被證明具有優(yōu)異的機械靈活性，電磁屏蔽穩(wěn)定性和熱管理能力。GNP/PU復合材料具有良好的綜合性能和高可加工性，在高集成電子領域的電磁干擾屏蔽和熱管理應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 ”為題發(fā)表于《Carbon》。

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圖文導讀

圖1.制備GNP/PU薄膜的示意圖。

圖2.(a) PU網的SEM圖像,(b) PU網的放大SEM圖像,(c)GNP的SEM圖像,(d) GNP涂層PU混合物的頂面SEM圖像,(d) GNP涂層PU混合物的表面SEM圖像,(f) GNP50薄膜的表面SEM圖像,(g-k)GNP60的照片。

圖3.(a)GNP50薄膜的SEM圖像,(b-c)GNP50薄膜的放大SEM圖像,(e,f)GNP含量為50wt%的r-GNP/PU薄膜的SEM圖像,(g) PU熔化和滲透到GNP層的過程示意圖。

圖4.(a) GNP/PU薄膜和r-GNP60薄膜的電導率,(b) GNP/PU薄膜和PU薄膜的EMI SE,(c) GNP/PU薄膜在10.3GHz和100μm厚度下的實驗和理論EMI SE,(d) GNP/PU薄膜的SER和SEA,(e) 10.3 GHz時GNP/PU薄膜的功率系數(shù),(f) GNP/PU薄膜的EMI SE與樣品厚度,(g) 在10.3GHz下，不同樣品厚度的GNP/PU薄膜的SETotal、SER和SEA,(h) GNP/PU薄膜的EMI屏蔽機制示意圖,(j-k)顯示GNP60薄膜被放入特斯拉線圈系統(tǒng)后的EMI屏蔽效果的照片。

圖5.薄膜的電磁屏蔽性和熱管理性能示意圖。