蜂窩，又叫蜂巢，是蜂群活動和繁殖的地方，也常引申為蜂窩狀的多孔物體，如蜂窩電話、蜂窩結(jié)構(gòu)等。

蜂巢由很多房孔組成，每個都是正六角形，每兩個房孔之間會有一堵蠟制的墻，所有房孔的底都是尖的，這個底由三個完全一樣的菱形組成。

據(jù)測量菱形的兩個銳角都是 70°，兩個鈍角則都是 109°，并且全世界所有蜂窩均按照上述規(guī)則建造。

這樣的結(jié)構(gòu)，讓蜂窩可同時具備高強度和低重量，并且還能隔音和隔熱。借助這一大自然的奇妙法則，很多人造衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛機都采用蜂窩結(jié)構(gòu)。

蜂窩狀多孔石墨烯材料誕生，電磁屏蔽材料迎來新成員

受蜂窩結(jié)構(gòu)啟發(fā)，清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授聯(lián)合制備出一種蜂窩狀多孔石墨烯（HPG）材料，主要利用的原材料為聚酰亞胺薄膜，并主要采用了激光刻劃技術(shù)。

相關(guān)論文以《受蜂窩啟發(fā)的多功能石墨烯微結(jié)構(gòu)用于超高性能電磁干擾屏蔽與可穿戴應(yīng)用》 （Multifunctional Graphene Microstructures Inspired by Honeycomb for Ultrahigh Performance Electromagnetic Interference Shielding and Wearable Applications） 為題發(fā)表在 ACS Nano 上。

其中，任天令和該校楊軼副教授、以及清華大學(xué)深圳國際研究生院張盛副教授，為共同通訊作者，任天令課題組徐建東博士為第一作者。

當(dāng)前，對于自動駕駛、5G 電信傳輸、國防軍工、航空航天、智能可穿戴設(shè)備等應(yīng)用場景的穩(wěn)定運行來說，電磁屏蔽扮演著 “扛把子” 角色。

任天令告訴 DeepTech，隨著物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、可穿戴設(shè)備的發(fā)展，電路越來越復(fù)雜，無論是汽車的中控集成式系統(tǒng)、高性能音響系統(tǒng)，還是體積越來越小的 5G 通信設(shè)備（手機及基站），或是要求精度越來越高的儀器儀表，要保證這些電子設(shè)備的正常運行，電磁干擾屏蔽至關(guān)重要。

而電子設(shè)備工作時，既不希望被外界電磁波干擾，又不希望自身輻射出電磁波干擾外界設(shè)備及危害人體健康，所以需要阻斷電磁波的傳播路徑，因此自身產(chǎn)生的電磁波需要被吸收，而外界入射的電磁波需要被反射或吸收，這就使得不同屏蔽機制的電磁干擾屏蔽材料可用于不同的應(yīng)用場景。

傳統(tǒng)的金屬如銅和鋁等是常用的電磁屏蔽材料，但它們易被腐蝕、密度過高，并且以反射電磁波為主，這會造成二次污染，因此其應(yīng)用場景受到限制。因此在便攜式可穿戴設(shè)備和航空航天材料中，具備優(yōu)異力學(xué)性能和超低密度的電磁屏蔽材料，才是真正的剛需。

基于此，任天令等人使用石墨烯、MXenes（過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物）和金屬納米線，探索具備超低密度、超高電磁屏蔽性能和優(yōu)異力學(xué)性能的復(fù)合物。

該石墨烯材料內(nèi)部模仿蜂巢結(jié)構(gòu)，由微孔結(jié)構(gòu)和豐富的石墨烯邊緣和界面組成，能使得入射電磁波被多次反射和吸收，適合用于超高性能電磁屏蔽應(yīng)用。

據(jù)悉，通過激光功率密度調(diào)控，單片蜂窩狀多孔石墨烯材料的厚度可達 25-50 μm，而一片厚度為 48.3 μm 的多孔石墨烯的 SSE 為 1160 dB?3/g，SSE/t 為 240123 dB?2/g，比常見的碳基、MXene、以及金屬材料等高出許多倍，而密度僅有 0.0388 g/3。

把銀納米線（AgNWs）旋涂到石墨烯蜂窩孔表面，蜂窩狀多孔石墨烯材料和銀納米線便可組成一種復(fù)合膜，該團隊發(fā)現(xiàn)在 X 波段，該復(fù)合膜的電磁屏蔽效能，可從蜂窩狀多孔石墨烯材料的 41.2 dB 增加到 61 dB，隨著蜂窩狀多孔石墨烯材料層數(shù)的增加，復(fù)合膜的屏蔽效能也會增加到 110 dB。

通過測試證明銀納米線的加入可顯著提高蜂窩狀多孔石墨烯材料對于電磁波的反射能力。因為，加入銀納米線之后，蜂窩狀多孔石墨烯材料的電導(dǎo)率提高至 2605.4 S/m，相比之下旋涂 MXene 后，電導(dǎo)率只有 398 S/m。

關(guān)于制備步驟，任天令表示一共有四步：

首先，搭建一個帶有激光頭的直寫系統(tǒng)；

其次，將商用的聚酰亞胺薄膜放置于激光頭的下方一定位置處；

然后，設(shè)計一個想要得到的圖案，并將圖片導(dǎo)入計算機內(nèi)控制激光直寫系統(tǒng)的軟件；

最后，設(shè)置軟件的特定參數(shù)后，即可啟動軟件控制激光頭按照所導(dǎo)入的圖案進行劃刻。待一定時間劃刻完成后，即可在聚酰亞胺表面得到蜂窩狀石墨烯。

談及研究中使用的激光刻劃技術(shù)，任天令告訴 DeepTech：“這指的是使用計算機精確操控激光頭的劃刻路徑，在激光頭劃刻材料的表面后，由于高能激光的局部光熱效應(yīng)，使得材料內(nèi)部的化學(xué)鍵斷裂，從而在其表面原位生成另一種材料?！?/p>

研究中，該團隊分別采用功率密度為 16、80、85、90 和 95 mW/2 的激光，在薄膜上制備蜂窩狀多孔石墨烯材料。

他們發(fā)現(xiàn)，功率的增加、也會讓蜂窩狀多孔石墨烯材料的蜂窩孔直徑出現(xiàn)增加，這是因為功率越大，在特定時間內(nèi)碳化形成的氣體就越多，蜂窩孔直徑就會跟著增大。

SEM 掃描電鏡圖顯示，蜂窩狀多孔石墨烯材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是一種蜂窩三維網(wǎng)絡(luò)，這能降低材料密度，并增強電磁屏蔽性能。

而且，只需在計算機中輸入想要的圖案，就能訂制出想要的蜂窩狀多孔石墨烯材料，甚至可以做出刺繡圖案。

關(guān)于這一功能，他表示，這是利用計算機中的控制激光頭 X-Y 軸移動的軟件來實現(xiàn)的，將需要定制的圖案（如刺繡圖案）導(dǎo)入該軟件內(nèi)，軟件通過識別圖案的灰度，在激光頭沿 X-Y 軸移動的過程中，在有圖案的地方打開激光，而沒有圖案的地方關(guān)閉激光，從而可以獲得一個定制化圖案的蜂窩狀石墨烯。

扛得住 1000 次彎曲循環(huán)，電性能 “毫發(fā)未傷”

另據(jù)悉，將石墨烯做蜂窩狀結(jié)構(gòu)的好處在于，材料在面對彎曲、拉伸、扭轉(zhuǎn)等時，蜂窩結(jié)構(gòu)可使得應(yīng)力分散，從而避免應(yīng)力集中導(dǎo)致材料疲勞損傷的情況發(fā)生。

因此，即便給蜂窩狀多孔石墨烯材料做了 1000 次彎曲循環(huán)試驗，其電性能也絲毫未損。

任天令解釋稱，蜂窩結(jié)構(gòu)有助于分散材料的應(yīng)力，避免材料在受力過程中由于應(yīng)力集中導(dǎo)致材料的疲勞斷裂或損壞。

此外，蜂窩結(jié)構(gòu)帶來了超高的電磁屏蔽性能。高密度缺陷和多界面的三維蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中含有豐富的石墨烯邊緣和無序結(jié)構(gòu)，因此，進入材料表面的電磁波會被蜂窩結(jié)構(gòu)的石墨烯多次反射和吸收，最后以熱能的形式耗散。

與此同時，蜂窩結(jié)構(gòu)大大降低了材料的密度，使得材料能以超低密度實現(xiàn)超高電磁屏蔽性能，從而實現(xiàn)輕量化的電磁屏蔽應(yīng)用，如航空航天和可穿戴電子。

具體來說，蜂窩狀多孔石墨烯材料具備出色的電磁屏蔽性能，并可通過激光功率密度進行調(diào)控：

當(dāng)激光功率處于 80 mW/2時，其電磁屏蔽性能可達 20 dB，并能衰減 99% 的電磁干擾，滿足消費電子產(chǎn)品的要求完全不在話下；

當(dāng)功率小于 80 mW/2 時，蜂窩狀多孔石墨烯材料的電磁屏蔽，多以吸收為主；

當(dāng)功率超過 80 mW/2 時，蜂窩狀多孔石墨烯材料以反射屏蔽機制為主。

對于上述屏蔽機制，任天令分析稱，通過調(diào)控激光功率密度，可以獲得不同電磁屏蔽性能的蜂窩狀石墨烯。傳統(tǒng)金屬作為電磁干擾屏蔽材料，其表面電導(dǎo)率高，趨膚深度小，因此其主要是通過表面對電磁波的大量反射來實現(xiàn)電磁干擾屏蔽的，這很容易造成電磁波的二次污染。

而以吸收為主的電磁屏蔽材料可以避免電磁波的二次污染，并將電磁波吸收以熱量的形式耗散。

此外，蜂窩狀多孔石墨烯材料的厚度，也會影響電磁屏蔽性能：單片 48.3 μm 的蜂窩狀多孔石墨烯材料，在 10 GHz 時的電磁屏蔽性能大約是 40 dB，這時它能屏蔽 99.99% 的入射電磁波；當(dāng)把該材料堆疊到 6 層后，電磁屏蔽性能可達 80 dB，并能衰減 99.999999% 的入射電磁波。

成本價便宜幾倍，工藝簡單適合大規(guī)模制備

同時，該材料成本較低。任天令告訴 DeepTech，蜂窩狀多孔石墨烯材料的原材料為商用聚酰亞胺，尺寸為 50 cm*100 cm 的商用聚酰亞胺薄膜的價格約為 100 元人民幣（不同厚度上下有浮動）。

而市面上由化學(xué)氣相沉積法（CVD）生長的銅基底多層石墨烯尺寸 5 cm*5 cm 的價格約為 2000 元（不同質(zhì)量不同廠家有上下浮動）。相比之下，蜂窩狀多孔石墨烯材料的優(yōu)勢可見一斑。

而且與石墨烯的 CVD 生長技術(shù)相比，該技術(shù)工藝簡單、條件溫和可控，制造過程效率高，因此很適合大規(guī)模制備。不過任天令也坦言，不同技術(shù)制備的石墨烯各有優(yōu)缺點和用處，不能簡單地一概而論。

在可穿戴應(yīng)用上，則可用于監(jiān)測人體呼吸、脈搏、和喉部運動等微弱生理信號。使用時，不需要將其搭載在其他產(chǎn)品上，其本身就是一個感應(yīng)傳感器，可直接將其貼敷于人體相應(yīng)檢測部位（如手腕、喉部等）以實現(xiàn)生理信號監(jiān)測。

談及落地，他表示：“項目成果落地、科研成果利國利民肯定是最好的，但這需要資本的推動和進一步開發(fā)更多的應(yīng)用場景，（我們希望）提高技術(shù)壁壘，打造特色產(chǎn)品?！?/p>

原文標(biāo)題：清華大學(xué)激光“刺繡”出蜂窩狀石墨烯材料，屏蔽99.999999%的入射電磁波 ，可低成本大規(guī)模制備 | 專訪

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