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石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的制备与性能研究

  • 王澎宇
  • 陈港 ✉
  • 魏渊
  • 王梓
华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640

中图分类号： TS767

最近更新：2024-05-30

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2024.05.010

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摘要

本研究以耐高温的芳纶短切纤维和芳纶沉析纤维为纸基纤维材料，导电性优良的碳纤维为导电骨架，石墨烯为电磁屏蔽增强材料，结合抄纸和涂布工艺制备得到石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸。结果表明，制备的石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸具有“三明治结构”，其厚度为333.9 μm时，在X波段的电磁屏蔽效能SET高达70.3 dB，电导率高达1 685 S/m，兼有较好的耐高温性和耐腐蚀性。

当前，第5代无线通信和个人可穿戴电子产品的快速发展，引发的电子辐射污染问题越来越严重，这不仅阻碍了设备的正常运行、缩短了其使用寿命，而且对人们的身体健康造成一定的影响[

1]。因此，采取必要的措施来消除电磁波的干扰，对于保障人们的生命健康和电子设备的安全至关重要[2]。

碳纤维纸基电磁屏蔽纸因具有轻质、柔性、耐高温、耐腐蚀且电磁屏蔽性能良好等优点[

3]，成为了近年来研究的热点。但普通碳纤维纸的电磁屏蔽效能对于精密电子设备领域的应用要求（>60 dB）还有很大的差距，因此需要进一步提高其电磁屏蔽效能以扩大其在航空航天及军用设备等领域的应用范围，表1为屏蔽衰减层级[4]。

表1  屏蔽衰减层级[4]
Table 1  Level of shielding attenuation[4]
屏蔽效能/dB衰减程度用途
<10
10~<30 差
30~<60 中等 一般工业或商业电子设备
60~<90 良好 高精度、高灵敏度要求的产品
90 优异 航空航天及军用设备的屏蔽

目前，常见的金属/纸基复合方式可以显著提高纸基材料的电磁屏蔽性能，如在材料表面粘贴铝箔、铜箔等金属层[

5]，可以赋予纸基材料优异的导电性能和电磁屏蔽性能，但金属材料存在密度大、耐腐蚀性差等问题[6-7]，不符合轻质化要求且使用寿命短。为了解决这些问题，研究人员常用碳纤维[8]、石墨烯[9]、碳纳米管[10]等新型碳系材料来代替金属系材料，一方面可以提高材料的电磁屏蔽效能；另一方面可以提高电磁屏蔽复合材料的耐腐蚀性能。其中，庞志鹏等[11]通过真空抽滤法，将碳纳米管沉积在碳纤维/植物纤维复合纸上，制备的样品在175~1 600 MHz频段电磁屏蔽效能可达44 dB，比未添加碳纳米管时增加了近30 dB。但这种方法无法实现大规模制备，且电磁屏蔽性能仍不能满足高性能电磁屏蔽材料的要求。除此之外，科研人员还使用纤维改性、化学沉积[12]等方法以提高材料的电磁屏蔽效能，如董艳晖等[13]将碳纤维表面镀镍改性后，与植物纤维混合在纸页成型器上制备镀镍碳纤维屏蔽纸，电磁屏蔽效能与未镀镍时相比提高了15 dB。Li等[14]通过提拉浸渍的方式在纸张表面添加银纳米线和MXene涂层制备得到纸基电磁屏蔽材料，电磁屏蔽效能可达65.98 dB。然而，以上类型的电磁屏蔽材料的骨架多是植物纤维，在酸碱和高温环境下的电磁屏蔽性能会急剧下降[15-16]。所以制备同时兼顾屏蔽效能高（>60 dB）、环境稳定性好等性能的电磁屏蔽材料仍需进一步深入研究。

芳纶纤维是一种高性能纤维，具有优异的机械性能、耐热性和环境稳定性，能够承受400 ℃以上的高温，其电气和机械性能的有效性可保持10年，芳纶纸基常被应用于耐高温材料的柔性衬底[

17-18]。本研究以耐高温的芳纶短切纤维和芳纶沉析纤维为纸基纤维材料，以碳纤维为导电骨架，石墨烯为电磁屏蔽增强材料，结合抄纸和涂布工艺制备得到具有“三明治”结构的石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸。该结构类型的纸基材料不仅可以对X波段（8.2~12.4 GHz）的电磁波进行有效阻隔，实现电磁屏蔽作用，同时也具有出色的环境稳定性以及耐高温性，有望实现在高温（400 ℃）和强腐蚀性（pH值<1或pH值>13环境下）等环境下的电磁屏蔽应用，为研发新一代高性能的电磁屏蔽材料提供理论指导和技术支持。

1 实 验

1.1　实验原料及试剂

碳纤维，长度3 mm，东丽碳纤维（广东）有限责任公司；间位芳纶短切纤维（以下简称短切纤维），长度3 mm，广东某化工有限公司；芳纶沉析纤维（以下简称沉析纤维），比表面积8 m2/g，广东某化工有限公司；电子级石墨烯浆料，ESOE-5型，宁波墨西科技有限公司；聚氧化乙烯（PEO），相对分子质量6.0×105，上海阿拉丁试剂有限责任公司。

1.2　实验仪器与设备

标准纤维解离器（Disper 01A东莞弗艾博纤维技术研究有限公司）；方形纸页抄片器（IMT-CP03A，东莞弗艾博纤维技术研究有限公司）；平板压榨机（IMT-YZ01，东莞英特耐森精密仪器有限公司）；纸张厚度测定仪（CE164，瑞典L&W公司）；数码显微镜（YG804，上海臣光仪器有限公司）；抗张强度测试仪（CE062，瑞典L&W公司）；多功能数字四探针测试仪（ST2258C，苏州晶格电子有限公司）；矢量网络分析仪（E5071C，美国Agilent）；热重分析仪（TA-Q500，美国TA仪器公司）。

1.3　实验方法

1.3.1　碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的制备

设计碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的定量为60 g/m2，按照配料表2称取短切纤维、沉析纤维、碳纤维，然后加入10 mL质量分数为0.5%的PEO溶液，混合均匀后加入到标准纤维解离器中疏解分散，接着将浆料悬浮液倒入方形纸页抄片器中滤水形成湿纸幅，最后转移到平板压榨机上，在25 ℃、0.6 MPa条件下压榨5 min，紧接着在平板干燥器（105 ℃）中干燥，得到碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸。

表2  碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的组分配比
Table 2  Composition ratio of carbon fiber/aramid electromagnetic shieldin papers ( % )
样品短切纤维沉析纤维碳纤维
CF0 60 40 0
CF10 54 36 10
CF20 48 32 20
CF30 42 28 30
CF40 36 24 40
CF50 30 20 50

1.3.2　石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的制备

称取一定质量的石墨烯浆料（固含量5%），然后加入去离子水配制成质量分数3%的石墨烯涂料，超声分散10 min后获得稳定的石墨烯涂料稀释液。使用小型涂布机将配制好的涂料涂布到碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸（CF30）上，通过选取不同型号的涂布棒以控制涂布量，双面涂布，涂布速率设为5 m/min。最后，将制备得到的石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸在105 ℃的鼓风干燥箱中干燥。其中石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸所对应的样品编号及涂布量如表3所示。

表3  石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的涂布量和厚度
Table 3  Coating weight and thickness of graphene/carbon fiber/aramid electromagnetic shielding papers
样品单面涂布量/(g·m-2)厚度/μm
r-GO0/CF30 0 313.7
r-GO1/CF30 3.2 319.4
r-GO2/CF30 5.6 323.4
r-GO3/CF30 7.5 325.5
r-GO4/CF30 8.6 329.0
r-GO5/CF30 9.2 333.9

1.4　材料性能检测与表征

1.4.1　厚度

使用纸张厚度仪测试样品厚度，采用5点取样法测试后取平均值计算出样品的厚度。

1.4.2　表面形貌

使用数码显微镜观察样品的表面形貌。

1.4.3　抗张强度

按照GB/T 22898—2008，使用抗张强度测试仪测试样品的抗张强度。

1.4.4　导电性能

使用多功能数字四探针测试仪测量样品的方阻，探针间距为2 mm。样品电阻率和电导率的分别计算如式(1)和式(2)所示。

ρ=R·SL （1）
σ=1ρ （2）

式中，σ为样品电导率，S/m；ρ为样品电阻率，Ω·cm；R为样品电阻，Ω；L为探针间距离，cm；S为样品的横截面积，cm2。

1.4.5　电磁屏蔽性能

采用矢量网络分析仪通过波导法测试样品的屏蔽性能。根据ASTM D5568—2008标准，使用VNA波导单元在8.2~12.4 GHz（X波段）频率范围内测试样品的电磁屏蔽效能，样品尺寸为22.9 mm×10.2 mm的长方形。

电磁屏蔽效能（SET）是衡量材料屏蔽电磁波能力的指标，可以写作以下3个分量的总和：反射损耗（SER）、吸收损耗（SEA）和多次反射损耗（SEM），其值越大表示材料的屏蔽效能越好，当SET>10 dB时，SEM可以忽略不计[

19]。在实验中根据设备测试的散射参数（S11，S21），通过公式[20]计算出电磁波的反射系数（R'）和透射系数（T），并由能量守恒定律得到吸收系数（A），最后计算得到反射损耗（SER）、吸收损耗（SEA），具体计算分别见式(3)~式(8)。

R'=S112 （3）
T=S212 （4）
A=1-R-T （5）
SER(dB)=-10 lg(1-R') （6）
SEA(dB)=-10 lgT1-R' （7）
SET(dB)=SEA+SER+SEM （8）

1.4.6　热重分析

使用热重分析仪测定样品的热稳定性，测试条件：氮气环境，升温速率20 ℃/min，测试温度范围为40~800 ℃。

2 结果与讨论

2.1　碳纤维含量对碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的微观形貌和性能的影响

2.1.1　表面形貌光学显微分析

图1为不同碳纤维含量的碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸数码照片和表面微观图。从图1可以看出，随着碳纤维含量的增加，屏蔽纸的颜色逐渐加深。其中，图1(a)为纯芳纶纸，颜色为白色。当使用碳纤维、短切纤维、沉析纤维配抄成纸时，3种纤维分别具有不同的作用，短切纤维纵横交替紊乱分布于纸张中，作为主要骨架起增强作用，使纸张具有良好的力学性能；沉析纤维由于表面具有氨基等官能团，在纤维之间可以形成氢键，作为黏结剂连接在短切纤维之间；而碳纤维则作为导电纤维无序地分散于短切纤维和沉析纤维构成的框架中，构建出导电通路，形成基本的导电骨架。如图1所示，随着碳纤维含量的增加，碳纤维之间搭接越来越多，形成稳定的导电通路。

图1  不同碳纤维含量碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的数码照片及表面微观图

Fig. 1  Digital photographs and surface microscopic drawings of carbon fiber/aramid electromagnetic shielding papers with different carbon fiber contents

2.1.2　导电性能

图2展示了碳纤维含量对碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸电导率的影响。当碳纤维含量为10%时，CF10的电导率仅为3.92 S/m，导电性较差，接近绝缘。然而，随着碳纤维含量的增加，碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸电导率逐渐升高。当碳纤维含量从20%增加到50%时，碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸电导率从40.9 S/m升至154.5 S/m，升高了278%。这表明，导电性能优异的碳纤维可以在碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸中形成导电通路；当碳纤维含量较少时，样品中的碳纤维搭接较少，无法形成良好的导电通路，因此电导率较低；而随着碳纤维含量的增加，碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸内碳纤维形成的导电网络越来越密集，所以电导率逐渐降低。

图2  不同碳纤维含量碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸电导率

Fig. 2  Conductivity of carbon fiber/aramid electromagnetic shielding paper with different carbon fiber contents

2.1.3　电磁屏蔽性能

图3展示了碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的电磁屏蔽性能。如图3(a)所示，随着碳纤维含量的增加，碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的电磁屏蔽效能逐渐增加。当碳纤维含量为0时，CF0基本不具有电磁屏蔽效果。当碳纤维含量在10%~20%时，碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸表现出较低的电磁屏蔽效能，而当碳纤维含量增加到30%~40%时，碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸展现出较好的电磁屏蔽效能，SET均>30 dB，已经可以应用于一般的工业或者商业电子设备，但仍无法满足高精度电子产品领域的屏蔽需求，还需进一步提升样品的电磁屏蔽效能。

图3  碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸在X波段（8.2~12.4 GHz）的电磁屏蔽性能

Fig. 3  Property electromagnetic shielding of carbon fiber/aramid electromagnetic shielding papers in the X-band (8.2~12.4 GHz)

2.1.4　力学性能

图4展示了碳纤维含量对碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸力学性能的影响。如图4(a)所示，随着碳纤维含量的不断增加，碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的抗张强度呈逐渐下降趋势。当碳纤维含量从0增加到50%时，碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的抗张指数从24.6 N·m/g下降到9.70 N·m/g，降低了约60.6%。这是因为碳纤维表面比较光滑，难以与短切纤维和沉析纤维相互交联，因此在抄纸过程中很难与其他组分产生良好的结合，导致碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的力学性能下降。从图4(c)可以看出，随着碳纤维含量的增多，碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸厚度逐渐增加，紧度逐渐下降，原因可能是碳纤维缺乏相应的交联点，降低了碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的力学性能[

21]。

图4  碳纤维含量对碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸力学性能的影响

Fig. 4  Effect of carbon fiber content on mechanical properties of carbon fiber/aramid electromagetic shielding papers

尽管增加碳纤维的含量可以提高碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的电磁屏蔽性能，但也会降低其力学性能，极大地限制了材料的应用范围。此外，随着碳纤维含量的增加，碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的成本也会随之上升。因此，在提高碳纤维纸导电性和屏蔽性能的同时，也能保持纸张的力学性能就显得非常重要。为了实现碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸在低成本、柔性、高电磁屏蔽性能之间的最佳平衡，选用碳纤维含量为30%的碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸（CF30）进行后续的研究，并在此基础上使用涂布工艺引入石墨烯来弥补电磁屏蔽性能的不足。

2.2　石墨烯涂布量对石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸表面形貌和性能的影响

2.2.1　表面光学显微分析和导电性能

图5展示了不同石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的表面微观图。从图5可以看出，石墨烯被均匀的涂布在碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸表面，分布在碳纤维网络间，使得导电网络进一步完善。图6展示了不同石墨烯涂布量对石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸表面电阻和电导率的影响。随着石墨烯涂布量的增加，石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的电导率逐渐增加，导电性能逐渐上升。当石墨烯涂布量从0增加到5.6 g/m2时，r-GO2/CF30的电导率从104.9 S/m上升到1 022.1 S/m，与未涂布的碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸（CF30）相比，电导率增加了874%。这是因为石墨烯涂层使碳纤维组成的导电网络得到进一步完善，石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸电导率上升，导电性增加，这对于进一步提升碳纤维复合纸的电磁屏蔽性能具有重要意义。

图5  不同石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸表面微观图

Fig. 5  Surface microscopic diagrams of graphene/carbon fiber/aramid electromagnetic shielding papers

图6  石墨烯涂布量对石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸电导率的影响

Fig. 6  Effect of r-GO coating amount on the conductivity of graphene/carbon fiber/aramid electromagnetic shielding paper

2.2.2　电磁屏蔽性能及屏蔽机制分析

图7展示了不同石墨烯涂布量的石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸在X波段的电磁屏蔽效能。从图7可以看出，随着石墨烯涂布量的增加，石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的电磁屏蔽性能逐渐提升，其中r-GO5/CF30在X波段的电磁屏蔽性能SET最高，达70.3 dB。石墨烯的引入，大幅提升了石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的电磁屏蔽效能，这是因为石墨烯具有高介电损耗能力，其特殊的二维结构具有强吸波能力，将其与具有电磁波强反射能力的碳纤维相结合，能够进一步提升电磁屏蔽效能。通过与其他电磁屏蔽材料对比发现，本研究制备的石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸具有优越的电磁屏蔽性能（表4）。

图7  在X波段（8.2~12.4 GHz）不同石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的电磁屏蔽效能

Fig. 7  Electromagnetic shielding performance of graphene/carbon fiber/aramid electromagnetic shielding papers in the X-band (8.2~12.4 GHz)

表4  石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸与文献报道材料电磁屏蔽性能对比
Table 4  Comparison of electromagnetic shielding performance of graphene/carbon fiber/aramid electromagnetic shielding paper and literature reported materials
材料屏蔽波段/GHz电导率/(S·m-1)屏蔽效能/dB文献
石墨烯+碳纤维+芳纶 8.2~12.4 1 685 70.3 本研究
碳纤维+纤维素 0~1.6 151 41.3 [22]
铜包银粉+碳纤维+纤维素 0.1~1.5 约3 000 48.0 [23]
聚吡咯+纤维素 0~1.5 35.7 [24]
石墨烯纳米片+纳米银线+纤维素 8.2~12.4 1 587 53.3 [25]
碳纳米管+镀镍碳纤维+纤维素 8.2~12.4 1 429 54.4 [26]

2.2.3　力学性能

图8展示了石墨烯涂布量对石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的抗张指数和断裂伸长率的影响。从图8可以看出，随着涂布量的增加，石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的抗张指数从14.6 N·m/g增加到21.4 N·m/g。原因可能是石墨烯进入纸张内部，增加了纤维之间的黏合力，使得纸张更加牢固，进而增强了纸张的力学性能。此外，石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的断裂伸长率从1.71 %降至1.43 %，这可能是由于石墨烯存在于纤维之间，当纸张受到抗张力时，纤维间的移动受到限制而减少了相对滑动，进而导致其断裂伸长率降低。

图8  不同石墨烯涂布量对石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸抗张指数和断裂伸长率的影响

Fig. 8  Effect of r-GO coating weights on tensile index and elongation at break of graphene/carbon fiber/aramid electromagnetic shielding papers

2.2.4　热稳定性

为了更好地评价石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的热稳定性，对屏蔽效能最佳的r-GO5/CF30进行热重测试。图9为石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的TG和DTG曲线。结果表明，石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸在涂布前后热失重曲线相似，都表现出较高的热稳定性，且热分解温度（450 ℃）远高于植物纤维的热分解温度（250 ℃），在450 ℃的热失重率均在10%以下。从图9(a)还可以看出，石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸具有3个热分解阶段：在100~<450 ℃范围内，主要归因于纸张内水分的挥发；450~<600 ℃的质量损失则主要归因于短切纤维、沉析纤维的热降解；在600~<800 ℃的热解末期阶段，短切纤维、沉析纤维脱氢碳化，分解放出一定量的CO、CO2和CH4等小分子物质[

27]。以上结果表明，制备的石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸在高温下（400 ℃）仍表现较高的热稳定性，这对于其在高温环境下的应用具有重要意义。

图 9  石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的TG和DTG曲线

Fig. 9  TG and DTG curves of graphene/carbon fiber/aramid electromagnetic shielding paper

2.2.5　耐腐蚀性能

为了研究石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的耐腐蚀性能，以屏蔽效能最佳的r-GO5/CF30为研究对象，将其分别置于HCl（0.2 mol/L）、NaOH（0.2 mol/L）、NaCl（0.2 mol/L）、H2SO4（0.2 mol/L）的溶液中，24 h后取出，分析r-GO5/CF30的电磁性能，见图10。结果表明，无论是在酸、碱还是中性环境中，r-GO5/CF30的电导率变化均在10%以内，且屏蔽效能下降幅度均在10%以内，表明r-GO5/CF30具有良好的耐酸碱、耐腐蚀性能。这是因为外部石墨烯涂层和内部的碳纤维和芳纶纤维，都具有良好的稳定性，进而使导电结构不会发生变化，因此样品具有良好的耐酸碱、耐腐蚀性。

图10  r-GO5/CF30在不同环境中处理前后的电导率及屏蔽效能

Fig. 10  Conductivity and shielding effectiveness of r-GO5/CF30 before and after treatment in different environments

2.3　石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的电磁屏蔽机制分析

石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的电磁屏蔽机制，主要涉及到吸收损耗和反射损耗两方面。为了更好地阐明电磁屏蔽机制，在测量散射参数后计算了石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的SER和SEA的值，得到每组样品的SEA值始终高于SER值，这表明吸收损耗是主要损耗机制。这是因为石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸表面具有石墨烯功能涂层，内部具有碳纤维导电网络，构成了一种“三明治结构”的电磁屏蔽材料。当电磁波入射到电磁屏蔽纸表面时，由于阻抗失配，部分电磁波被立即反射出去，剩余的电磁波通过样品时与石墨烯涂层和碳纤维相互作用产生大量的微电流，电荷载流子迁移为电子跃迁和跳跃，从而导致欧姆损耗，造成入射电磁波的能量衰减。更重要的是，电子跃迁会继续增强碳纤维导电网络中的微电流，由于电荷载流子积聚在石墨烯和碳纤维构成的介电夹层界面上，这将会导致大的局部界面极化。此外，石墨烯涂层具有高介电损耗能力，特殊的二维结构具有强吸波能力，也可以进一步提高电磁屏蔽效能。接着电磁波通过石墨烯涂层，在纸基材料内部的碳纤维间隙以及另一面的涂层多次反射和吸收，这些内反射的电磁波以焦耳热的形式在样品中被消耗，最终只有很小一部分电磁波通过了石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸（图11），从而达到了良好的屏蔽效能[

28]。

图11  石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的电磁屏蔽机制图

Fig. 11  Electromagnetic shielding mechanism diagram of graphene/carbon fiber-based electromagnetic shielding paper

为了进一步阐明石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸对电磁波的屏蔽作用机制，测试了r-GO5/CF30在8.2~12.4 GHz频率范围内的介电损耗和磁损耗，结果如图12所示。从图12(a)可以看出，随着电磁波频率的增加，r-GO5/CF30的介电常数的实部ε'从最初的3 680.60降到2 462.81，虚部ε''也从最初的1 326.13下降到170.83。介电常数实部和虚部的下降是由于频散特性引起的。当电磁波在r-GO5/CF30中传播时，由于石墨烯的复杂结构，其传播速度会随着电磁波频率的变化而发生离散现象。因此，随着石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸外部电磁波频率的增大，其内部的极化速率相对于电磁波频率的变化速率表现出一定程度的滞后效应，从而导致介电损耗相关参数的下降[

29]。此外，由图12(c)可以看出，r-GO5/CF30磁导率的实部和虚部明显小于介电常数的实部和虚部，这表明磁损耗在r-GO5/CF30的电磁屏蔽机制中没有起到主导作用。对比图12(b)和图12(d)，磁损耗角正切值明显低于介电损耗角正切值，这再次证明了石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸主要是通过介电损耗对电磁波进行衰减和损耗[30-31]。

图12  r-GO5/CF30的介电损耗和磁损耗

Fig. 12  Dielectric loss and magnetic loss of r-GO5/CF30

3 结 论

本研究以芳纶短切纤维和芳纶沉析纤维为纸基纤维材料，碳纤维为导电骨架，石墨烯为电磁屏蔽增强材料，通过抄纸和涂布工艺制备得到石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸。

3.1 碳纤维可以提高碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的导电性能和电磁屏蔽效能，当碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸中的碳纤维含量由10%提高至50%时，电导率从3.92 S/m上升至154.5 S/m，X波段最高电磁屏蔽效能从16.95 dB提升至37.19 dB，可以满足一般商业和工业的应用要求（>30 dB）。

3.2 碳纤维含量越高，碳纤维/电磁屏蔽纸的电磁屏蔽性能越好，但含量过高会降低其力学性能，选取碳纤维含量为30%的碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸进行涂布。通过涂布石墨烯涂层可以进一步提升石墨烯/碳纤维/电磁屏蔽纸的电磁屏蔽性能，随着涂布量由0增加到9.2 g/m2，厚度为333.9 μm的石墨烯/碳纤维/芳纶电磁屏蔽纸的电导率会进一步提高到1 685 S/m，在X波段下的电磁屏蔽效能由32.9 dB增加到70.3 dB。

参 考 文 献

1

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2

康松磊. 轻质高效聚合物基电磁屏蔽复合材料的结构设计与性能研究［D］. 西安： 陕西科技大学， 2021. [百度学术] 

KANG S L. Structural design and performance of lightweight and efficient polymer-based electromagnetic shielding composites［D］. Xi’an： Shaanxi University of Science and Technology， 2021. [百度学术] 

3

王 翊， 刘元军， 赵晓明. 碳系电磁屏蔽材料的研究进展［J］. 现代纺织技术， 2021， 29（1）： 1-11. [百度学术] 

WANG Y， LIU Y J， ZHAO X M. Research Progress of Carbon-based Electromagnetic Shielding Materials［J］. Modern Textile Technology， 2021， 29（1）： 1-11. [百度学术] 

4

曹雪鸿， 陈继伟. 纸基电磁屏蔽材料研究现状及发展趋势［J］. 造纸科学与技术， 2018， 37（5）： 6-11. [百度学术] 

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