具有高机械性能的PEDOT:PSS/氮掺杂还原氧化石墨烯/氧化铁（PEDOT:PSS/N-rGO/Fe?O?）纳米复合薄膜制成的绿色电磁干扰屏蔽层

《Surfaces and Interfaces》：Green electromagnetic interference shields of PEDOT:PSS/Nitrogen doped reduced-graphene oxide/ferric oxide (PEDOT:PSS/N-rGO/Fe 3O 4) nanocomposite films with high mechanical properties

纳米复合薄膜PEDOT:PSS/N-rGO/Fe3O4的电磁屏蔽性能及机械稳定性研究。该材料通过氮掺杂石墨烯与磁性氧化铁的协同作用，实现高导电性（10.58 S/cm）、屏蔽效能（37.67 dB）及优异机械性能（柔韧性、高拉伸强度），适用于现代电子工业及军事领域。

　　

Z. Mohamed|B.A. Al-Asbahi|H. Baqiah|A.G. El-Shamy

埃及塞得港大学理学院物理系，塞得港42522

摘要

目前，实现绿色电磁干扰（EMI）屏蔽已成为科学界的研究焦点。这不仅因为其吸收-反射比率大于1（gs=A/R > 1），还因为其总屏蔽效率应大于30分贝（SE_T > 30 dB），同时具有显著的吸收效果和极低的二次反射。因此，这种屏蔽材料被认为是保护内部物体而对外部环境无害或危害较小的理想选择。本文介绍了一种优秀的可弯曲、柔韧、轻质、易于加工的绿色电磁干扰（EMI）屏蔽材料——纳米复合膜PEDOT:PSS/氮掺杂还原氧化石墨烯/氧化铁（PP/N-rGO/Fe₃O₄）。研究了氮掺杂还原氧化石墨烯（N-rGO/Fe₃O₄）（质量百分比）对薄膜表面形态、电导率（σ）、EMI屏蔽性能和机械性能的影响。导电性N-rGO的高密度网络结构为电子提供了有效的传导路径，从而提高了电导率（σ）和导电损耗；而磁性氧化铁（Fe₃O₄则具有高磁导率和高磁损耗，两者共同作用提升了薄膜的总EMI屏蔽效率（SE_T）。令人惊讶的是，当N-rGO/Fe₃O₄的质量百分比为2%时，薄膜的电导率（σ）达到了10.58 ±0.53 S/cm（是纯聚丙烯（PP）的4.7倍）。该薄膜具有较高的吸收效率（A/R比率 > 1.56），优异的屏蔽效果（SE_T为37.67±1.40 dB，超过30 dB），以及出色的SSE/t值（2787.27 dBcm²/g）。PP/N-rGO/Fe₃O₄薄膜在恶劣环境（如弯曲、剥离、老化或不同溶剂作用下）仍保持稳定的屏蔽性能和可靠性。其杨氏模量为28.19±1.76 GPa，抗拉强度为332.22±7.33 MPa，断裂伸长率为12.70±0.57%，完全满足实际EMI屏蔽应用所需的机械性能。总之，这种材料成本低廉、柔韧性强，具有广阔的应用前景，适用于军事、航空、生物、智能织物、可穿戴设备和便携式电子产品等领域。

部分内容摘录

1- 引言

5G技术的飞速发展以及电子设备的小型化和智能化趋势产生了大量的电磁辐射[1]。这些电磁辐射不仅干扰电子设备的正常信号，还威胁人类健康和生态环境[2]。因此，有效屏蔽这些辐射至关重要。

材料

1.3 wt.%的PEDOT:PSS、三氯化铁（FeCl₃.6H₂O）、二氯化亚铁（FeCl₂.4H₂O）、肼水合物（HH）、氨水（NH₄OH）和二甲基亚砜（DMSO）由Sigma Chemicals提供。石墨粉、硝酸钠（NaNO₃）和高锰酸钾（KMnO₄）由Loba Chemicals提供。硫酸（H₂SO₄）、盐酸（HCl）、去离子水（DI）和过氧化氢（H₂O₂则来自Al-Nasr Chemicals。

氮掺杂还原氧化石墨烯（N-rGO）纳米填料的制备

还原氧化石墨烯（rGO）的制备过程如下：

N-rGO/Fe₃O₄纳米填料的XRD、SEM、FTIR、Raman和BET分析

图S1展示了GO、N-rGO和Fe₃O₄的XRD图谱。图S1a显示GO的XRD图谱，仅有一个峰，对应2θ=10.94°，证明GO制备成功；图S1b显示N-rGO的XRD图谱，有两个峰，分别位于2θ=24.40°和2θ=43.39°，表明N-rGO为多层结构，层间距离为0.361 nm；图S1c显示Fe₃O₄的XRD图谱，证实其具有FCC晶体结构，晶粒尺寸为19±2 nm。

4- 结论

本文提出了一种由PEDOT:PSS/氮掺杂还原氧化石墨烯/氧化铁（PP/N-rGO/Fe₃O₄组成的纳米复合薄膜，具有优异的弯曲性、轻质性和柔韧性，有效解决了纯聚丙烯（PP）屏蔽效率低、rGO阻抗匹配不良以及氧化铁（Fe₃O₄宽带响应窄的问题。N-rGO/Fe₃O₄的优异分散性显著影响了薄膜的表面形态、结构、电导率和EMI屏蔽性能。

作者贡献声明

Z. Mohamed: 软件开发、方法设计、样品制备、数据管理、数据分析、结果审查、可视化处理、实验研究。

B. A. Al-Asbahi: 数据测量、软件应用、结果可视化、数据分析、实验研究。

H. Baqiah: 数据管理、数据测量、结果审查、结果可视化。

A. G. El-Shamy: 理论构思、方法设计、样品制备、数据分析、初稿撰写、修订与编辑。

作者贡献声明

Z. Mohamed: 数据管理、方法设计、结果验证、实验研究、软件应用、结果可视化。

B.A. Al-Asbahi: 理论构思、数据分析、方法设计、初稿撰写、修订与编辑。

H. Baqiah: 数据管理、实验研究、方法设计、结果验证、软件应用、结果可视化。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢本研究得到了沙特阿拉伯利雅得King Saud大学（项目编号：RSP2025R348）的支持。