基于石墨烯/微环金属网栅层叠结构的高透光低电磁反射电磁屏蔽方法与器件

Proposing a high optical transmittance, low electromagnetic reflection shielding method and device based on graphene / micro-ring metallic mesh stacking structures. The method combines the low reflection and partial absorption characteristics of graghene and strong electromagnetic reflection property of high-transmittance micro-ring metallic mesh, thus forming a multilayer laminated structure: double-layered micro-ring metallic mesh as a reflective layer, two or more layers of graphene with transparent substrate as a matched absorption layer; This structure allows the RF radiation repeatedly passing through the graphene layer to be strongly absorbed, which achieves strong shielding and low reflection characteristics. As the visible light passes through stacking structures for only once it possess the high transmittance; Solving the problem for that the transparent electromagnetic shielding method of high transmittance, low reflection, and strong electromagnetic shielding can’t be achieved simultaneously. Research contents are listed as follows: Modelling and analyzing optical and RF transmission characteristics of the structure; Establishing a comprehensive performance evaluation function to achieve structural optimization; Processing multiple sets of samples for performance testing. Targets are listed below: Optical transmittance is better than 90%, and shielding effectiveness is greater than 35dB among which absorbed losses is more than 85% of all incident RF radiant energy. At the same time, using the new micro-ring metallic mesh, whose maximal high-order diffracted intensity reduced by 95% than classic square grid. This structure can be widely used in aerospace equipment, advanced optical instruments and other transparent electromagnetic shielding fields.

提出一种基于石墨烯/微环金属网栅层叠结构的高透光低电磁反射电磁屏蔽方法与器件。该方法将单层石墨烯的低反射和部分吸收特性与高透光微环金属网栅的强电磁反射特性有机结合，构成多层层叠结构：用双层微环金属网栅作为反射层，用两层或多层具有透明衬底的单层石墨烯作为匹配吸收层；该结构可使射频辐射多次穿过石墨烯层被强吸收，实现强屏蔽和低反射特性，可见光仅透过层叠结构一次而具有高透光率；解决了现有透明电磁屏蔽方法高透光、低电磁反射和强电磁屏蔽不能兼顾的问题；研究内容为：对该结构进行光学和射频传输建模与特性分析；建立综合性能评价函数实现结构寻优；加工多组样件并进行性能测试。预期目标为：透光率优于90%，屏蔽效率大于35dB，其中吸收损耗占总入射射频辐射能量的85%以上，同时，采用新型微环金属网栅，其最大高级次衍射强度比经典方格网栅降低95%以上。该结构可广泛应用于航空航天装备、先进光学仪器等透明电磁屏蔽领域。

背景和问题：近年来，随着广播、电视、无线通讯技术、微波技术的发展，射频设备在人们活动的各个场所大量装备且功率成倍增加，射频电磁辐射大幅度增加，不仅会干扰其它电子设备，也会对人体健康产生危害。对射频辐射的有效屏蔽日益引起人们的重视。其中，对透明性器件，如飞行器的驾舱玻璃、先进仪器光窗等，由于传统吸波材料不透明因而无法应用，透明导电材料目前性能不强且因为实现的是反射型的电磁屏蔽，会造成二次电磁污染。.研究内容：针对上述背景和问题，本项目提出用基于石墨烯/微环金属网栅层叠结构的新型屏蔽方法，将单层石墨烯的低反射和部分吸收特性与高透光微环金属网栅的强电磁反射特性有机结合，构成一种多层层叠透明电磁屏蔽结构，对该结构进行光学和射频传输建模与特性分析，设计新型金属网栅结构，通过系统分析实现层叠结构整体性能优化，探索加工方法实现样件制作并进行性能测试。.重要结果和数据：本项目提出了一种基于等边三角/正交排布圆环和旋转子圆环阵列的高透光、衍射均匀分布的金属网栅新结构，作为较为理想的透明反射层，进而与单层石墨烯复合成层叠结构，同时实现了高透光、低电磁反射(强微波吸收)和强电磁屏蔽。实验表明，研制的样件实现了透光率优于91%，屏蔽效率在12~18GHz达到35dB以上，最大微波吸收率达到90%，新型网栅最大高级次衍射光强比相同透光率的经典方格金属网栅相比降低了98%，实现杂散光显著均化。.科学意义和应用前景：本项目通过研究石墨烯/微环网栅层叠结构的电磁屏蔽机制，一方面为“吸收型”透明电磁屏蔽器件的提出提供了研究思路和关键理论储备，另一方面为基于新型金属网栅的透明导电膜的设计提供了必要的方法；项目还为石墨烯在透明电磁屏蔽领域的深入应用拓宽了道路；相关研究结果可以推广应用于其他层叠结构的研究中。基于本项目方法制作的透明电磁屏蔽器件，可广泛用于飞行器的光窗、先进仪器光窗、汽车车窗、触摸屏、液晶显示等领域。