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《ACS Nano》:高强高导超薄轻质屏蔽碳纳米管薄膜再获新突破!

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  导读:柔性轻量化、厚度最小、机械性能优异、可靠性优异的高性能电磁干扰屏蔽材料是第五代(5G)通信领域的高度要求,但制造难度极高。本文制备了一种超薄致密碳纳米管(CNT)膜,具有优异的机械性能和超高的屏蔽效能。在完全去除原始碳纳米管膜中的杂质后,极性分子诱导的单个碳纳米管中的电荷分离会导致碳纳米管-碳纳米管的强吸引力,抗拉强度高达822±21 MPa,电导率高达902,712 S/m,密度仅为1.39 g cm-3。此外,这种碳纳米管薄膜在强酸/碱、高温和高湿度条件下使用较长时间后表现出良好的可靠性。在目前具有代表性的屏蔽材料中,它的整体性能是最好的,代表了在可穿戴电子产品和5G通信应用中制备屏蔽膜的关键突破。

  近日,中国科学院深圳先进技术研究院材料所(筹)研究员孙蓉团队在ACS Nano上以Ultrathin Densified Carbon Nanotube Film with “Metal-like” Conductivity, Superior Mechanical Strength, and Ultrahigh Electromagnetic Interference Shielding Effectiveness为题发表最新研究成果。

  通过对原始碳纳米管膜的净化和对纯化碳纳米管膜的致密化,制备了具有优异EMI屏蔽性能的超薄、柔韧、坚固的致密碳纳米管膜。净化过程提高了碳纳米管的质量,随后的致密化大大改善了单个管与管之间的相互作用,从而显著提高了机械强度和电导率,并证明致密化碳纳米管薄膜具有优越的电磁干扰。致密化CNT薄膜厚度仅为1.85μm,密度为1.39 g cm-3,抗拉强度高达822±21 MPa,电导率高达902712 S/m。同时,在4-18 GHz的宽频范围内,覆盖c波段、x波段、ku波段的EMI SE均超过51 dB,膜厚14.7μm的EMI SE进一步达到101 dB。据我们所知,这是迄今为止在相同厚度的碳基屏蔽材料中报道的最高值。该研究工作为开发超薄轻质高性能屏蔽膜提供了新的方法。

  论文链接 :https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c06971

  
此外,本文还研究了CNT膜在电子器件中的近场屏蔽性能,发现CNT膜在0.5 - 6ghz低频下近场SE大于20db。此外,致密化的CNT膜在强酸/碱、高温、高湿等恶劣环境下表现出良好的可靠性和优异的稳定性,远 远优于金属、氙等其他导电屏蔽材料 图1 致密化碳纳米管屏蔽膜的制备及其与电磁波相互作用示意图

图2 纯化和致密过程中CNT膜的形貌和结构变化:分别在低(a1-d1)和高(a2-d2)放大率下的CNT膜表面形貌的SEM图像。(a3-d3)碳纳米管薄膜横截面纳米结构的SEM图像,显示碳纳米管薄膜中的空洞逐渐减少,表明碳纳米管之间的相互作用增强。(a4-d4)带插入的CNT膜表面的AFM图像显示粗糙度参数Rq和Ra降低,表明表面光滑度提高,CNTs的堆积更加致密
图3 碳纳米管薄膜的力学性能:(a)碳纳米管薄膜的典型应力-应变曲线;插图为未经过致密处理的碳纳米管薄膜的典型应力-应变曲线,拉伸强度较低。(b)碳纳米管薄膜的力学性能。(c)致密CNT薄膜拉伸和断裂状态的照片。(d-f)原始CNT膜和(g-i)致密CNT膜断裂表面的SEM图像。原始的碳纳米管膜呈现疏松的断口面,致密的碳纳米管膜呈现致密的断口面。紧凑的碳纳米管堆垛有利于提高质量
相关工作得到了中国博士后科学基金、国家重点研发专项、广东省基础与应用基础研究基金项目、深圳先进院优秀青年基金等项目的资助。

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