本發(fā)明屬于光學透明件電磁屏蔽領域，特別涉及一種基于石墨烯網(wǎng)柵與透明導電薄膜的雙向吸波透明電磁屏蔽器件。

背景技術：

隨著廣播、電視、無線通訊技術及微波技術的發(fā)展，射頻設備在人類活動的各個場所大量裝備，且頻譜范圍不斷展寬，強度成倍增加，這不僅對電子設備造成干擾，還對人體健康產(chǎn)生威脅。這種看不見摸不著的“電磁污染”直接作用于機器或人體，是危害嚴重的“隱形殺手”，已成為繼大氣污染、水污染、固體廢棄物污染和噪聲污染之后的第五大污染。電磁屏蔽（包括吸收和反射）是防治電磁污染的主要措施，近年來，電磁屏蔽技術受到人們的廣泛關注。其中需要視覺觀測場合的電磁屏蔽——即透明電磁屏蔽，一直以來都是難點和熱點，其應用涵蓋醫(yī)用電磁隔離室觀察窗、通訊設備透明電磁屏蔽元件、航空航天裝備光窗、先進光學儀器光窗、保密設施防電磁泄露光窗、液晶顯示屏、手機觸屏、車載透明天線等。

目前，實現(xiàn)透明電磁屏蔽的難點主要在于傳統(tǒng)的吸波材料大多不透明或透明性很差，而基于透明導電材料或器件的反射透明屏蔽技術中透明性和導電屏蔽能力互相制約，難以同時實現(xiàn)高透明性和強電磁屏蔽。此外，導電反射透明屏蔽技術將電磁輻射反射回空間，對空間環(huán)境造成“二次污染”，不利于電磁污染的徹底防治。

在現(xiàn)代技術的很多領域中，碳材料都扮演著非常重要的角色，在碳的眾多同素異形體中，石墨烯是一種非常典型的材料，石墨烯是由碳原子以sp₂雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一個碳原子厚度的二維材料，具有多方面優(yōu)良的性質(zhì)，其中一個突出性質(zhì)是具有優(yōu)良的透明導電性，也具有一定的微波吸收性能，這使得石墨烯在透明電磁屏蔽領域具有很高的應用價值：

1. 美國專利US20130068521 “Electromagnetic shielding method using graphene and electromagnetic shiedling material”利用化學氣相沉積法(CVD)制備的石墨烯加載于金屬板、聚合物襯底之上實現(xiàn)電磁屏蔽，與未加載石墨烯的金屬板、聚合物襯底相比，加載石墨烯以后，整體結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽效率有所提高。

2. 專利201310232829. X “用于屏蔽電磁輻射的基于石墨烯的結(jié)構(gòu)和方法”描述了一種用于屏蔽頻率大于 1 兆赫茲電磁輻射的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由一層或多層石墨烯構(gòu)成，且至少一層石墨烯摻雜有摻雜劑。

3. 專利201420099425.8“一種基于石墨烯薄膜的透明電磁屏蔽膜”描述了一種在透明基底和石墨烯薄膜之間排布納米銀線的透明電磁屏蔽膜，納米銀線起到電荷橋梁的作用，增加整個電磁屏蔽膜的導電性，提高屏蔽效率。

4. 美國萊斯大學(Rice University)的James M. Tour等人用光刻法制備線條寬度為5μm的金屬網(wǎng)柵，并將單層石墨烯轉(zhuǎn)移在其表面，制成了石墨烯金屬網(wǎng)柵混合導電膜（James M. Tour等，“Rational Design of Hybrid Graphene Films for High-Performance Transparent Electrodes”. ACS Nano，2011，5(8)：6472~6479），該混合導電膜可實現(xiàn)90%的透光率和20Ω/sq的方阻。

5. 韓國科學技術院(KAIST)的Seul Ki Hong等人報道了單層石墨烯的屏蔽效率為2.27dB（Hong S K等，“Electromagnetic interference shielding effectiveness of monolayer graphene”. Nanotechnology, 2012, 23(45)：455704），其中吸收損耗和反射損耗分別為-4.38dB和-13.66dB。

6. 韓國成均館大學(Sungkyunkwan University)的Kim S和韓國三星電機公司(Samsung Electro-Mechanics)的Myeong-Gi Kim等人采用聚醚酰亞胺/氧化還原法制備的石墨烯(PEI/RGO)層疊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電磁屏蔽（Kim S等，“Electromagnetic Interference (EMI) Transparent Shielding of Reduced Graphene Oxide (RGO) Interleaved Structure Fabricated by Electrophoretic Deposition”. ACS applied materials & interfaces, 2014, 6(20)：17647-17653），雙層PEI/ RGO和單層PEI/ RGO層疊結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽效率分別為6.37和3.09dB，且吸收損耗占總電磁屏蔽效率的比例分別為96%和92%。

7. 哈爾濱工業(yè)大學的韓杰才等人用銅網(wǎng)柵作犧牲層，用化學氣相沉積(CVD)制備了多種石墨烯網(wǎng)柵(Han J 等, “Infrared-transparent films based on conductive graphene network fabrics for electromagnetic shielding”. Carbon, 2015, 87: 206-214)分別在實現(xiàn)70.85%的紅外透光率同時達到12.86dB的屏蔽效率，及實現(xiàn)87.85%的紅外透光率的同時達到4dB的屏蔽效率。且該石墨烯網(wǎng)柵電磁屏蔽也以吸收為主導。

上述各方案將石墨烯用于電磁屏蔽，可以實現(xiàn)一定的電磁屏蔽效果。美國專利US20130068521采用石墨烯作為電磁屏蔽裝置的核心器件，并通過roll-to-roll的石墨烯轉(zhuǎn)移方法將整片大面積的石墨烯轉(zhuǎn)移到金屬、聚合物等襯底之上，實現(xiàn)了優(yōu)良的電磁屏蔽效果，但該電磁屏蔽器件并不具備透明性。專利201310232829. X “用于屏蔽電磁輻射的基于石墨烯的結(jié)構(gòu)和方法”以石墨烯薄膜作為電磁屏蔽結(jié)構(gòu)的主體，并對其中至少一層石墨烯薄膜進行摻雜以提高電磁屏蔽效率，但摻雜會影響整體結(jié)構(gòu)的透光率。專利201420099425.8“一種基于石墨烯薄膜的透明電磁屏蔽膜”利用納米銀線提高石墨烯薄膜的電導率，增加反射損耗實現(xiàn)電磁屏蔽效率的提高，但電磁屏蔽的主要貢獻是由反射產(chǎn)生的。上述文獻4中將石墨烯薄膜加載于金屬網(wǎng)柵之上形成石墨烯和網(wǎng)柵緊密貼合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提高了金屬網(wǎng)柵的導電性能，同時透光率達到91%，但該結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽以反射為主。上述文獻5中研究結(jié)果表明，雖然石墨烯的屏蔽效率隨著層數(shù)增加而大幅增加，但吸收損耗增加很少，并且每增加一層石墨烯，透光率損失2.3%，使得該結(jié)構(gòu)難以同時實現(xiàn)高透光、低反射和強電磁屏蔽。上述文獻6中采用氧化還原法制備的石墨烯薄膜(RGO)與聚醚酰亞胺(PEI)層疊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電磁屏蔽，且屏蔽以吸收損耗為主，但雙層PEI/RGO結(jié)構(gòu)的屏蔽效率僅為6.37dB，且透光率僅為62%，難以同時實現(xiàn)強電磁屏蔽和高透光。上述文獻7僅采用石墨烯網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)，屏蔽效率偏低，且強屏蔽效率和高透光率不能兼得。

總之，現(xiàn)有電磁屏蔽技術中，以反射型電磁屏蔽為主的方法易造成二次電磁污染；而具有吸收損耗的電磁屏蔽方法，或者存在透光率不高，或者電磁屏蔽效率不強，難以同時實現(xiàn)高透明性和強電磁屏蔽。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有透明電磁屏蔽技術的不足，特別是針對現(xiàn)有反射透明屏蔽技術中透明性和導電屏蔽能力相互制約，難以兼顧高透光率和強微波屏蔽效率，以及反射電磁信號造成電磁泄露和二次污染的問題，研發(fā)一種基于石墨烯網(wǎng)柵與透明導電薄膜的雙向吸波透明電磁屏蔽器件，達到同時具備雙向低電磁反射、強電磁屏蔽和高透光性能的目的。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：基于石墨烯網(wǎng)柵與透明導電薄膜的雙向吸波透明電磁屏蔽器件，所述的電磁屏蔽器件由依次重疊且平行配置的透明吸收層A、透明介質(zhì)A、透明反射層、透明介質(zhì)B和透明吸收層B裝配構(gòu)成；所述的透明吸收層A和B均由N層被透明介質(zhì)分隔的石墨烯網(wǎng)柵薄膜構(gòu)成，透明反射層由透明導電薄膜構(gòu)成，包括透明金屬化合物薄膜、納米銀線薄膜或金屬網(wǎng)柵。

本發(fā)明產(chǎn)生的良好效果主要集中于實現(xiàn)同時具備雙向低電磁反射、強電磁屏蔽和高透光性能，具體如下：

首先，利用石墨烯網(wǎng)柵薄膜具有不同的網(wǎng)孔單元開孔面積比時表現(xiàn)出的不同透光和微波屏蔽特性，實現(xiàn)高透光和吸收為主的電磁屏蔽；當石墨烯網(wǎng)柵薄膜的網(wǎng)孔單元開孔面積比t在0.05與0.7之間取值時，通過調(diào)整石墨烯網(wǎng)柵薄膜的層數(shù)可以實現(xiàn)良好的透光與屏蔽性能。當石墨烯網(wǎng)柵薄膜的網(wǎng)孔單元開孔面積比t滿足0.3≤t≤0.7時，利用多層石墨烯網(wǎng)柵薄膜實現(xiàn)與單層石墨烯薄膜比擬的透光率同時提高了屏蔽性能；當石墨烯網(wǎng)柵薄膜的網(wǎng)孔單元開孔面積比t滿足0.05≤t<0.3時，利用單層石墨烯網(wǎng)柵薄膜實現(xiàn)與單層石墨烯薄膜比擬的微波屏蔽性能同時提高了透光率；同時，石墨烯網(wǎng)柵薄膜的微波屏蔽性能主要以微波吸收為主。

其次，利用石墨烯網(wǎng)柵薄膜的微波吸收特性和透明導電薄膜的微波反射特性，將二者有機結(jié)合，以透明導電薄膜作為透明反射層，實現(xiàn)對射頻輻射的強電磁反射；用N層被透明介質(zhì)分隔的石墨烯網(wǎng)柵薄膜結(jié)構(gòu)作為透明吸收層，可使射頻輻射發(fā)生部分吸收并以低反射的形式穿過；將兩組透明吸收層分別置于透明反射層的兩側(cè)，使得透過透明吸收層的微波又強反射回透明吸收層，經(jīng)過反射和多次吸收，實現(xiàn)良好的電磁屏蔽；兩組透明吸收層分別置于透明反射層的兩側(cè)構(gòu)成電磁屏蔽器件，同時吸收電磁屏蔽器件內(nèi)外兩側(cè)的射頻輻射，使來自電磁屏蔽器件兩側(cè)的射頻輻射都經(jīng)過反射和多次吸收，最終實現(xiàn)雙向的低反射強電磁屏蔽。

本發(fā)明的層疊結(jié)構(gòu)，一方面由于透明吸收層的存在，解決了僅有透明導電薄膜時反射為主的屏蔽易造成二次電磁污染的問題；另一方面由于透明反射層的存在且置于兩組透明吸收層之間，使得來自電磁屏蔽器件兩側(cè)的待屏蔽微波都會經(jīng)過反射和多次吸收，不僅解決了僅存在石墨烯網(wǎng)柵薄膜吸收層時屏蔽效率不高的問題，具有雙向屏蔽作用，而且雙向屏蔽作用均以吸收為主；與此同時，對于光波，僅透過透明吸收層和透明反射層一次，其發(fā)生的損耗較少，并且當石墨烯網(wǎng)柵薄膜的網(wǎng)孔單元開孔面積比t在0.05與0.7之間取值，由于石墨烯網(wǎng)柵薄膜存在周期性的開孔結(jié)構(gòu)，提高了其透光性能，可實現(xiàn)高透光特性。

綜上，本發(fā)明可以實現(xiàn)同時具備雙向低電磁反射、強電磁屏蔽和高透光性能是本發(fā)明的最突出效果。

附圖說明

圖1是基于石墨烯網(wǎng)柵與透明導電薄膜的雙向吸波透明電磁屏蔽器件的剖面示意圖。

圖2是方孔石墨烯網(wǎng)柵的網(wǎng)柵單元排布方式結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是圓孔石墨烯網(wǎng)柵的網(wǎng)柵單元排布方式結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是方格金屬網(wǎng)柵的網(wǎng)柵單元排布方式結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是圓環(huán)金屬網(wǎng)柵的網(wǎng)柵單元排布方式結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是多周期微環(huán)金屬網(wǎng)柵的網(wǎng)柵單元排布方式結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是實施例所述的基于石墨烯網(wǎng)柵與透明導電薄膜的雙向吸波透明電磁屏蔽器件的剖面示意圖。

圖8是實施例所述的基于石墨烯網(wǎng)柵與透明導電薄膜的雙向吸波透明電磁屏蔽器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中件號說明：1.保護層A 2.增透膜A 3.透明吸收層A 4.透明介質(zhì)A 5.透明反射層 6.透明介質(zhì)B 7.透明吸收層B 8.增透膜B 9.保護層B 10.方孔石墨烯網(wǎng)柵薄膜A 11.透明介質(zhì)C 12.方孔石墨烯網(wǎng)柵薄膜B 13.方孔石墨烯網(wǎng)柵薄膜C 14.微環(huán)金屬網(wǎng)柵。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方案做詳細描述：

所述的電磁屏蔽器件由依次重疊且平行配置的透明吸收層A(3)、透明介質(zhì)A(4)、透明反射層(5)、透明介質(zhì)B(6)和透明吸收層B(7)裝配構(gòu)成；所述的透明吸收層A、B(3、7)均由N層被透明介質(zhì)分隔的石墨烯網(wǎng)柵薄膜構(gòu)成，透明反射層(5)由透明導電薄膜構(gòu)成，包括透明金屬化合物薄膜、納米銀線薄膜或金屬網(wǎng)柵；所述的構(gòu)成透明吸收層A、B(3、7)的石墨烯網(wǎng)柵薄膜由具有網(wǎng)孔陣列結(jié)構(gòu)的石墨烯薄膜構(gòu)成；所述的網(wǎng)孔陣列結(jié)構(gòu)是指網(wǎng)孔單元周期性排列而成的二維陣列結(jié)構(gòu)；所述的網(wǎng)孔單元具有方孔或者圓孔外形；網(wǎng)孔單元尺寸為亞微米至毫米量級，網(wǎng)孔單元陣列周期為微米至毫米量級；網(wǎng)孔單元開孔面積比t在0.05與0.7之間取值； 所述的網(wǎng)孔單元開孔面積比是指在一個陣列周期內(nèi)，網(wǎng)孔單元開孔面積與陣列周期單元面積的比值。

在透明吸收層A(3)外側(cè)部上依次平行配置單層或多層的增透膜A(2)和單層或多層的保護層A(1)；透明吸收層B(7)外側(cè)部上依次平行配置單層或多層的增透膜B(8)和單層或多層的保護層B(9)。

構(gòu)成透明吸收層A、B(3、7)的石墨烯網(wǎng)柵薄膜的層數(shù)為單層、雙層或者三層，且各層被透明介質(zhì)分隔的石墨烯網(wǎng)柵薄膜層數(shù)可以相同或不同。

當石墨烯網(wǎng)柵薄膜的網(wǎng)孔單元開孔面積比t滿足0.3≤t≤0.7時，所述的透明吸收層A、B(3、7)由N層被透明介質(zhì)分隔的石墨烯網(wǎng)柵薄膜構(gòu)成，其中N≤6×{[1/(1-t)]+1}，[1/(1-t)]代表不超過1/(1-t)的最大正整數(shù)。

當石墨烯網(wǎng)柵薄膜的網(wǎng)孔單元開孔面積比t滿足0.05≤t<0.3時，所述的透明吸收層A、B(3、7)由N層被透明介質(zhì)分隔的石墨烯網(wǎng)柵薄膜構(gòu)成，其中N≤6。

透明反射層(5)的透光率大于90%。

若透明反射層(5)由金屬網(wǎng)柵構(gòu)成，所述的金屬網(wǎng)柵由網(wǎng)柵單元按周期性排列的二維平面結(jié)構(gòu)構(gòu)成，網(wǎng)柵單元的周期為亞毫米至毫米量級，金屬線條寬度為亞微米至微米量級，相鄰網(wǎng)柵單元之間通過金屬線條交疊或在交疊處設置將兩條金屬線條連通的連接金屬。

若透明反射層(5)由金屬網(wǎng)柵構(gòu)成，金屬網(wǎng)柵由導電性能良好的合金材料制成，且合金厚度大于100nm。

所述的透明介質(zhì)A、B(4、6)和分隔透明吸收層A、B(3、7)石墨烯網(wǎng)柵薄膜的透明介質(zhì)制作材料包括普通玻璃、石英玻璃、紅外材料及透明樹脂材料。

實施例

電磁屏蔽器件由依次重疊且平行配置的透明吸收層3A、透明介質(zhì)4A、透明反射層5、透明介質(zhì)6B及透明吸收層7B裝配構(gòu)成；所述的透明吸收層3A由依次平行配置的單層的石墨烯網(wǎng)柵薄膜A10、透明介質(zhì)C11及單層的石墨烯網(wǎng)柵薄膜B12構(gòu)成，透明反射層由微環(huán)金屬網(wǎng)柵14構(gòu)成，透明吸收層B7由一層的單層的石墨烯網(wǎng)柵薄膜C13構(gòu)成。

本發(fā)明的技術效果是：當金屬網(wǎng)柵的電磁屏蔽效率為20dB時，若射頻輻射來自電磁屏蔽器件透明吸收層A3外側(cè)，本發(fā)明的電磁屏蔽效率為24.2dB，吸收損耗占總屏蔽能量的56.8%；若射頻輻射來自電磁屏蔽器件透明吸收層B7外側(cè)，吸收損耗占總屏蔽能量的51.2%；針對該結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽器件兩側(cè)的射頻輻射均實現(xiàn)了吸收為主的強電磁屏蔽，且透光率為88.1%，仍然具有高透光特性。

本發(fā)明還對應另外幾種實施例，將圖7中金屬網(wǎng)柵換為透明導電金屬化合物薄膜或納米銀線薄膜，并保持原來的各層排布方式不變，最終也可獲得相似效果；增加或減少圖7中透明反射層兩側(cè)的透明吸收層所包含的被透明介質(zhì)分隔的石墨烯網(wǎng)柵薄膜層數(shù)，將會導致吸收損耗的增加或透光率的提高，可根據(jù)實際需要做相應調(diào)整。