隨著電子設(shè)備和無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，電磁干擾問題正在以一種無形的方式威脅著人們的身心健康和信息安全?？闺姶鸥蓴_也因此成為了人們廣泛關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域。常用的電磁屏蔽材料，如金屬、金屬基復(fù)合材料、導(dǎo)電高分子聚合物等往往受限于其高密度，窄屏蔽帶寬和高脆性，無法得到廣泛應(yīng)用。以石墨烯材料（如石墨烯薄膜、石墨烯泡沫、石墨烯納米片等）為代表的新型電磁屏蔽材料在電磁波的反射和吸收領(lǐng)域表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。然而受石墨烯本征性質(zhì)的限制，材料難以兼顧寬頻帶和高強(qiáng)度的電磁屏蔽效能。此外，新型電磁屏蔽材料的嘗試大多停留在實(shí)驗(yàn)室水平，距離電磁屏蔽特種材料的大規(guī)模批量生產(chǎn)與工業(yè)級(jí)應(yīng)用仍存在較大差距。

近期，北京大學(xué)、北京石墨烯研究院劉忠范—亓月研究團(tuán)隊(duì)在柔性石墨烯石英纖維制備與應(yīng)用方面取得了重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了利用卷對(duì)卷化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)批量制備大面積、輕質(zhì)、柔性、具有超寬帶強(qiáng)電磁屏蔽效能的鐵磁性石墨烯石英纖維織物（FGQF），相關(guān)成果以“Ultra-broadband strong electromagnetic interference shielding with ferromagnetic graphene quartz fabric”為題，于2022年05月23日在線發(fā)表在國際知名期刊Advanced Materials上。北京大學(xué)為該工作的第一單位，貴州民族大學(xué)為第二單位，北京石墨烯研究院為重要參與單位。

本工作利用卷對(duì)卷CVD批量生長系統(tǒng)首次制備了超大尺寸柔性鐵磁石墨烯石英纖維織物（FGQF）。通過精確控制石墨烯的氮摻雜類型，實(shí)現(xiàn)了具有高電導(dǎo)率（3906 S·cm–1）和高磁響應(yīng)（室溫下飽和磁化強(qiáng)度達(dá)0.14 emu·g–1）的鐵磁石墨烯層的制備（圖1a）。同時(shí)，F(xiàn)GQF織物特殊的編織結(jié)構(gòu)在材料中引入了額外的電磁波多重反射和多通道吸收，進(jìn)一步增強(qiáng)了材料的電磁屏蔽效能。1 mm厚度的FGQF在超寬頻帶1-18 GHz下表現(xiàn)出107 dB的超強(qiáng)屏蔽效能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高電磁干擾屏蔽效率和寬抗電磁干擾頻帶（圖1c）。利用團(tuán)隊(duì)自主研制的石墨烯卷對(duì)卷連續(xù)CVD生長系統(tǒng)（圖1b），實(shí)現(xiàn)了FGQF的規(guī)?；苽?，單批次制備尺寸高達(dá)10×0.5 m2（圖1d），這為材料的實(shí)際應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。

圖1 FGQF的制備。（a）石墨烯石英纖維織物結(jié)構(gòu)示意圖（黑色、紅色圓球分別代表碳原子、氮原子）。（b）團(tuán)隊(duì)自主研制的石墨烯卷對(duì)卷連續(xù)CVD生長系統(tǒng)。（c）FGQF的電磁屏蔽效能。（d）制備得到的尺寸為10 m × 0.5 m的大面積FGQF。

基于FGQF的高導(dǎo)電性、鐵磁性和特殊的編織結(jié)構(gòu)，當(dāng)電磁波到達(dá)材料表面時(shí)，其與石墨烯表面自由載流子發(fā)生相互作用，部分電磁波被反射。通過優(yōu)化空氣-材料界面處的阻抗匹配，剩余電磁波將進(jìn)入FGQF內(nèi)部，與FGQF導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)匹配，并在其編織結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生多重內(nèi)反射。因此，具有高電導(dǎo)率和高磁響應(yīng)的鐵磁石墨烯層可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波能量的有效吸收和衰減（圖2a）。具體分析FGQF纖維布中的單根鐵磁石墨烯石英纖維（直徑約7 μm）的屏蔽機(jī)理，電磁波在與相鄰纖維陣列發(fā)生多次內(nèi)部反射，而多層鐵磁石墨烯可對(duì)多次反射的電磁波進(jìn)行高效吸收，進(jìn)一步衰減電磁波能量，從而獲得高電磁屏蔽效能（圖2b）。

圖2 FGQF的電磁屏蔽機(jī)理。（a）FGQF織物的電磁屏蔽過程。（b）FGQF單絲的電磁屏蔽過程（黃色區(qū)域?yàn)槭⒗w維，黑色區(qū)域?yàn)榈獡诫s石墨層）。

信息來源：高分子科技