碳纤维在电磁屏蔽材料中的应用.pdf

2 4 M 0 d 墨燕。巷，妻。盘盖露p l i 星协。第-s 卷第z 期M o d e mP l a s t i c sP r o c e s s i n ga I】dA p p l i c a t i o n s币川苗印1 朋碳纤维在电磁屏蔽材料中的应用靳武刚(中国电子科技集团公司第三十九研究所，西安，7 1 0 0 6 5)摘要：简要阐述电磁屏蔽的原理，介绍了碳纤维的性能，论述了碳纤维增强塑料应用于电磁屏蔽复合材料的主要形式和研究的主要内容。美t 词：碳纤维电磁屏蔽塑料性能复台材料述评电磁屏蔽设计是现代电子设备的必备要求，采用电磁屏蔽材料设计和制造电子设备的壳体(罩)是行之有效的技术途径之一。电磁屏蔽材料主要有两种作用，一是保护电子线路免受外部电磁波的干扰，二是防止内部产生的干扰波向外部发射，即起隔离内外电磁波的作用。电磁屏蔽材料的研究是当今比较活跃的领域，各种新型材料向着屏蔽效率高、质量轻的方向发展。塑料大量代替金属材料成为壳体的主要材料，必须增加塑料壳体的电磁屏蔽性能。碳纤维是具有高强度、质量轻的纤维材料，并且具有较高的导电性能，碳纤维增强塑料电磁屏蔽材料是理想的结构与功能一体的壳体材料。1 电磁屏蔽的原理良好的屏蔽材料能反射大部分入射电磁波，而吸收其很少的一部分，这部分电磁波在屏蔽材料内部的多次反射过程中被耗散，仅有极少部分进入电子设备内部，由于数量甚微，基本上不造成危害。屏蔽材料对电磁波可分为反射、吸收和透过3 种效果。电磁波干扰实质上属于噪音干扰，其计量单位为分贝(d B)。对于良导体如银、铜和铝合金金属材料，反射是屏蔽的主要作用。对于铁和磁钢等高导磁性材料，吸收是屏蔽的主要作用。按照s c h e l k u n o f f 电磁屏蔽理论，屏蔽效果(S E)是电磁波能量的吸收损失(A)、内部反射损失(B)与表面的反射损失(R)的和。当A 在1 0d B 以上时B 可忽略不计，可简化为s E 等于R 与A 的和。在一定的条件下可按下式计算 1 ：s E 一5 0+1 0 l g(邯力+1 7 以p B(1)式中：卜电磁波频率，H z；P 一厚度，m m；舶体积电阻率，n-c m。当电磁波的频率一定时，屏蔽效果随着电阻率的降低而增加。换言之，屏蔽效果随着屏蔽材料导电率的增加而增加。因此，屏蔽材料的研究是设法提高材料的导电率。一般的屏蔽要求s E 在3 0 4 0 d B，即屏蔽材料的体积电阻率在l n c m 以下。碳纤维应用研究的主要目的是通过不同的复合工艺使碳纤维在绝缘的塑料基体中形成导电网络，提高塑料的电导率，同时可增加力学性能。2 碳纤维的性能特点制造电子设备壳(罩)的各种材料的电阻率见表1。与金属填充物相比较碳纤维具有质量轻的优点。碳纤维是纤维状的碳材料，即其化学组成中碳元素占总质量的9 0 以上。元素碳根据其原子结合方式的不同，可形成金刚石、石墨、卡宾等结晶态。随先驱物和热处理条件的变化，密度在1 6 2 o g c n l 3 变化，其力学性能也在一定范围变化。含量在9 9 以上的纤维又称石墨纤维，但在大多数场合下用“碳纤维”来泛指含石墨纤维的所有碳纤维。碳纤维最突出的特点是强度大和模量高、密度小，和碳素材料一样具有很好的耐高温、耐腐蚀性。碳纤维的强度超过金属钛和最强的钢，强度仅逊色于P B O(芳杂环高聚物纤维)等少数纤维，模量超过所有金属、有机高分子和无机陶瓷纤维。碳纤维有极好的热、电传导性，阻燃性能良好，热膨胀系数极低，收稿日期：2 0 0 3 一0 91 7。作者简介：靳武刚，1 9 7 0 年生，男，工程师。毕业于西北大学主要从事纤维增强树脂复合材料应用研究已发表论文2 0 余篇。万方数据靳武刚碳纤维在电磁屏蔽材料的应用2 5 并且还有低辐射线吸收性、非磁性和不磁化、极好的振动阻尼性、抗蠕变和抗疲劳性能以及生物相容性。碳纤维的缺点是脆性、耐磨性及压缩性能较差。典型碳纤维的性能见表2。碳纤维在应用中多作为增强材料而利用其优良的力学性能，因此使用中更多地是按力学性能分类。按照制造条件其纤维结构分为碳纤维(炭化温度8 0 0 16 0 0)、石墨纤维(炭化温度20 0 0 3O o o)。碳纤维的微晶取向度和结晶度愈高，其导热系数愈大，电阻率愈小。因此高模量纤维的电阻率小。表1 各种相关材料的电阻率n m材料名称电阻率材料名称电阻率银(1 5 9 1 6 2)1 0 _ 6P P1 0 1 6 以上铜(1 5 9 1 6 2)1 06P E1 0 1 6 以上铜粉1 1 0 一4氯乙烯l o“以上铝(2 6 6 2 7 5)1 0 _ 6尼龙6 61 0“铁(1 0 2 0)1 06聚苯乙烯1 0”咀上钢(2 4 4 1 3 3 0)1 06浆碳酸酯(2 5)1 06环氧树脂1 0 1 0 i 6碳纤维(1 5 3，o)1 03酚醛树脂1 0 7 1 0“石墨纤维(5 8)1 0 _ 4苯胺树脂1 0“1 0”碳黑2 o o 1-1硅树脂l o”以上石墨粉3 o 0 1注：(1)粒径为2 5 p m；(z)粒径为O 0 5 O 1 0 肛1；(3)粒径为2 0 2 5“m。表2典型碳纤维的各种性能”项目T 3 0 0M 4 0将碳纤维与塑料、树脂等材料复合后形成纤维增强树脂基复合材料是一种具有电磁屏蔽功能的材料。随碳纤维在生产过程中热处理温度的不同，碳纤维对电磁波的作用表现出的效应不同，经石墨化处理的石墨纤维是电磁波的反射材料，而未经石墨化处理的碳纤维是电磁波的吸收材料。目前电磁屏蔽塑料主要有表面导电型和填充复合型两大类。表面导电型是利用贴金属箔、金属熔融喷涂和非电解电镀等方法使塑料表面获得很薄的导电金属层。表面涂层和表面喷镀已得到广泛应用，但这些导电层经过长年累月的应用易发生剥离和脱层现象 3 。碳纤维增强塑料应用于电磁屏蔽材料主要为填充复合型。填充复合型是在非导电性材料中加入导电填料，按成型工艺可区分为填充型、复合材料型。填充复合型是将导电填料与树脂基体复合为一体形成屏蔽材料。导电填料一般是选用导电性能优良的大尺寸纤维状或片状材料，如金属纤维或碳纤维。与表面导电型屏蔽材料相比，填充复合型具有一次成型的特点，质量可靠，因此也是最具有发展前途的屏蔽材料 4 。特别是碳纤维的加入，不仅会赋予其导电和屏蔽性能，而且将使其力学性能大大提高。碳纤维在屏蔽材料中的应用主要为填充复合型。3 碳纤维增强塑料的应用形式及研究内容31 填充型填充型屏蔽材料由导电填料和合成树脂通过混炼造粒后，用塑料加工工艺，如注射成型、挤出成型或压塑等方法而制成。碳纤维与其他填充材料比较，具有质量轻、混合均匀的优点。碳纤维被短切为几毫米长的短纤维与树脂混合后可加工成薄膜、平板等型材或直接成型屏蔽盒体。表3 为注射成型E M I(电磁干扰)材料的性能比较。一般情况下，碳纤维与导电碳黑、金属粉末等其他填料配合使用“。北京化工大学高分子材料共混改性研究室自1 9 9 3年起，在国内率先开始系统地研究碳纤维共混填充高分子导电材料。研究了聚氯乙烯(P V C)糊树脂与各种碳纤维的导电性能、碳纤维与植物纤维共混制造碳纤维纸电加热材料、碳纤维聚合物电磁屏蔽材料L 6 J。其中，碳纤维长度为3 n n，填充质量分数1 0，P V C 树脂糊的电磁屏蔽性能几乎接近铜箔的效果网。为了增加纤维的导电性能，还可在碳纤维表面镀金属。高艳秋等人的研究表明 8，镀镍碳纤维也有很好的导电性能，体积电阻率可达到1 0“n c m，镀镍碳纤维树脂基复合材料的屏蔽效果在1 0 8 H z 时高达7 0 d B 以上”。将质量分数1 5 镀镍碳纤维与尼龙、聚碳酸(P C)以及改性聚苯乙烯(P s)等塑料复合制成的屏蔽材料，不仅屏蔽效果好(可达4 4 d B)，而且具有优良的耐老化性能，在6 0 和相对 万方数据-Z 6 现代塑料加工应用第1 6 卷第1 期湿度为9 0 的条件下，经20 0 0 h 耐久试验，其导电性能基本稳定。它的缺点是成本较高，而且对塑料的增强效果不明显 4 。美国氰胺公司采用直径为7 o 胂，镀层厚为o 5 p m 的镀镍石墨纤维作为填料，在A B S 塑料中的质量分数为4 0 时，所制得的塑料具有很好的屏蔽效果(在1 G H z 时可达8 0 d B)。镀镍石墨纤维不仅导电性能好，不生锈，而且还能提高塑料的机械强度“J。表3 注射成型E M l 材料的性雠”填充材料性能纯树脂不锈钢碳纤维电镀玻璃铝粉(未填充)纤维2 5“纤维2 5 3 0“注：测试频率10 0 0 M H z。32 复合材料型复合材料型是指用较长纤维或连续长的碳纤维增强塑料或合成树脂，采用复合材料的成型工艺方式，如片状膜塑料(s M C)、预浸料铺层等方法制造屏蔽塑料壳体。复合材料的特点是材料与制品同时完成，优点是可以是连续长纤维，力学性能优良。由于连续长纤维碳纤维在先进复合材料结构中的广泛应用，对该类复合材料的吸波、隐身、导电、屏蔽等电性能研究也较为深入。碳纤维复合材料是雷达波的反射体，特别是在低频下与金属一样反射电磁波。表4 为碳纤维复合材料的一些电磁参数试验结果(表4 中e 为相为介质常数，t 9 8。介质损耗角正切，s-，电磁波垂直热射的散射参量，s。，平行热射散射参量，R L 电磁波反射率)。1 5 M H z 1 2 G H z 频率内，在特定方向上碳纤维复合材料对电场的屏蔽效果与铝合金相近口“。研究表明，长碳纤维的铺层方向与电磁场夹角不同，表现出不同的电磁特性，随着夹角的增大，反射减小，吸收增加“。有人深入研究了石墨纤维环氧树脂对电磁波的作用特性 1“，建立了描述连续纤维增强树脂基复合材料与电磁波作用的一个模型，并用数值方法计算了反射率、透射率、总的吸收能量以及吸收能量在复合材料中的分布，计算机运算结果与实验测定数据有较好的吻合。石墨纤维增强环氧复合材料对电磁波的反射率不仅与铺层数有关，而且强烈地依赖于纤维的取向和入射波的极化方向。在入射波电场强度方向平行于纤维的取向时，出现自适应极化特征，复合材料对电磁波几乎是全反射的。而在垂直于纤维方向极化时，复合材料对电磁波具有良好的吸收效果。如果在复合材料的多层铺排结构中的第2 层角度发生变化，同样对电磁波的作用效应会产生较大的变化。表4硪纤维复台材料的电磁特性”3注：测试方法为空间反射标定法s M c 加人短切碳纤维可以提高导电能力和改善力学性能。如果在制造S M C 过程中加入碳纤维栅网，电阻率显著下降，屏蔽效果十分明显。具有碳纤维栅网的s M c，工艺性能优良，可压制成形状复杂的壳罩。碳纤维毡是一种三维结构织物，具有近似的各向同性。文献 1”将三维网络结构的碳纤维毡镀镍后浸渍树脂制成复合材料，对其独特的电磁特性及网络结构作了分析，并进行了复合材料屏蔽效果计算和修正。研究表明利用碳毡的孔洞结构，辅上以金属镀层后在较宽的频率范围内对电磁波有良好的屏蔽效率，且不需要很大的填充量。33 结构材料当然，研究碳纤维增强塑料复合材料的初衷就是将其作为力学性能优异的结构材料。碳纤维增强塑料复合材料也可作为壳体的结构材料，再对其进行多种方法的表面导电处理，对其屏蔽、导电性能进行补充和加强，形成类似表面导电型的屏蔽材料。由于碳纤维增强塑料复合材料最早应用在飞机上，航空工业对这方面的研究较多。飞机机身的碳纤维复合材料，早期采用贴导电金属箔、喷涂金属层等方法，效果不好。现在采用了先进的工艺技术，金属喷涂转移法，即先在模具上喷涂金属层，然后再进行复合材料固化成型，金属层脱模后转移到复合材料制 万方数据靳武刚碳纤维在电磁屏蔽材料的应用2 7 品表面。这种工艺制造的金属层结合力高，表面光洁，应用效果很好 8 。复合材料新技术、新材料、新工艺的发展产生了许多新型的多功能材料，如碳纤维超混杂复合材料(s u p e rH y b r i dC o m p o s i t e sL a m i n a t e s)等就是一种具有导电、电磁屏蔽功能的优良结构材料 1“。一般采用金属薄板与碳纤维预浸料交替铺层后热压成型的方式来制造超混杂复合材料。一般表层采用金属、碳纤维为单向。这样既发挥了金属和纤维的各自优点，既有纤维的高强度特点，又能保持良好的外形和金属的耐磨性、耐环境性、导电性和冲击性能。4 结语碳纤维具有较好的导电性能，采用多种应用形式增强塑料后都有较好的电磁屏蔽性能。目前国外电磁屏蔽材料的应用已相当普遍，美、英、日等国除了具有许多商品化的电磁屏蔽用导电涂料外，填充型屏蔽塑料继表层导电型材料之后也进入商业市场，大有后来居上之势。这些国家对碳纤维增强塑料应用于电磁屏蔽材料的研究开发成果丰富，已有少量品种商品化o“。国内对电磁屏蔽材料研究较多集中在填充型屏蔽塑料，其具有成本低，适于大量生产的特点。复合型材料屏蔽效果较高，研究的较为全面深人，在航天航空电子设备中有重要作用。作为结构材料型碳纤维复合材料在飞机上应用较为成熟。作者在某飞机载电子设备屏蔽盒研制中尝试了采用碳纤维增强塑料复合材料，应用表明减重明显，屏蔽效果满意。随着碳纤维成本的逐步降低和新技术的不断发展，碳纤维增强塑料在电磁屏蔽材料中的应用会越来越广泛。参考文献1 贺福，王茂章碳纤维及其复合材料北京：科学出版社1 9 9 5 2 8 92 于翘材料工艺(下)北京：宇航出版杜，1 9 9 3 2 1 93 杜仕国李良春导电聚合物复合材料技术进展玻璃钢复合材料，1 9 9 8，(4)：3 94 杜仕国屏蔽电磁被干扰塑料及其开发方向塑料科技1 9 9 5，(2)：15 师春生，李家俊，马铁军碳纤维填充u)P E 导电复合材料的P T c 性能见：毛天祥中国复台材料学会第十一届年会论文集，合肥：中国科学技术大学出版社，2 0 0 0 4 3 86 陈耀庭，周明义，王国全碳纤维聚合物复合材料的导电性能及电磁屏蔽性能的研究朔料科技，1 9 9 7(6)：47 王国全，曾凡，俞炯碳纤维P V c 糊抗静电复合材料研究塑料科技，1 9 9 5，(6)；9 68 高艳秋，张连锋，邹本翔复合材料的电磁兼容技术见：王玉林第1 2 届全国复合材料学术会议论文集，天津：天津大学出版社，2 0 0 2，1 2 19 高艳秋高电磁兼容复合材料技术研究见：党嘉立第1 0 届全国复合材料学术会议论文集，长沙；湖南科学技术出版社，1 9 9 8 9 8 31 0 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