高性能多功能超薄石墨烯聚集体定向薄膜的简易制备及其在电磁屏蔽与红外隐身中的应用

推荐：本研究针对传统石墨烯薄膜制备工艺复杂、成本高的问题，开发了一种通过机械压缩定向排列石墨烯聚集体（GAs）泡沫制备超薄多功能薄膜的简易方法。所得48.7 μm薄膜兼具超高电导率（5.349×105 S/m）、卓越电磁屏蔽效能（EMI SE 106.2 dB）、低压驱动电热（256.7°C@1.7V）、高导热（768.2 W·m-1·K-1）和超低红外发射率（0.284@8-12μm），为军事隐身和可穿戴电子提供了革新性材料解决方案。

　　

在电子设备日益复杂的工作环境下，多功能超薄薄膜材料的需求与日俱增。传统石墨烯薄膜虽在电磁屏蔽（EMI）、热管理和红外隐身等领域展现出潜力，但其制备过程涉及强氧化剂损伤晶格、高能耗热处理、有机溶剂残留等瓶颈问题。尤其军事领域需要同时实现电磁屏蔽和红外隐身的薄膜，而现有技术难以兼顾高性能与低成本生产。燕山大学张瑞军团队突破性提出"室温化学剥离-定向压缩"新策略，通过调控石墨烯聚集体（Graphene Aggregates, GAs）的定向生长行为，成功制备出厚度不足50μm却集五大功能于一体的柔性薄膜。

研究采用四项关键技术：1）真空辅助过滤构建天然石墨（NG）定向浆料；2）密闭生长装置（CGA）实现GAs室温定向膨胀；3）450°C热处理去除残留酸；4）30MPa单向机械压缩成型。通过改变石英盘压力（12.70-75.49g）调控GAs泡沫结构，最终获得四种薄膜样本。

【3.1 HCGAs制备与表征】

通过混合NG/H₂SO₄/KHSO₅浆料的定向过滤和受限生长，获得孔隙率可调的蠕虫状GAs泡沫。SEM显示压力越大GAs排列越致密（图2b-i），XPS证实GNs（石墨烯纳米片）氧含量<5%（图2l），拉曼光谱I_D/I_G≈0.12表明晶体缺陷极少（图2k）。

【3.2 薄膜形貌与柔性】

机械压缩后薄膜表面RMS粗糙度<50nm（图3c），SAXS测定取向因子?达0.941（图3e）。厚度48.7-49.8μm的薄膜可反复弯折无裂纹（图3f），得益于GNs的定向层状结构（图3d）。

【3.3 电学与EMI性能】

HCGAs-GF-75.49电导率5.349×10⁵ S/m为同类最优（图4a），EMI SE 106.2dB超越铜箔10倍（图4c）。反射系数R>0.99（图4d），实现近乎全频段电磁屏蔽（T=2.37×10^-11）。

【3.4 电热性能】

1.7V驱动下70秒升温至256.7°C（图5a），符合焦耳定律Q∝U²线性关系（图5b）。30分钟持续工作温度波动<1°C（图5d），循环稳定性优异（图5e）。

【3.5 热管理性能】

面内导热系数768.2 W·m^-1·K^-1（图6a），LED散热测试显示比铜基板降温快15秒（图6d）。

【3.6 红外隐身】

8-14μm波段发射率0.284（图7b），人体覆盖实验显示完全遮蔽红外信号（图7c）。在25-150°C范围仍保持隐身效果（图7f-j），突破传统材料温域限制。

该研究开创了"一步法"制备多功能石墨烯薄膜的新范式，通过C轴压力调控GNs尺寸（8.82-30.42μm²）实现性能优化。相比传统真空抽滤-热还原工艺，新方法避免超声破碎和溶剂残留问题，成本降低60%以上。薄膜在军事隐身（双频段低发射率）、可穿戴加热（低压驱动）、5G设备散热等领域具有重大应用价值，相关技术已申请中国发明专利。未来通过调控GAs孔隙率，有望进一步优化薄膜的透气性与力学性能，推动其在柔性电子中的集成应用。