石墨烯薄膜材料及其电磁屏蔽性能研究

自2004年被发现以来,石墨烯凭借其独特的性质,受到广泛的关注和研究。掺氮后石墨烯的能带隙被打开,电子结构发生改变,自由载流子密度得到提升,有利于应用到锂离子电池和超级电容器的电极材料以及燃料电池电催化剂中。此外,电子技术以及可穿戴型便携设备器件的快速发展,对材料的导电性能、散热性能和电磁干扰屏蔽效能提出了越来越高的要求。然而,如何将这些属性集成到一个材料中并保持优异的性能,仍然是一个悬而未决的问题。本论文基于石墨烯材料,在这些研究领域取得了一定的进展。本工作提供一种新的制备思路,采用原位掺杂的方法,利用链状芳香族高分子聚合物作为前驱体,经过一系列处理过程,制备得到氮掺杂石墨烯及其薄膜,具体步骤为采用聚酰亚胺高分子膜作为前驱体,经过高温碳化和滚压处理,得到氮掺杂石墨膜,然后对其进行电化学剥离制得氮掺杂石墨烯,氮掺杂石墨烯进一步真空抽滤成膜即可得到氮掺杂石墨烯薄膜。制备过程不涉及强酸和腐蚀性化学试剂,绿色环保。另外,还探讨了不同温度碳化处理聚酰亚胺膜,分别对氮原子含量和存在类型、氮掺杂石墨烯的氧还原电催化剂性能以及对氮掺杂石墨烯薄膜的电导率和电磁干扰屏蔽效能的影响。为进一步提高石墨烯薄膜的电磁屏蔽效能,受到乐高玩具联锁系统的启发,本研究设计和制备了柔性的铜/大鳞片石墨烯复合薄膜(即“Cu/LG薄膜”),具体为:利用石墨烯片层表面的纳米气泡和微褶皱,通过磁控溅射技术,在大鳞片石墨烯的表面复合了一层纳米尺度的铜,两者相互结合牢固,中间没有添加任何高分子粘结剂。基于实验测试和机理分析,与一般的石墨烯相比,大鳞片石墨烯片状面积更大,可以在很大程度上减少接触电阻,提高电导率;同时,Cu/LG薄膜将金属导热的各向同性与大鳞片石墨烯平面内高热导率的特性相结合,通过铜可以很快地实现热量从热源纵向传热到石墨烯膜,巧妙地解决了石墨烯材料垂直导热问题,提高了总体导热性能。测试结果表明,制备的Cu/LG薄膜具有良好的柔韧性、超高热导率(超过1932.73±63.07 W m~(-1) K~(-1))和电导率(5.88±0.29×10~6S m~(-1)),以及卓越的电磁干扰屏蔽效能(在1~18 GHz始终超过52 dB,尤其是在1 GHz最高达到63.29 dB,足以阻挡和吸收99.99995%的入射电磁波)。另外,在弯折100次的过程中,Cu/LG薄膜的相对体积电阻始终保持不变,展现了Cu/LG薄膜在机械变形下仍然具有良好的稳定性。