石墨烯基电缆屏蔽复合材料的研究进展

沈治华，单黎明

（1.杭州高新橡塑材料股份有限公司，浙江杭州311116；2.上海国缆检测中心有限公司，上海200093）

石墨烯基电缆屏蔽复合材料的研究进展

沈治华1，单黎明2

（1.杭州高新橡塑材料股份有限公司，浙江杭州311116；2.上海国缆检测中心有限公司，上海200093）

石墨烯具有高比表面积、长径比及电导率，兼具质轻、高导热、良好力学性能、高电磁屏蔽等特性。以石墨烯为填料研制具有优异综合性能的电磁屏蔽材料，有着重要的经济效益和研究价值。综述了石墨烯在电缆屏蔽材料领域的研究进展，并提出了该领域的发展方向。

石墨烯；电磁屏蔽；电缆；屏蔽材料

0 引 言

随着电子信息产业的迅猛发展，电子电气设备已在各行各业中得到了广泛应用。然而，它们在给人们的生活提供极大便利的同时，也暴露出了严重的电磁污染问题［1］。相关研究证实，电子电气设备发出的电磁波不但会干扰其他仪器设备的正常工作，而且还可能导致信息泄露，甚至危害人体健康。我国对电磁屏蔽材料的研究，虽起步较晚，但发展迅速，已开发出高性能低成本的电磁屏蔽材料用于国防装备、电力、信息传输等领域。

电缆屏蔽一方面可以减少电缆内部传输信号的泄漏，降低对外的电磁辐射污染，使信息更加保密；另一方面可以有效地防止外部电磁环境对电缆内信号产生干扰，保证信号传输的质量［2］。电缆屏蔽应采用高磁导率和高电导率的材料，目前电缆中使用的屏蔽材料主要有铝、铜、银、镀银铜、合金等金属材料，以及半导电聚合物及其复合材料。通常来说，电磁屏蔽聚合物复合材料是往聚合物基体中添加导电或半导电填料制备的复合材料，填料不仅要具有良好的导电屏蔽性能，还要有优异的加工性能和较好的性价比，如炭黑、石墨、金属粉等。

1 石墨烯的简介

在碳系屏蔽材料中，炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管等已经有相当广泛的研究。作为一种新型碳材料，石墨烯比碳纳米管更有可能成为一种新型有效的电磁屏蔽或微波吸收材料［3］。

石墨烯是目前发现的最薄的二维材料，完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构（见图1），由六边形晶格组成，构成一个二维空间无限延伸的基面。其C—C键的键长大约0.142 nm。石墨烯中每个碳原子的σ键与周围的其他碳原子连接，具有优良的结构刚性。石墨烯中每个碳原子都有一个未成键的π电子，π电子在与平面垂直方向上形成了π轨道，电子可以在晶体中自由地移动，所以石墨烯具有很好的导电性。

图1 石墨烯的结构

由于石墨烯具有优异的物理性能，且制备成本比富勒烯（C60）低很多，向聚合物基体中引入石墨烯制备纳米复合材料可显著改善材料的综合性能，因此，这种新型纳米材料已成为当今的研究热点。

2 石墨烯屏蔽料的研究现状

在电缆屏蔽中，目前主要使用两大类材料：高压电缆的内、外屏蔽料，使用以导电炭黑为主的具有半导电性能的材料；信号传输电缆使用具有导电、导磁特性的材料。在这两类材料中，添加适量的石墨烯均有可能改善或提高现有屏蔽料的性能。

2012年欧美国家就出现了石墨烯电缆屏蔽相关专利，而在我国石墨烯发展较晚，直到2015年石墨烯在我国工业领域特别是电线电缆领域的应用仍然罕有报道。可见，石墨烯需要更多研究人员与工程技术人员的关注与研究［5］。

石墨烯与纳米石墨微片的片层厚度对复合材料的电磁屏蔽效能有重要的影响。图2a和图2b为还原氧化石墨烯和纳米石墨片的电磁屏蔽效果图［7］。从石墨到纳米石墨微片再到石墨烯，随着石墨层数的减少，复合材料的电磁屏蔽效能逐渐增加。这是由于石墨烯的大量官能团和结构缺陷会增加极化损耗；同时，石墨层数的减少会增加材料的电传导路径而提高传导损耗；薄片、柔性及表面褶皱的石墨烯会明显提高电磁波的传导路径［6］。此外，研究证实，石墨烯基复合材料会表现出异于其它碳类填料的卓越的电磁屏蔽性能。因此，在聚合物石墨烯电缆屏蔽料的研发及配方设计中，应尽量使用片层较薄的纳米石墨片或单层石墨烯。图2c～图2f是不同添加量的石墨烯复合材料和纳米石墨片在不同频率下的电磁干扰屏蔽效率和增量图［7］。结果显示，在2～18 Hz带宽下，石墨烯添加20 wt%的复合材料电磁干扰屏蔽效率≥20 dB（见图2f）。该复合材料被证明是一种高效的电磁屏蔽材料，其良好的电磁屏蔽性能主要得益于电磁波吸收和反射的协同作用。

近期，Chen和Huang［8］课题组在碳材料填充制备电磁屏蔽聚合物复合材料上取得了很大进展，将石墨烯与环氧树脂复合，该复合材料表现出很好的电磁屏蔽性能，15 wt%石墨烯填充量下复合材料电磁干扰屏蔽效率达到21dB，同时该复合材料还具有轻质、抗腐蚀、柔性、易加工等特点。Yan等［9］制备了石墨烯聚苯乙烯复合材料，结果表明，石墨烯添加量为3.47%时，复合材料电磁干扰屏蔽效率高达48 dB。此外石墨烯还被填充于其他的聚合物基体，如电缆行业常用的聚烯烃、聚氯乙烯、聚硅氧烷及各种合成胶中，这些复合材料除了具有良好的电磁屏蔽性能、力学性能外，还具有良好的加工性能［10］。

石墨烯基电缆屏蔽复合材料近年来被广泛研究。Song［11］等构建了柔性全碳电传导网络——碳纤维/纳米石墨微片/碳纤维网络结构，在很小的厚度下可明显提高复合材料的电磁屏蔽性能。由于内部连接碳网络的建立，明显提高了材料的导电性能，此外该材料的电磁波吸收效率达98%。Chen等［12］通过CVD法制备了石墨烯三维泡沫，用其浇注聚硅氧烷可得到具有良好电磁屏蔽性能的柔性复合材料。

3 结果与展望

石墨烯由于具有高比表面积、长径比及电导率，成为制备兼具质轻、高导电、良好力学性能及高电磁屏蔽的电缆屏蔽料的理想填料，并且在复合填料中，石墨烯的加入可减少其他填料的添加，具有很好的协同作用，从而改善加工性能。然而制备具有良好综合性能的电缆屏蔽料以及产业化方面仍然需要做出很大的努力。首先要考虑石墨烯与其他填料、助剂和聚合物基体间的相互作用，生产出不同结构的石墨烯电缆屏蔽料，如石墨烯纸、石墨烯薄膜和石墨烯泡沫等；其次是赋予石墨烯电缆屏蔽料轻质、宽频、高效、梯度温度稳定性等特质；最后是需要进一步对电缆屏蔽机理进行探讨，例如电导率和电磁波参数的匹配，电磁波吸收与反射的协同作用等。

［1］ 王生浩，文峰，郝万军，等.电磁污染及电磁辐射防护材料［J］.环境科学与技术，2006，29（12）：96-98.

［2］ 王川川，朱长青.电磁场对屏蔽电缆耦合的研究现状及发展趋势［J］.电线电缆，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，任鹏刚.纳米石墨烯复合材料的制备及应用研究进展［J］.复合材料学报，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.

图2 石墨烯与纳米石墨微片复合材料的电磁屏蔽性能

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［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.新型中高压半导电屏蔽料的制备与性能研究［D］.北京化工大学，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

沈治华（1970-），男，工程师.

作者地址：浙江杭州市余杭区径山镇龙皇路10号［311116］.