石墨烯基電纜屏蔽復合材料的研究進展

沈治華，單黎明

（1.杭州高新橡塑材料股份有限公司，浙江杭州311116；2.上海國纜檢測中心有限公司，上海200093）

石墨烯基電纜屏蔽復合材料的研究進展

沈治華1，單黎明2

（1.杭州高新橡塑材料股份有限公司，浙江杭州311116；2.上海國纜檢測中心有限公司，上海200093）

石墨烯具有高比表面積、長徑比及電導率，兼具質輕、高導熱、良好力學性能、高電磁屏蔽等特性。以石墨烯為填料研制具有優異綜合性能的電磁屏蔽材料，有著重要的經濟效益和研究價值。綜述了石墨烯在電纜屏蔽材料領域的研究進展，并提出了該領域的發展方向。

石墨烯；電磁屏蔽；電纜；屏蔽材料

0 引 言

隨著電子信息產業的迅猛發展，電子電氣設備已在各行各業中得到了廣泛應用。然而，它們在給人們的生活提供極大便利的同時，也暴露出了嚴重的電磁污染問題［1］。相關研究證實，電子電氣設備發出的電磁波不但會干擾其他儀器設備的正常工作，而且還可能導致信息泄露，甚至危害人體健康。我國對電磁屏蔽材料的研究，雖起步較晚，但發展迅速，已開發出高性能低成本的電磁屏蔽材料用于國防裝備、電力、信息傳輸等領域。

電纜屏蔽一方面可以減少電纜內部傳輸信號的泄漏，降低對外的電磁輻射污染，使信息更加保密；另一方面可以有效地防止外部電磁環境對電纜內信號產生干擾，保證信號傳輸的質量［2］。電纜屏蔽應采用高磁導率和高電導率的材料，目前電纜中使用的屏蔽材料主要有鋁、銅、銀、鍍銀銅、合金等金屬材料，以及半導電聚合物及其復合材料。通常來說，電磁屏蔽聚合物復合材料是往聚合物基體中添加導電或半導電填料制備的復合材料，填料不僅要具有良好的導電屏蔽性能，還要有優異的加工性能和較好的性價比，如炭黑、石墨、金屬粉等。

1 石墨烯的簡介

在碳系屏蔽材料中，炭黑、石墨、碳纖維、碳納米管等已經有相當廣泛的研究。作為一種新型碳材料，石墨烯比碳納米管更有可能成為一種新型有效的電磁屏蔽或微波吸收材料［3］。

石墨烯是目前發現的最薄的二維材料，完美的石墨烯具有理想的二維晶體結構（見圖1），由六邊形晶格組成，構成一個二維空間無限延伸的基面。其C—C鍵的鍵長大約0.142 nm。石墨烯中每個碳原子的σ鍵與周圍的其他碳原子連接，具有優良的結構剛性。石墨烯中每個碳原子都有一個未成鍵的π電子，π電子在與平面垂直方向上形成了π軌道，電子可以在晶體中自由地移動，所以石墨烯具有很好的導電性。

圖1 石墨烯的結構

由于石墨烯具有優異的物理性能，且制備成本比富勒烯（C60）低很多，向聚合物基體中引入石墨烯制備納米復合材料可顯著改善材料的綜合性能，因此，這種新型納米材料已成為當今的研究熱點。

2 石墨烯屏蔽料的研究現狀

在電纜屏蔽中，目前主要使用兩大類材料：高壓電纜的內、外屏蔽料，使用以導電炭黑為主的具有半導電性能的材料；信號傳輸電纜使用具有導電、導磁特性的材料。在這兩類材料中，添加適量的石墨烯均有可能改善或提高現有屏蔽料的性能。

2012年歐美國家就出現了石墨烯電纜屏蔽相關專利，而在我國石墨烯發展較晚，直到2015年石墨烯在我國工業領域特別是電線電纜領域的應用仍然罕有報道。可見，石墨烯需要更多研究人員與工程技術人員的關注與研究［5］。

石墨烯與納米石墨微片的片層厚度對復合材料的電磁屏蔽效能有重要的影響。圖2a和圖2b為還原氧化石墨烯和納米石墨片的電磁屏蔽效果圖［7］。從石墨到納米石墨微片再到石墨烯，隨著石墨層數的減少，復合材料的電磁屏蔽效能逐漸增加。這是由于石墨烯的大量官能團和結構缺陷會增加極化損耗；同時，石墨層數的減少會增加材料的電傳導路徑而提高傳導損耗；薄片、柔性及表面褶皺的石墨烯會明顯提高電磁波的傳導路徑［6］。此外，研究證實，石墨烯基復合材料會表現出異于其它碳類填料的卓越的電磁屏蔽性能。因此，在聚合物石墨烯電纜屏蔽料的研發及配方設計中，應盡量使用片層較薄的納米石墨片或單層石墨烯。圖2c～圖2f是不同添加量的石墨烯復合材料和納米石墨片在不同頻率下的電磁干擾屏蔽效率和增量圖［7］。結果顯示，在2～18 Hz帶寬下，石墨烯添加20 wt%的復合材料電磁干擾屏蔽效率≥20 dB（見圖2f）。該復合材料被證明是一種高效的電磁屏蔽材料，其良好的電磁屏蔽性能主要得益于電磁波吸收和反射的協同作用。

近期，Chen和Huang［8］課題組在碳材料填充制備電磁屏蔽聚合物復合材料上取得了很大進展，將石墨烯與環氧樹脂復合，該復合材料表現出很好的電磁屏蔽性能，15 wt%石墨烯填充量下復合材料電磁干擾屏蔽效率達到21dB，同時該復合材料還具有輕質、抗腐蝕、柔性、易加工等特點。Yan等［9］制備了石墨烯聚苯乙烯復合材料，結果表明，石墨烯添加量為3.47%時，復合材料電磁干擾屏蔽效率高達48 dB。此外石墨烯還被填充于其他的聚合物基體，如電纜行業常用的聚烯烴、聚氯乙烯、聚硅氧烷及各種合成膠中，這些復合材料除了具有良好的電磁屏蔽性能、力學性能外，還具有良好的加工性能［10］。

石墨烯基電纜屏蔽復合材料近年來被廣泛研究。Song［11］等構建了柔性全碳電傳導網絡——碳纖維/納米石墨微片/碳纖維網絡結構，在很小的厚度下可明顯提高復合材料的電磁屏蔽性能。由于內部連接碳網絡的建立，明顯提高了材料的導電性能，此外該材料的電磁波吸收效率達98%。Chen等［12］通過CVD法制備了石墨烯三維泡沫，用其澆注聚硅氧烷可得到具有良好電磁屏蔽性能的柔性復合材料。

3 結果與展望

石墨烯由于具有高比表面積、長徑比及電導率，成為制備兼具質輕、高導電、良好力學性能及高電磁屏蔽的電纜屏蔽料的理想填料，并且在復合填料中，石墨烯的加入可減少其他填料的添加，具有很好的協同作用，從而改善加工性能。然而制備具有良好綜合性能的電纜屏蔽料以及產業化方面仍然需要做出很大的努力。首先要考慮石墨烯與其他填料、助劑和聚合物基體間的相互作用，生產出不同結構的石墨烯電纜屏蔽料，如石墨烯紙、石墨烯薄膜和石墨烯泡沫等；其次是賦予石墨烯電纜屏蔽料輕質、寬頻、高效、梯度溫度穩定性等特質；最后是需要進一步對電纜屏蔽機理進行探討，例如電導率和電磁波參數的匹配，電磁波吸收與反射的協同作用等。

［1］ 王生浩，文峰，郝萬軍，等.電磁污染及電磁輻射防護材料［J］.環境科學與技術，2006，29（12）：96-98.

［2］ 王川川，朱長青.電磁場對屏蔽電纜耦合的研究現狀及發展趨勢［J］.電線電纜，2011（3）：1-5.

［3］ Novoselov K SA，Geim A K，Morozov S V，et al.Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene［J］.nature，2005，438（7065）：197-200.

［4］ Geim A K，Novoselov K S.The rise of graphene［J］.Naturematerials，2007，6（3）：183-191.

［5］ 任芳，朱光明，任鵬剛.納米石墨烯復合材料的制備及應用研究進展［J］.復合材料學報，2014，31（2）：263-272.

［6］ Yan D X，Ren PG，Pang H，etal.Efficient electromagnetic interference shielding of lightweightgraphene/polystyrene composite［J］.Journal of Materials Chemistry，2012，22（36）：18772-18774.

圖2 石墨烯與納米石墨微片復合材料的電磁屏蔽性能

［7］ Wen B，Wang X X，CaoW Q，etal.Reduced graphene oxides：the thinnest and most lightweight materials with highly efficient microwave attenuation performances of the carbon world［J］. Nanoscale，2014，6（11）：5754-5761.

［8］ Huang H D，Liu C Y，Zhou D，et al.Cellulose composite aerogel for highly efficientelectromagnetic interference shielding［J］. Journal of Materials Chemistry A，2015，3（9）：4983-4991.

［9］ Yan D X，Ren PG，Pang H，etal.Efficient electromagnetic interference shielding of lightweightgraphene/polystyrene composite［J］.Journal of Materials Chemistry，2012，22（36）：18772-18774.

［10］ 方也.新型中高壓半導電屏蔽料的制備與性能研究［D］.北京化工大學，2012.

［11］ Song W L，Cao M S，Lu M M，etal.Flexible graphene/polymer composite films in sandwich structures for effective electromagnetic interference shielding［J］.Carbon，2014，66：67-76.

［12］ Chen Z，Xu C，Ma C，et al.Lightweight and Flexible Graphene Foam Composites for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding［J］.Advanced Materials，2013，25（9）：1296-1300.

Advances in Graphene-Based Cable Shielding Composites

SHEN Zhi-hua1，SHAN Li-ming2
（1.Hangzhou Gaoxin Rubber&Plastic Materials Co.，Ltd.，Hangzhou 311116，China；2.Shanghai National Centre of Testing and Inspection for Electric Cable and Wire Co.，Ltd.，Shanghai200093，China）

Graphene has a high specific surface area，aspect ratio，electrical conductivity，lightweight，high thermal conductivity，good mechanical properties and high electromagnetic shielding properties.Graphene based electromagnetic shieldingmaterials have excellentoverall performance and have importanteconomic and research value，This paper reviewed the research progress in the field of graphene based shielding cablematerials and proposed the development direction of this field.

graphene；electromagnetic shielding；cable；shieldingmaterial

TM215.1

：A

：1672-6901（2016）06-0024-03

2016-01-18

沈治華（1970-），男，工程師.

作者地址：浙江杭州市余杭區徑山鎮龍皇路10號［311116］.