一种石墨烯组装膜超材料及其制备方法和应用

本发明涉及电磁屏蔽材料，尤其涉及一种石墨烯组装膜超材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、面对日益复杂且不断变化的应用场景，具有固定屏蔽效能的传统电磁屏蔽材料逐渐难以满足需求；而新型智能电磁屏蔽材料由于可以实现电磁响应的动态调谐，从而能够满足特定的应用要求以及应对实时环境变化。因此，开发新型智能电磁屏蔽材料迫在眉睫。

2、目前针对几种智能电磁屏蔽材料已发展出几类电磁屏蔽操控策略，例如电化学电位改变、相变以及形变等。han等人通过电化学驱动mxene膜中的离子嵌入和脱出的策略，实现在x波段（8.2ghz~12.4ghz）内emi se操控范围差值（δemi se）达到6db（ nature  nanotechnology, 2023, 18: 373–379）。cheng等人制备了rgo/vo2复合气凝胶，并基于不同温度下vo2的相变使得在x波段（8.2ghz~12.4ghz）内δemi se达到7db（ advanced  functional materials, 2022, 32(40): 2205160）。电化学电位变化和相变策略的δemise有限，而形变策略显示出更大的应用潜力。liu等人制备了一种炭黑/木质衍生碳海绵，在0%~75%的压缩应变下，该碳海绵材料在x波段（8.2ghz~12.4ghz）内的δemi se达到24db。然而，这些厚度为毫米级甚至厘米级的海绵/气凝胶材料阻碍了它们在集成电子行业的进一步应用。此外，电化学电位改变、相变和形变等策略在循环操控过程中不可避免会发生性能的不可逆衰减。

3、目前，旋转角度改变已经发展成为一种广泛认可的电磁屏蔽操控策略，它可以同时实现厚度薄且循环无衰减的电磁屏蔽操控。碳纤维基材料由于其各向异性结构，在90°旋转角变化下在x波段（8.2ghz~12.4ghz）内可达到11db（从20db到31db）的δemi se。然而，碳纤维基材料最小emi se达到20db，这意味着在“开启”状态下，碳纤维基材料仍能阻挡99%以上的电磁波，难以实现高效调节。另一方面，碳纤维基材料对电磁屏蔽的操控范围较窄，仍然有待进一步扩大。

4、综上所述，如何在扩大δemi se的同时进一步降低厚度以及降低操控下限（接近于0），仍然是一个重要的挑战。基于上述理由，提出本技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种石墨烯组装膜超材料及其制备方法和应用，本发明通过电磁场仿真软件设计超材料结构，采用激光雕刻、模切等方法将事先制备得到的高导电石墨烯组装膜（gaf）加工成设计的几何形状，得到石墨烯组装膜超材料（gafm），实现了在x波段（8.2ghz~12.4ghz）内0.14db（非常接近0db）的最小emi se和破纪录的单位厚度下emise操控范围差值（δemi se/t）1061.60db/mm，能够实现对电磁屏蔽效能的精确有效操控。此外，将gafm和碳纤维（cf）复合，通过分别设置两者平行和垂直方向，实现了针对emi se更强的极化差异和全极化屏蔽。gafm/cf具有超宽emi se操控范围差值（δemi se）-54.33db，高于目前报道的所有智能电磁屏蔽材料。

2、第一方面，本发明提供了一种石墨烯组装膜超材料，包括：

3、石墨烯薄膜；

4、所述石墨烯薄膜表面阵列设置有多个通孔，所述通孔贯穿所述石墨烯薄膜；

5、所述通孔的截面呈长方形，所述通孔的长度为4~15mm，所述通孔的宽度为1~3.5mm。

6、优选的，所述石墨烯薄膜的截面呈长方形；

7、所述石墨烯薄膜的表面被划分为多个阵列单元，每个阵列单元均呈长方形；

8、多个通孔与多个阵列单元一一对应，所述通孔位于阵列单元内；

9、所述阵列单元的几何中心与所述通孔的几何中心重合；

10、所述阵列单元的长度为5~18mm、宽度为5~18mm。

11、优选的，所述石墨烯薄膜的厚度为0.02~0.03mm。

12、第二方面，本发明还提供了一种所述的石墨烯组装膜超材料的制备方法，包括以下步骤：

13、制备石墨烯薄膜；

14、将石墨烯薄膜表面划分为多个阵列单元，在每个阵列单元内设计出通孔位置，去除通孔对应的石墨烯薄膜，即得石墨烯组装膜超材料。

15、优选的，所述石墨烯薄膜的制备方法包括以下步骤：

16、将氧化石墨烯加入至溶剂中，得到氧化石墨烯溶液；

17、将氧化石墨烯溶液组装在基底上，干燥成膜，得到氧化石墨烯薄膜；

18、将氧化石墨烯薄膜从基底上剥离后，进行石墨化热处理后，再进行压延处理，得到石墨烯薄膜。

19、优选的，所述溶剂包括n-甲基吡咯烷酮、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、甲醇、乙醇中的至少一种；

20、和/或，所述氧化石墨烯溶液的质量浓度为2~5%。

21、优选的，将氧化石墨烯溶液组装在基底上，干燥成膜的步骤中，组装方法包括流延法、涂覆法、模板法、真空抽滤法、旋转离心涂覆法中的任一种；

22、干燥成膜的步骤中，干燥温度为60~100℃，干燥时间为4~24h。

23、优选的，石墨化热处理的温度为500~3200℃、时间为1~2h；

24、压延处理过程中压力为150~220mpa、压延时间为1~3h。

25、第三方面，本发明还提供了一种复合膜，包括所述的石墨烯组装膜超材料以及碳纤维；

26、所述碳纤维位于所述石墨烯组装膜超材料表面；

27、所述碳纤维的纤维取向方向与所述通孔的长度方向垂直或平行。

28、第四方面，本发明还提供了一种所述的石墨烯组装膜超材料或所述的复合膜作为电磁屏蔽材料的应用。

29、本发明相对现有技术具有以下优点：

30、1、本发明的石墨烯组装膜超材料，实现了在x波段（8.2ghz~12.4ghz）内0.14db（非常接近0db）的最小emi se和破纪录的单位厚度下emi se操控范围差值（δemi se/t）1061.60db/mm，能够实现对电磁屏蔽效能的精确有效操控；

31、2、本发明的石墨烯组装膜超材料/碳纤维（gafm/cf）复合膜，将gafm和碳纤维（cf）复合，通过分别设置两者平行和垂直方向，实现了针对emi se更强的极化差异和全极化屏蔽。gafm/cf具有超宽emi se操控范围差值（δemi se）-54.33db，高于目前报道的所有智能电磁屏蔽材料；

32、3、本发明的石墨烯组装膜超材料，达到破纪录的单位厚度下emi se操控范围差值，并且突破了目前电磁屏蔽效能调控的下限，实现更高效的电磁屏蔽效能“关闭”状态；本发明拓展了电磁屏蔽效能极化操控范围，超越了目前报道的所有智能电磁屏蔽材料；本发明的制备方法简单易行，操作成本低，可规模化生产，利于商业化推广；本发明为开发智能电磁屏蔽材料提供了一条新途径，在复杂和高精度的电磁防护设备、非主动伪装装置和未来的智能生活领域具有广阔的应用前景。