本發(fā)明屬于光學(xué)透明件電磁屏蔽領(lǐng)域，特別涉及一種基于石墨烯網(wǎng)柵與透明導(dǎo)電薄膜層疊結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽光窗。

背景技術(shù)：

隨著廣播、電視、無(wú)線通訊技術(shù)及微波技術(shù)的發(fā)展，射頻設(shè)備在人類活動(dòng)的各個(gè)場(chǎng)所大量裝備，且頻譜范圍不斷展寬，強(qiáng)度成倍增加，這不僅對(duì)電子設(shè)備造成干擾，還對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅。這種看不見(jiàn)摸不著的“電磁污染”直接作用于機(jī)器或人體，是危害嚴(yán)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(lái)，電磁屏蔽技術(shù)受到人們的廣泛關(guān)注。其中需要視覺(jué)觀測(cè)場(chǎng)合的電磁屏蔽——即透明電磁屏蔽，一直以來(lái)都是難點(diǎn)和熱點(diǎn)，其應(yīng)用涵蓋醫(yī)用電磁隔離室觀察窗、通訊設(shè)備透明電磁屏蔽元件、航空航天裝備光窗、先進(jìn)光學(xué)儀器光窗、保密設(shè)施防電磁泄露光窗、液晶顯示屏、手機(jī)觸屏、車載透明天線等。

目前，實(shí)現(xiàn)透明電磁屏蔽的難點(diǎn)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(dǎo)電材料或器件的反射透明屏蔽技術(shù)中透明性和導(dǎo)電屏蔽能力互相制約，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高透明性和強(qiáng)電磁屏蔽。此外，導(dǎo)電反射透明屏蔽技術(shù)將電磁輻射反射回空間，對(duì)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(shù)的很多領(lǐng)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(gè)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(gè)突出性質(zhì)是具有優(yōu)良的透明導(dǎo)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(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值：

1. 美國(guó)專利US20130068521 “Electromagnetic shielding method using graphene and electromagnetic shiedling material”利用化學(xué)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(shí)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(gè)電磁屏蔽膜的導(dǎo)電性，提高屏蔽效率。

4. 美國(guó)萊斯大學(xué)(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(dǎo)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(dǎo)電膜可實(shí)現(xiàn)90%的透光率和20Ω/sq的方阻。

5. 韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院(KAIST)的Seul Ki Hong等人報(bào)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(guó)成均館大學(xué)(Sungkyunkwan University)的Kim S和韓國(guó)三星電機(jī)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(shí)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(xué)的韓杰才等人用銅網(wǎng)柵作犧牲層，用化學(xué)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(shí)現(xiàn)70.85%的紅外透光率同時(shí)達(dá)到12.86dB的屏蔽效率，及實(shí)現(xiàn)87.85%的紅外透光率的同時(shí)達(dá)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(dǎo)。

上述各方案將石墨烯用于電磁屏蔽，可以實(shí)現(xiàn)一定的電磁屏蔽效果。美國(guó)專利US20130068521采用石墨烯作為電磁屏蔽裝置的核心器件，并通過(guò)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(shí)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(duì)其中至少一層石墨烯薄膜進(jìn)行摻雜以提高電磁屏蔽效率，但摻雜會(huì)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(dǎo)率，增加反射損耗實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽效率的提高，但電磁屏蔽的主要貢獻(xiàn)是由反射產(chǎn)生的。上述文獻(xiàn)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(dǎo)電性能，同時(shí)透光率達(dá)到91%，但該結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽以反射為主。上述文獻(xiàn)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(shí)實(shí)現(xiàn)高透光、低反射和強(qiáng)電磁屏蔽。上述文獻(xiàn)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(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電磁屏蔽和高透光。上述文獻(xiàn)7僅采用石墨烯網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)，屏蔽效率偏低，且強(qiáng)屏蔽效率和高透光率不能兼得。

總之，現(xiàn)有電磁屏蔽技術(shù)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(qiáng)，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高透明性和強(qiáng)電磁屏蔽。

技術(shù)實(shí)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(shù)的不足，特別是針對(duì)現(xiàn)有反射透明屏蔽技術(shù)中透明性和導(dǎo)電屏蔽能力相互制約，難以兼顧高透光率和強(qiáng)微波屏蔽效率，以及反射電磁信號(hào)造成電磁泄露和二次污染的問(wèn)題，研發(fā)一種基于石墨烯網(wǎng)柵與透明導(dǎo)電薄膜層疊結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽光窗，達(dá)到同時(shí)具備高透光、低電磁反射和強(qiáng)電磁屏蔽性能的目的。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：基于石墨烯網(wǎng)柵與透明導(dǎo)電薄膜層疊結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽光窗，所述的電磁屏蔽光窗由依次重疊且平行配置的透明吸收層、透明介質(zhì)和透明反射層裝配構(gòu)成；所述的透明吸收層由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(dǎo)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(shí)現(xiàn)同時(shí)具備高透光、低電磁反射和強(qiáng)電磁屏蔽性能，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(shí)表現(xiàn)出的不同透光和微波屏蔽特性，實(shí)現(xiàn)高透光和吸收為主的電磁屏蔽；當(dāng)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(shí)，通過(guò)調(diào)整石墨烯網(wǎng)柵薄膜的層數(shù)可以實(shí)現(xiàn)良好的透光與屏蔽性能。當(dāng)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(shí)，利用多層石墨烯網(wǎng)柵薄膜實(shí)現(xiàn)與單層石墨烯薄膜比擬的透光率同時(shí)提高了屏蔽性能；當(dāng)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(shí)，利用單層石墨烯網(wǎng)柵薄膜實(shí)現(xiàn)與單層石墨烯薄膜比擬的微波屏蔽性能同時(shí)提高了透光率；同時(shí)，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(dǎo)電薄膜的微波反射特性，將二者有機(jī)結(jié)合，以透明導(dǎo)電薄膜作為透明反射層，實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻輻射的強(qiáng)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(guò)；將透明反射層置于透明吸收層之后，既保證實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電磁屏蔽，又使透過(guò)透明吸收層的微波強(qiáng)反射回吸收層，使射頻輻射發(fā)生部分吸收并以低反射的形式穿過(guò)，最終實(shí)現(xiàn)低反射的強(qiáng)電磁屏蔽；本發(fā)明的層疊結(jié)構(gòu)，一方面由于吸收層的存在，解決了僅有透明導(dǎo)電薄膜時(shí)反射為主的屏蔽易造成二次污染的問(wèn)題，另一方面由于反射層的存在且置于吸收層之后，使得屏蔽微波經(jīng)過(guò)反射和多次吸收，解決了僅存在石墨烯網(wǎng)柵薄膜吸收層時(shí)屏蔽效率不高的問(wèn)題；與此同時(shí)，對(duì)于光波，僅透過(guò)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(dāng)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(shí)現(xiàn)高透光特性。

綜上，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)具備高透光、低電磁反射和強(qiáng)電磁屏蔽性能是本發(fā)明的最突出效果。

附圖說(shuō)明

圖1是基于石墨烯網(wǎng)柵與透明導(dǎo)電薄膜層疊結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽光窗的剖面示意圖。

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(shí)施例所述的基于石墨烯網(wǎng)柵與透明導(dǎo)電薄膜層疊結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽光窗的剖面示意圖。

圖8是實(shí)施例所述的基于石墨烯網(wǎng)柵與透明導(dǎo)電薄膜層疊結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽光窗的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中件號(hào)說(shuō)明：1.保護(hù)層 A 2.增透膜A 3.透明吸收層 4.透明介質(zhì) 5.透明反射層 6.增透膜B 7.保護(hù)層B 8.方孔石墨烯網(wǎng)柵薄膜A 9.透明介質(zhì)A 10.方孔石墨烯網(wǎng)柵薄膜B 11.微環(huán)金屬網(wǎng)柵。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方案做詳細(xì)描述：

所述的電磁屏蔽光窗由依次重疊且平行配置的透明吸收層(3)、透明介質(zhì)(4)和透明反射層(5)裝配構(gòu)成；所述的透明吸收層(3)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(dǎo)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(3)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(jí)，網(wǎng)孔單元陣列周期為微米至毫米量級(jí)；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(gè)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(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(hù)層A(1)；透明反射層(5)外側(cè)部上依次平行配置單層或多層的增透膜B(6)和單層或多層的保護(hù)層B(7)。

構(gòu)成透明吸收層(3)的石墨烯網(wǎng)柵薄膜的層數(shù)為單層、雙層或三層，且各層被透明介質(zhì)分隔的石墨烯薄膜層數(shù)可以相同或不同。

當(dāng)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(shí)，所述的透明吸收層(3)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(guò)1/(1-t)的最大正整數(shù)。

當(dāng)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(shí)，所述的透明吸收層(3)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(jí)，金屬線條寬度為亞微米至微米量級(jí)，相鄰網(wǎng)柵單元之間通過(guò)金屬線條交疊或在交疊處設(shè)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(dǎo)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)(4)和分隔透明吸收層(3)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。

本發(fā)明的基于石墨烯網(wǎng)柵與透明導(dǎo)電薄膜層疊結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽光窗，透明反射層5是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)反射電磁屏蔽的核心器件，而透明吸收層3具有低反射和部分吸收微波的特性。相對(duì)于透明導(dǎo)電薄膜構(gòu)成的透明反射層5，由被透明介質(zhì)分隔的石墨烯網(wǎng)柵薄膜平行層疊排布構(gòu)成的透明吸收層3置于更靠近射頻輻射波源的一側(cè)。照射到光窗的射頻輻射能量進(jìn)入透明吸收層3，經(jīng)過(guò)透明吸收層3中各層石墨烯網(wǎng)柵吸收、衰減后的能量被透明反射層5高反射，反射后的射頻輻射又一次經(jīng)過(guò)透明吸收層3，再次經(jīng)過(guò)各層石墨烯網(wǎng)柵的吸收衰減，而射頻輻射在各石墨烯網(wǎng)柵薄膜層和透明介質(zhì)層的反射部分又經(jīng)歷多次反射和吸收，最終使射頻輻射的絕大部分能量被吸收，實(shí)現(xiàn)吸收為主的電磁屏蔽。而對(duì)于需要通過(guò)的光學(xué)波段，僅經(jīng)過(guò)透明吸收層3一次和透明反射層5一次，其發(fā)生的損耗較少，并且由于石墨烯網(wǎng)柵薄膜存在周期性的開孔結(jié)構(gòu)，提高了其透光性能，能實(shí)現(xiàn)高透光。

實(shí)施例

電磁屏蔽光窗由依次重疊且平行配置的透明吸收層3、透明介質(zhì)4及透明反射層5裝配構(gòu)成；所述的透明吸收層3由依次平行配置的單層的石墨烯網(wǎng)柵薄膜A8、透明介質(zhì)A9及單層的石墨烯網(wǎng)柵薄膜B10構(gòu)成，透明反射層由微環(huán)金屬網(wǎng)柵11構(gòu)成。

本發(fā)明的技術(shù)效果是：當(dāng)金屬網(wǎng)柵的電磁屏蔽效率為20dB時(shí)，本發(fā)明的電磁屏蔽效率為24dB，其中吸收損耗占屏蔽總能量的56%，實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)電磁屏蔽，且透光率為90.4%，仍然具有高透光特性。

本發(fā)明還對(duì)應(yīng)另外幾種實(shí)施例，將圖7中金屬網(wǎng)柵換為透明導(dǎo)電金屬化合物薄膜或納米銀線薄膜，并保持原來(lái)的各層排布方式不變，最終也可獲得相似效果；在圖7中由兩層彼此分隔的單層石墨烯網(wǎng)柵組成的透明吸收層的基礎(chǔ)上，增加或減少被透明介質(zhì)分隔的單層石墨烯薄膜的數(shù)量，將會(huì)導(dǎo)致吸收損耗的增加或透光率的提高，可根據(jù)實(shí)際需要做相應(yīng)調(diào)整。