微电子工业的快速发展使电磁兼容、电磁干扰、电磁污染相关的问题日益突出,开发电磁屏蔽材料得到学术界和产业界的高度关注。特别是在航空航天等特殊领域,轻量化、高效碳基电磁屏蔽材料的研究有重要的科学意义和应用价值。石墨烯具有优异的导电性和高的比表面积,常被用作功能性纳米碳材料与聚合物或者生物基碳材料进行复合,制备低密度、高性能的碳基电磁屏蔽材料。迄今为止,碳基轻质电磁屏蔽材料已取得一定进展,但仍存在许多挑战,例如:面临的室外服役问题和高效电磁屏蔽材料效能可调节问题。本论文针对上述问题展开了材料体系选择和结构设计的研究,取得的创新成果如下:(1)选择具有低表面能的聚偏氟乙烯(PVDF)与石墨烯(rGO)和多壁碳纳米管(MWCNTs)进行溶液共混,以聚酯基无纺布为模板,采用非溶剂诱导相分离法制备了具有优异电磁屏蔽效能和自清洁功能的超疏水聚合物复合微发泡材料。实验结果表明:该材料不仅具有双组分碳填料与PVDF球晶构成的多孔微结构,而且具有多级粗糙结构的超疏水表面,其静态水接触角高达155.4°±2.7°,屏蔽效能最高至62.7 dB,除此之外,该材料还展现出良好的抗紫外老化能力及优异的结构稳定性。本方法制备过程简单,所制备的材料轻质多孔、电磁屏蔽效能高、抗紫外老化性能优异、可自清洁,有望满足新型电磁屏蔽材料的室外服役需求。(2)选用绿色环保、可再生的天然棉纤维片层作为新型宏观碳源,通过高温热解,得到由独特中空碳纤维组成的新型宏观碳纤维网络。研究表明:碳纤维网络的厚度为~0.3 mm,密度为0.14~0.06 g/cm~3时,碳网络展现出26.9~46.9 dB的优异电磁屏蔽效能。进一步,采用石墨烯对碳纤维网络进行修饰,制备了外层为超薄石墨烯薄膜、内层为中空碳纤维网络的具有三明治结构的复合材料。实验结果表明:通过构筑厚度~2μm的石墨烯薄膜表层,使得复合碳网络的总屏蔽效能增加至48.5~87.0 dB,这远高于相同厚度碳网络(0.3~0.7 mm)的总屏蔽效能(33.7~55.6 dB)。同时,与等量石墨烯和碳纤维网络均匀分散结构的样品相比,三明治结构样品的总屏蔽效能增加26~41%,表明三明治结构在轻量化、超薄电磁屏蔽材料领域有极大的应用前景。(3)选用农业废弃物小麦秸秆作为碳源,通过直接碳化和有序组装,制备了由小麦秸秆衍生碳材料排布组成的中空多孔碳管阵列(SCAs)。研究结果表明:随着外直径的增大,SCAs展现出优异的电磁屏蔽效能(57.7~44 dB),这主要依赖于电磁波的强反射损耗、介电损耗以及在内部多层次泡孔结构中的多重反射。进一步,将石墨烯气凝胶(GA)构筑在中空秸秆的空腔内,制备了GA/SCAs复合材料。研究发现:与纯SCAs相比,GA/SCAs的密度仅略微增加到78~39mg/cm~3,而电磁屏蔽效能则增加至66.1~70.6 dB。SCAs独特的中空多孔碳管阵列结构,在制备轻质、高效的电磁屏蔽材料方面表现出显著的优势。