趙建偉 尚陽 劉栩瑞 崔杰

1 引言

隨著人類社會(huì)的快速發(fā)展，除卻被人們所熟悉的水污染、噪音污染、空氣污染等問題，電磁污染對(duì)人類的危害也在日益加劇，正逐漸被人們熟知和關(guān)注[1]，特別是在信息技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，各類電子設(shè)備進(jìn)入了人類的生產(chǎn)生活，帶來便利的同時(shí)也帶來了電磁污染和射頻干擾，引發(fā)了危害身體健康等一系列問題[2]。因此，電磁污染的治理日益迫切。開發(fā)有效的電磁屏蔽材料越來越受到研發(fā)人員的關(guān)注，被廣泛研究的電磁屏蔽材料主要有金屬類、合金類材料、高分子基復(fù)合材料、電磁屏蔽涂料等。金屬類、合金類材料存在密度大、易腐蝕、不易散熱等缺點(diǎn)，高分子基材料存在導(dǎo)電性能差、屏蔽效能低、合成工藝復(fù)雜以及復(fù)合后材料機(jī)械性能差等問題，而電磁屏蔽涂料有著使用方便、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，被廣泛開展研究[3]。

2 電磁屏蔽涂料

電磁屏蔽涂料主要由成膜物、導(dǎo)電填料、助劑、溶劑等組成的一種功能性涂料，分為本征型和填充型2種。本征型電磁屏蔽涂料的成膜物質(zhì)要求為導(dǎo)電高分子材料，成本高、不易加工的問題限制了其推廣應(yīng)用。填充型電磁屏蔽涂料的成膜物質(zhì)一般不要求具有導(dǎo)電性，是以具有良好導(dǎo)電性能的功能填料使其實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽功能，工藝簡單、成本低、豐富多樣、使用方便，被廣泛應(yīng)用[4]。

目前，填充性電磁屏蔽涂料中常見的填料有金屬系、碳系、復(fù)合填料、金屬氧化物、納米導(dǎo)電填料等[5，6]。金屬系導(dǎo)電填料的導(dǎo)電性能好，常用的有銅、銀、鎳等，其中銅的抗氧化性較差、性能不穩(wěn)定、需預(yù)處理；銀存量少、成本高；鎳的導(dǎo)電性相比銅、銀較差，但價(jià)格適中，抗氧化性能好，相對(duì)使用較為廣泛。碳系主要有石墨、炭黑，存在導(dǎo)電性能一般、用量大、屏蔽效果差等缺陷，復(fù)合填料將多種功能填料進(jìn)行協(xié)同作用，進(jìn)一步提升涂層的電磁屏蔽性能[7]。金屬氧化物如鐵氧體，電磁波吸收能力較好，常用于吸波材料，納米導(dǎo)電填料因其比表面積大、納米級(jí)的尺寸結(jié)構(gòu)，制備的電磁屏蔽涂料具有密度小、機(jī)械性能好、覆蓋頻帶寬等特點(diǎn)[8]。

因此，利用粒徑小、導(dǎo)電性能好、機(jī)械性能強(qiáng)、低密度、比表面積大的填料開發(fā)電磁屏蔽涂料成為了新的研究熱點(diǎn)。

3 電磁屏蔽機(jī)理

SER、SEA、SEM分別表示屏蔽材料表面對(duì)電磁波的反射損耗、對(duì)電磁波的吸收損耗、2個(gè)界面處多次反射而造成的多次反射損耗（見圖1）。研究表明，屏蔽材料導(dǎo)電性比較好則反射損耗較大，磁導(dǎo)率較大則吸收損耗很大而反射損耗很小，厚度越厚則多次反射損耗越大[10，11]。

對(duì)于屏蔽效能的評(píng)價(jià)，一般認(rèn)為，屏蔽效能≥20dB，可屏蔽90%的電磁波，具備電磁屏蔽效果[12]，屏蔽效能達(dá)到35dB時(shí)，具備中等屏蔽效能，初步滿足民用要求，屏蔽效能≥75dB時(shí)，具備高屏蔽效能，可用于軍工產(chǎn)品[12，13]。

4 石墨烯電磁屏蔽涂料

4.1 石墨烯的性能優(yōu)勢(shì)

石墨烯有著低密度、質(zhì)量輕、高導(dǎo)電性[14]〔電子遷移率高達(dá)2×105cm2/（V·s）〕、高熱導(dǎo)率[15]〔室溫下5 300W /（m·K ）〕、高表面積[16]（2 630m2/ g）高強(qiáng)度[17]（楊氏模量達(dá)1TPa）、強(qiáng)疏水性[18]等特性，以及獨(dú)特的二維片狀結(jié)構(gòu)，使電磁波形成多次反射損耗以及多重吸收損耗，成為了填充型電磁屏蔽涂料的理想導(dǎo)電填料，受到越來越多研究人員的關(guān)注。

4.2 研究概況

Shen等[19]通過構(gòu)建由聚酯無紡布作為增強(qiáng)夾層和具有高石墨烯負(fù)載量的熱塑性聚氨酯（TPU）復(fù)合材料作為導(dǎo)電涂層的夾層結(jié)構(gòu)，石墨烯負(fù)載量約為20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），涂層厚度約為50μm，不僅具有優(yōu)異的機(jī)械柔韌性和強(qiáng)度，而且在5.4～59.6 GHz的寬帶頻率范圍內(nèi)，屏蔽效能（SE）≥20dB的帶寬高達(dá)49.1GHz。

劉元軍等[20]以石墨烯和石墨為功能粒子，制備了石墨烯/石墨單層涂層織物，結(jié)果表明，石墨烯和石墨用量為10：0時(shí)，在0～1000MHz頻率范圍內(nèi)，對(duì)電磁波的極化能力、衰減能力均最強(qiáng)，用量為8：2時(shí)，在0～40 MHz頻率范圍內(nèi)，石墨烯單層涂層織物的屏蔽效能最大。

何文龍等[21]以自制石墨烯為導(dǎo)電填料制備的水性導(dǎo)電涂料，在0.1～1000MHz的頻段范圍內(nèi)，對(duì)電磁波的衰減在30dB以上。

魏峰等[22]以炭黑、石墨粉和石墨烯為導(dǎo)電材料制備的水性電磁屏蔽涂料，在0.3MHz～40GHz頻段的屏蔽效能40.1～62.3dB，應(yīng)用于屏蔽室施工中，經(jīng)實(shí)測(cè)，在200 MHz～3.0GHz的頻段，屏蔽效能為42～48dB，具備較好的屏蔽效果。

高玉凱等[23]制備了的鎳/石墨烯/環(huán)氧樹脂柔性復(fù)合涂層，其中石墨烯含量為0.7%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），鎳粉含量60%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），電磁波頻率為30MHz～1.5GHz時(shí)，柔性復(fù)合涂層的平均屏蔽效能為29.3dB，基底上鍍銅膜后，雙層結(jié)構(gòu)的柔性復(fù)合涂層的平均屏蔽效能為36.6dB。

劉奇等[24]利用制備出石墨烯負(fù)載鎳磁性復(fù)合粉體（N/RGO）作為填料，制備的涂層在100kHz～30MHz電磁場中，電場屏蔽效能109～51dB，磁場屏蔽效能49～30dB，具有良好的電磁屏蔽效果。

張殊卓等[25]對(duì)石墨烯電磁屏蔽涂料的專利進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，石墨烯電磁屏蔽涂料的專利申請(qǐng)?jiān)谥鹉晟仙?，全球范圍?nèi)，中國申請(qǐng)數(shù)量占據(jù)最多，充分說明石墨烯應(yīng)用于電磁屏蔽涂料的潛在前景。

4.3 應(yīng)用領(lǐng)域

電磁屏蔽涂料本身有著低成本、制備簡便、使用方便、不受基材限制等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于電子、建筑、航空及軍事等領(lǐng)域，具有更高屏蔽效能和寬頻屏蔽的電磁屏蔽涂料已經(jīng)被研究人員不斷關(guān)注，將有著更加廣闊的應(yīng)用前景[26]。目前，中國電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所與大同墨西科技有限責(zé)任公司通過聯(lián)合研究將石墨烯應(yīng)用于電磁屏蔽涂料，已完成石墨烯電磁屏蔽涂料及其工程應(yīng)用技術(shù)的研究工作，在國內(nèi)首次將石墨烯電磁屏蔽涂料應(yīng)用于屏蔽工程，實(shí)施打造的防護(hù)樣板間，屏蔽效能達(dá)到40dB，電磁波阻隔可實(shí)現(xiàn)99.99%[27]。

5 展望

綜上所述，電磁屏蔽涂料因其制備簡單、使用方便、輕薄、占據(jù)空間小、不受基材限制等特點(diǎn)已經(jīng)越來越受研究人員的關(guān)注。石墨烯有著粒徑小、高導(dǎo)電、低密度、高比面積、高強(qiáng)度等性能優(yōu)勢(shì)，以及二維片狀結(jié)構(gòu)，是電磁屏蔽涂料的理想填料。研究表明，石墨烯應(yīng)用于電磁屏蔽涂料中，有著良好的電磁屏蔽效果。此外，有關(guān)電磁屏蔽的專利布局也在不斷增加，表明石墨烯在電磁屏蔽涂料的領(lǐng)域有著很好的潛在應(yīng)用前景。

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

參考文獻(xiàn)

[1] 劉順華，劉軍民，董星龍.電磁波屏蔽及吸波材料[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2] 黎昌金，陳琦，李建龍.電磁輻射的危害與防護(hù)探討[J].內(nèi)江科技，2018，39（9）：4.

[3] 孫天，趙曉明.電磁屏蔽材料的研究進(jìn)展[J].紡織科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018（2）：121—125.

[4] 秦秀蘭，黃英，杜朝鋒，等.電磁屏蔽涂料中導(dǎo)電填料的研究進(jìn)展[J].材料保護(hù)，2007（8）：62—65.

[5] 張寧，邵忠財(cái)，李曉偉.電磁屏蔽填料的制備及研究進(jìn)展[J].電鍍與精飾，2012，34（3）：33—38.

[6] 王曉麗，杜仕國，王勝巖.防靜電涂料中導(dǎo)電填料的應(yīng)用[J].現(xiàn)代涂料與涂裝，2002（2）：29—30，33，53.

[7] 張慶之，杜運(yùn)波，周佳奇，等.水性電磁屏蔽涂料研究進(jìn)展[J].臺(tái)州學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，33（6）：21—25.

[8] 白翰林，王執(zhí)乾.導(dǎo)電涂料應(yīng)用研究現(xiàn)狀與展望[J].天津化工，2017，31（4）：16—18.

[9] 陸穎健，嚴(yán)明，高屹.電磁屏蔽材料的屏蔽機(jī)理及現(xiàn)狀分析[J].價(jià)值工程，2019，38（1）：165—168.

[10] 張曉寧.層狀復(fù)合電磁屏蔽材料的設(shè)計(jì)與制備[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2000.

[11] 馬向雨.鐵基磁屏蔽梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)材料制備與屏蔽性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[12] 施建花.電磁屏蔽原理及應(yīng)用[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息，2015，（24）：312.

[13] 林鴻賓，陸萬順.電磁屏蔽原理及電磁屏蔽玻璃[J].2008，（3）：39—42.

[14] Kim H，Lee H，Lim H R，et al.Electrically conductive and anti-corrosive coating on copper foil assisted by polymer-nanocomposites embedded with graphene[J].Applied Surface Science，2019，476：123—127.

[15] Oh H，Kim K，Ryu S，et al.Enhancement of thermal conductivity of polymethyl methacrylate-coated graphene/epoxy composites using admicellar polymerization with different ionic surfactants[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2019，116：206—215.

[16] Chen Z，Hou C，Zhang Q，et al.Reinforced heat dissipation by simple graphene coating for phosphor-in-glass applied in high-power LED[J].Journal of Alloys and Compounds，2019，774：954—961.

[17] Nonahal M，Rastin H，Saeb M R，et al.Epoxy/PAMAM dendrimer-modified graphene oxide nanocomposite coatings： Nonisothermal cure kinetics study[J].Progress in Organic Coatings，2018，114：233—243.

[18] Alhumade H，Abdala A，Yu A，et al.Corrosion inhibition of copper in sodium chloride solution using polyetherimide/graphene composites[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering，2016，94（5）：896—904.

[19] Shen B，Li Y，Yi D，et al.Strong flexible polymer/graphene composite films with 3D saw-tooth folding for enhanced and tunable electromagnetic shielding[J].Carbon，2017，113：55—62.

[20] 劉元軍，劉旭琳，張一曲，等.石墨烯/石墨單層涂層織物的電磁性能和力學(xué)性能的研究[J].紡織科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2019，（2）：5—9，41.

[21] 何文龍，王立，戴藝強(qiáng)，等.基于石墨烯的水性導(dǎo)電涂料的制備及其電磁屏蔽性能的研究[J].中國涂料，2017，32（2）：11—13，23.

[22] 魏峰，張學(xué)龍，劉歌，等.水性電磁屏蔽涂料的開發(fā)與應(yīng)用[J].染料與染色，2019，56（1）：26—29.

[23] 高玉凱.柔性薄膜復(fù)合涂層的制備與性能研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2020.

[24] 劉奇.電磁屏蔽涂料的制備及其性能研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2018.

[25] 張殊卓，魏靜，楊坤，等.石墨烯電性能涂料專利信息分析[J].涂料工業(yè)，2019，49（10）：80—87.

[26] 馮猛，張羊換，王鑫，等.電磁屏蔽涂料研究現(xiàn)狀[J].涂料工業(yè)， 2004，34（11）：4.

[27] 中國電子科技集團(tuán).中國電科將石墨烯電磁屏蔽涂料應(yīng)用于電磁屏蔽工程[J].國防科技工業(yè)，2021（1）：9.