一種低填充-高熱導/屏蔽效能石墨烯泡沫封裝材料

導熱-電磁屏蔽多功能電子封裝材料既能快速導熱又能有效吸收或衰減入射的電磁波能量，是解決當前電子器件發(fā)熱與電磁干擾問題以及保護其正常運行的最有效途徑。5G/6G 通訊技術推動電子器件向小型化、功能集成化、輕薄、高功率、高工作頻段方向發(fā)展，小型化和高工作頻段要求電磁波吸波/屏蔽材料“更寬、更強、更薄”；而小型化、功能集成化、高功率要求導熱材料“更薄、更輕、散熱更快”，這勢必加劇了電子器件的電磁干擾和發(fā)熱問題。目前，國內學者主要單獨研究和使用導熱材料與電磁波吸波/屏蔽材料，有關導熱-電磁屏蔽多功能封裝材料的研究起步較晚，同時導熱和吸波性能兼容性較差，現(xiàn)有的導熱-電磁屏蔽多功能材料填充比高（不低于50%）、導熱和吸波性能差（帶寬窄，不大于5 GHz；熱導率不大于2.0 W·m-1·K-1）。因此，建立“導熱-吸波協(xié)同增強”機制并開發(fā)低填充比、高效的導熱-電磁屏蔽多功能電子封裝材料具有挑戰(zhàn)性和重要意義。

浙江師范大學童國秀教授團隊采用可溶性鹽模板法大量合成了石墨烯納米片基泡沫。通過改變煅燒溫度T和水溶性聚乙二醇（PEG 20000）/NaCl 質量比λ 來調控石墨烯泡沫的結構、織構、缺陷、石墨化、電導率、電磁參數(shù)、電磁屏蔽效能和熱導率，并分析了其電磁屏蔽和導熱性能及機理。以高熔點、立方結構的NaCl 為模板、PEG 20000 作為表面活性劑和碳源，冷凍干燥其混合水溶液得到干凝膠。在干凝膠煅燒過程中，PEG 20000 在NaCl 微晶模板表面碳化；再洗滌去模板，獲得由超薄石墨烯納米片相互交聯(lián)構成的三維多孔泡沫結構，其壁厚薄（5～10 nm）、密度低、比表面積可調（255.6～670.5 m2/g）。改變投料比能調節(jié)壁厚、比表面積和介電常數(shù)；調節(jié)煅燒溫度能控制材料的結晶性、缺陷、電導率、介電損耗、電磁屏蔽和熱性能。該方法具有工藝簡單、通用、綠色、環(huán)保、低成本、易于工業(yè)化等優(yōu)點。

研究結果表明，可溶性鹽模板使超薄石墨烯納米片形成三維多孔相通網(wǎng)絡結構，超薄石墨烯納米片泡沫的SEM 圖像見圖1。提高煅燒溫度、填充比和投料比能改善石墨烯泡沫的熱導率和電磁屏蔽效能（見圖2、3）。在T=800 ℃和λ=0.530 下形成的石墨烯泡沫顯現(xiàn)了最佳的熱導率和電磁屏蔽效能。在石墨烯泡沫的填充比質量分數(shù)僅為7%時，其在C、S 和Ku 波段的電磁屏蔽效能超過20 dB，這明顯優(yōu)于大多數(shù)石墨烯基材料。同時，與大多數(shù)報道的復合材料相比，三維互通網(wǎng)絡可以降低石墨烯納米片之間的接觸熱阻，并為聲子/電子提供連續(xù)的熱傳輸通道，因而在較低的填充比（質量分數(shù)為3%～5%）下能獲得更高的熱導率（3.26～3.95 W·m-1·K-1）?？傊捎诳烧{的比表面積、低填充比以及優(yōu)異的電磁屏蔽效能和熱導率，本研究合成的石墨烯泡沫在電子封裝以及導熱屏蔽領域具有廣闊的應用潛力。（童國秀 范寶新 邢露 楊凱霞楊怡均 周凡潔）

圖1 超薄石墨烯納米片泡沫的SEM 圖像

圖2 石墨烯泡沫的熱導率

原始文獻：

FAN B X,XING L,YANG K X,et al.Salt-templated graphene nanosheet foams filled in silicon rubber toward prominent EMI shielding effectiveness and high thermal conductivity [J].Carbon,2023,207:317-327.