本發(fā)明屬于光學透明件電磁屏蔽領域，特別涉及一種具有雙石墨烯吸收層和雙層金屬網柵結構的電磁屏蔽光窗。

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。

以氧化銦錫為主的透明金屬氧化物薄膜，在可見光透明的場合應用廣泛，但是其透光波段較窄，雖然微波屏蔽波段較寬，但屏蔽能力不強。納米銀導電網絡薄膜可以實現(xiàn)90%左右的透光率，但納米銀線間具有不可避免的接觸電阻，尤其是在高透光時納米銀線很細且較稀疏使其表面電阻較高，進而降低屏蔽效率。帶通型頻率選擇表面采用周期性諧振單元結構，能夠高反射工作頻帶以外的干擾微波，但是其透光性較差且不易實現(xiàn)寬透光帶。據(jù)此，上述各技術方案均不能同時滿足電磁屏蔽光窗對高透光和強微波屏蔽能力的要求。

相比而言，具有毫米至亞毫米周期的金屬網柵，由于其周期比干擾電磁波長小得多，而又遠大于光學波長，可以在實現(xiàn)低頻寬波段電磁屏蔽的同時，保證較高的可見光和紅外波段的透光率。因此，毫米、亞毫米周期的金屬網柵以其良好的透明導電性能，在光窗電磁屏蔽技術領域得到了廣泛的應用：

1. 專利200810063988.0“一種具有雙層方格金屬網柵結構的電磁屏蔽光學窗”描述了一種由結構參數(shù)相同的方格金屬網柵或金屬絲網平行放置于光學窗或透明襯底兩側構成的電磁屏蔽光學窗，大幅度提高了電磁屏蔽效率。

2. 專利200810063987.6“一種具有雙層圓環(huán)金屬網柵結構的電磁屏蔽光學窗”描述了一種由兩層圓環(huán)金屬網柵加載于光學窗兩側構成的電磁屏蔽光學窗，解決了高透光率和強電磁屏蔽效率不能同時兼顧的問題。

3. 專利201410051497.X“具有同心圓環(huán)的多周期主從嵌套圓環(huán)陣列電磁屏蔽光窗”描述了一種用于實現(xiàn)光學窗電磁屏蔽功能的多周期同心圓環(huán)嵌套的金屬網柵結構，該結構使得高級衍射造成的雜散光得到了一定的均化，減小了網柵對光窗成像質量的影響。

4. 專利201410051496.5“雙層交錯多周期金屬圓環(huán)嵌套陣列的電磁屏蔽光窗”描述了一種由兩層交錯排列的金屬網柵構成的電磁屏蔽光窗， 顯著降低了網柵衍射光強分布的不均勻性，減小對成像的影響。

專利200810063988.0和專利200810063987.6均采用雙層金屬網柵平行放置于光窗透明基片或襯底的兩側構成，兩層金屬網柵具有相同的單元外形和結構參數(shù)，通過優(yōu)化兩層網柵的間距，提高了電磁屏蔽效率。專利201410051497.X提出了一種具有多周期同心圓環(huán)主從嵌套圓環(huán)陣列的網柵結構，實現(xiàn)了對高級次衍射的深度均化，減小了對成像質量的影響。專利201410051496.5通過雙層網柵交錯角的選取，使雜散光分布更均勻，對成像質量影響更小。上述各專利，采用金屬網柵（或金屬絲網）作為微波屏蔽的核心器件，可以實現(xiàn)較好的電磁屏蔽效果和透光性能，但是金屬作為一種反射式電磁屏蔽材料，反射的射頻信號會對空間環(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，其中一個突出性質是具有優(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：

5. 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，整體結構的電磁屏蔽效率有所提高。

6. 專利201310232829. X “用于屏蔽電磁輻射的基于石墨烯的結構和方法”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構，該結構由一層或多層石墨烯構成，且至少一層石墨烯摻雜有摻雜劑。

7. 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。

8. 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的金屬網柵，并將單層石墨烯轉移在其表面，制成了石墨烯金屬網柵混合導電膜（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。

9. 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。

10. 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)層疊結構實現(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層疊結構的電磁屏蔽效率分別為6.37 dB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%。

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的石墨烯轉移方法將整片大面積的石墨烯轉移到金屬、聚合物襯底之上，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構和方法”以石墨烯薄膜作為電磁屏蔽結構的主體，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構的透光率。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生的。上述文獻8中將石墨烯薄膜加載于金屬網柵之上形成石墨烯和金屬網柵緊密貼合結構，該結構提高了金屬網柵的導電性能，同時透光率達到91%，但該結構的電磁屏蔽以反射為主。上述文獻9中研究結果表明，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%，使得該結構難以同時實現(xiàn)高透光、低反射和強電磁屏蔽。上述文獻10中采用氧化還原法制備的石墨烯薄膜(RGO)與聚醚酰亞胺(PEI)層疊結構實現(xiàn)電磁屏蔽，且屏蔽以吸收損耗為主，但雙層PEI/RGO結構的屏蔽效率僅為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。

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)一種具有雙石墨烯吸收層和雙層金屬網柵結構的電磁屏蔽光窗，達到同時具備強電磁屏蔽、低電磁反射和高透光性能的目的。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：具有雙石墨烯吸收層和雙層金屬網柵結構的電磁屏蔽光窗，所述的電磁屏蔽光窗由依次重疊且平行配置的第一透明吸收層、透明介質A、金屬網柵A、透明介質B、第二透明吸收層、透明介質C和金屬網柵B裝配構成；所述的第一透明吸收層由1-6層被透明介質分隔的石墨烯薄膜構成，第二透明吸收層由1-3層被透明介質分隔的石墨烯薄膜構成，相互平行配置的金屬網柵A與金屬網柵B構成透明反射層。

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

利用石墨烯的微波吸收特性和雙層金屬網柵的強微波反射特性，將二者有機結合，以雙層金屬網柵作為透明反射層的基本結構，與單層金屬網柵相比，在透光性能保持不變的前提下，微波屏蔽效率和反射率顯著提高，能夠更好的實現(xiàn)對射頻輻射的強電磁屏蔽和反射；用1-6層被透明介質分隔的石墨烯薄膜結構作為第一透明吸收層，可使射頻輻射發(fā)生部分吸收并以低反射的形式穿過；將透明反射層置于第一透明吸收層之后，既保證實現(xiàn)強電磁屏蔽，又使透過透明吸收層的微波強反射回透明吸收層，使射頻輻射經過多次反射與吸收；用1-3層被透明介質分隔的石墨烯薄膜結構作為第二透明吸收層，并將第二透明吸收層平行放置于雙層金屬網柵A、B之間，可多次吸收穿過第一層的金屬網柵A，并由于金屬網柵A、B的強反射作用，而在雙層金屬網柵間振蕩的微波信號，從而大幅提高電磁屏蔽效率，最終實現(xiàn)低反射的強電磁屏蔽。

本發(fā)明的具有石墨烯夾層的雙層金屬網柵層疊結構，一方面由于第一透明吸收層的存在，解決了僅有金屬網柵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，且將透明反射層的金屬網柵A、B分別置于第一、二透明吸收層之后，使得待屏蔽微波經過多次反射與吸收，解決了僅存在石墨烯薄膜吸收層時屏蔽效率不高的問題；此外，將第二透明吸收層平行放置于金屬網柵A、B之間，可多次吸收在雙層金屬網柵之間反射的射頻輻射，大幅度提高電磁屏蔽效率；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，可實現(xiàn)高透光特性；而且當雙層金屬網柵采用衍射雜散光分布均勻的網柵結構時，整個層疊結構對成像質量的影響很低。

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

附圖說明

圖1是具有雙石墨烯吸收層和雙層金屬網柵結構的電磁屏蔽光窗的剖面示意圖。

圖2是方格金屬網柵的網柵單元排布方式結構示意圖。

圖3是圓環(huán)金屬網柵的網柵單元排布方式結構示意圖。

圖4是多周期微環(huán)金屬網柵的網柵單元排布方式結構示意圖。

圖5是實施例所述的具有雙石墨烯吸收層和雙層金屬網柵結構的電磁屏蔽光窗的剖面示意圖。

圖6是實施例所述的具有雙石墨烯吸收層和雙層金屬網柵結構的電磁屏蔽光窗的結構示意圖。

圖中件號說明：1.保護層A 2.增透膜A 3.第一透明吸收層 4.透明介質A 5.金屬網柵A 6.透明介質B 7. 第二透明吸收層 8.透明介質C 9.金屬網柵B 10.增透膜B 11.保護層B 12.石墨烯薄膜A 13.透明介質D 14.石墨烯薄膜B 15.石墨烯薄膜C。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明實施方案做詳細描述：

所述的電磁屏蔽光窗由依次重疊且平行配置的第一透明吸收層3、透明介質A4、金屬網柵A5、透明介質B6、第二透明吸收層7、透明介質C8和金屬網柵B9裝配構成；所述的第一透明吸收層3由1-6層被透明介質分隔的石墨烯薄膜構成，第二透明吸收層7由1-3層被透明介質分隔的石墨烯薄膜構成，相互平行配置的金屬網柵A5與金屬網柵B9構成透明反射層。

在第一透明吸收層3外側部上依次平行配置單層或多層的增透膜A2和單層或多層的保護層A1；金屬網柵B9外側部上依次平行配置單層或多層的增透膜B10和單層或多層的保護層B11。

所述的金屬網柵A5、金屬網柵B9均由網柵單元按周期性排列的二維平面結構構成，網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。

所述的金屬網柵A5與金屬網柵B9之間的間距為毫米量級，所述間距小于屏蔽最小波長的0.25倍。

構成第一透明吸收層3、第二透明吸收層7的石墨烯薄膜包含的石墨烯的層數(shù)為單層、雙層或三層，且構成第一透明吸收層3、第二透明吸收層7的各層被透明介質分隔的石墨烯薄膜包含的石墨烯層數(shù)可以相同或不同。

金屬網柵A5、金屬網柵B9均由導電性能良好的合金材料制成，且合金厚度大于100nm。

由金屬網柵A5、金屬網柵B9構成的透明反射層透光率大于90%。

所述的透明介質A4、透明介質B6、透明介質C8和分隔第一透明吸收層3、第二透明吸收層7的石墨烯薄膜的透明介質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)明的具有雙石墨烯吸收層和雙層金屬網柵結構的電磁屏蔽光窗，透明反射層是實現(xiàn)強反射電磁屏蔽的核心器件，而第一透明吸收層3具有低反射和部分吸收微波的特性。由于雙層金屬網柵間第二透明吸收層7的存在，使得在雙層金屬網柵間多次反射的射頻輻射被部分吸收，大幅提高微波屏蔽能力。相對于透明反射層，第一透明吸收層3置于更靠近射頻輻射波源的一側。照射到光窗的射頻輻射能量進入第一透明吸收層3，經過第一透明吸收層3中各層石墨烯吸收、衰減后的能量被透明反射層高反射，反射后的射頻輻射又一次經過第一透明吸收層3，再次經過各層石墨烯的吸收衰減，而射頻輻射在各石墨烯薄膜層和透明介質的反射部分又經歷多次反射和吸收，最終使射頻輻射的絕大部分能量被吸收，實現(xiàn)吸收為主的強電磁屏蔽。而對于需要通過的光學波段，僅經過第一透明吸收層3、第二透明吸收層7和透明反射層一次，其發(fā)生的損耗較少，能實現(xiàn)高透光。

本發(fā)明的具有雙石墨烯吸收層和雙層金屬網柵結構的電磁屏蔽光窗，雙層金屬網柵A5和B9的間距在毫米量級，相對于單層金屬網柵結構，可保證透光率不變的情況下，顯著提高電磁屏蔽光窗的微波屏蔽效果。

實施例

電磁屏蔽光窗由依次重疊且平行配置的第一透明吸收層3、透明介質A4、金屬網柵A5、透明介質B6、第二透明吸收層7、透明介質C8和金屬網柵B9裝配構成；所述的第一透明吸收層3由依次平行配置的單層的石墨烯薄膜A12、透明介質D13及單層的石墨烯薄膜B14構成，第二透明吸收層由一層的單層的石墨烯薄膜C15構成，相互平行配置的金屬網柵A5與金屬網柵B9構成透明反射層。

本發(fā)明的技術效果是：當雙層金屬網柵的電磁屏蔽效率為29.8dB時，本發(fā)明的電磁屏蔽效率為35.1dB，吸收損耗占總屏蔽能量的60.9%，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。以雙層金屬網柵作為透明反射層，以雙層石墨烯薄膜作為透明反射層，電磁屏蔽效率為33.4dB，吸收損耗占總屏蔽能量的60.1%，透光率為90.4%。對比以雙層微環(huán)金屬網柵作為透明反射層的仿真結果，本發(fā)明的具有雙石墨烯吸收層和雙層金屬網柵結構的電磁屏蔽光窗在小幅犧牲透光率的情況下，微波屏蔽性能顯著提高，能夠實現(xiàn)超強的微波屏蔽效率。

本發(fā)明還對應另外幾種實施例，改變圖5中雙層金屬網柵的基本單元的形狀和結構參數(shù)，以及基本單元的排布方式，并保持原來的各層排布方式不變，最終也可獲得相似效果；在圖5中由兩層彼此分隔的單層石墨烯組成的第一透明吸收層的基礎上，增加或減少被透明介質分隔的單層石墨烯薄膜的數(shù)量，將會導致吸收損耗的增加或透光率的提高；可根據(jù)實際需要做相應調整。