鎳基導(dǎo)電涂料微波反射性能研究

劉海清，田英良,，毛倩瑾，孫詩兵，賈治勇

（1.北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，北京 100124；2.空軍工程設(shè)計研究局，北京 100068）

鎳基導(dǎo)電涂料微波反射性能研究

劉海清1，田英良1,*，毛倩瑾1，孫詩兵1，賈治勇2

（1.北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，北京 100124；2.空軍工程設(shè)計研究局，北京 100068）

以微米鎳粉和丙烯酸乳液為原料制備復(fù)合導(dǎo)電涂料，研究了涂料中鎳粉和水的含量以及涂層厚度對涂膜微波反射率的影響，并分析了涂膜的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，當(dāng)鎳粉含量為40% ～ 50%、水為20% ～ 30%時，所得涂膜中鎳粉分散均勻；當(dāng)涂層厚度為(140 ± 8) μm時，涂膜在頻率為2 ～ 18 GHz范圍內(nèi)的微波反射率最高，達(dá)到鋁板的60% ～ 70%。

導(dǎo)電涂料；微波反射率；反射性能；鎳粉

1 前言

電子、電氣、通訊及信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展給人們帶來了一系列新的問題，主要表現(xiàn)在電磁波輻射帶來的危害：如電磁波干擾、電磁波信息泄密及電磁環(huán)境污染等。這已經(jīng)成為一個越來越嚴(yán)重的問題[1]。我國從20世紀(jì)80年代末期才開始對導(dǎo)電涂料的研究和開發(fā)，其主要用作電磁波屏蔽涂料[2]。經(jīng)歷30年的發(fā)展，相繼開發(fā)出了碳系導(dǎo)電涂料[3]、鎳系導(dǎo)電涂料[4]、銅系導(dǎo)電涂料[5]等多個品種。但是大部分的研究只針對導(dǎo)電涂料的低頻電磁屏蔽性能，而對導(dǎo)電涂料在高頻波段的微波性能很少涉及。本文主要研究鎳基導(dǎo)電涂料在微波厘米波段(2 ～ 18 GHz)對微波的反射性能，主要用作軍用微波強反射涂料。其原理是將鎳粉作為導(dǎo)電填料，加入水性丙烯酸乳液中做成涂料，刷涂于滌綸布表面后測試它在微波厘米波段(2 ～ 18 GHz)的反射率[6]。

2 實驗

2. 1 原料與儀器

水性丙烯酸乳液，北京互益化工廠；導(dǎo)電鎳粉(平均粒徑2 μm)，北京安特普納科貿(mào)有限公司；增韌劑，美國盛創(chuàng)；蒸餾水、成膜劑和導(dǎo)電助劑，自制。

反射率測試系統(tǒng)，由中國運載火箭技術(shù)研究院703所提供。

2. 2 涂料的制備

涂料基礎(chǔ)配方如下：

將丙烯酸乳液按照一定的配比加入蒸餾水中，攪拌20 min后，將導(dǎo)電助劑、成膜劑、增韌劑加入溶液中，最后將鎳粉加入溶液中攪拌均勻。

2. 3 微波反射率的測試

將涂料刷涂于20 cm × 20 cm的滌綸布上，常溫固化后用反射率測試系統(tǒng)測試其微波反射率。該系統(tǒng)的工作方式為掃頻測量，可使測量范圍達(dá)到2 ～ 18 GHz。其裝置如圖1所示。

圖1 反射率測試系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic diagram of reflectivity test system

將發(fā)射天線與接收天線對稱地置于圓弧上，該平面與試樣所在的平面互相垂直。由發(fā)射天線對吸波材料產(chǎn)生激勵，其反射信號被接收天線捕捉到。該系統(tǒng)與弓形法測反射率系統(tǒng)類似，但其最大不同是試樣下面的支架是強吸波材料而不是鋁板。

2. 4 微波反射率的表征

以5 mm厚標(biāo)準(zhǔn)鋁板的微波反射率為基準(zhǔn)，測出反射率后，通過公式(1)計算出反射功率，用涂料的反射功率與標(biāo)準(zhǔn)鋁板的反射功率作比較[7]。

式中P反表示涂料的反射功率，P入表示鋁板的反射功率，R表示用弓形法測試系統(tǒng)測出的涂料的反射率(單位為dB)。

公式(1)由公式 R1=10lg (P1P2)演變而來。其中，P1表示試樣的反射波功率，P2表示試樣的入射波功率，R1表示樣品的反射率。測試時，先把鋁板放在樣板支架上，把鋁板的反射率調(diào)為零，即鋁板的反射功率等于測試系統(tǒng)電磁波的入射功率。然后，再把所測樣品放在樣板支架上測其反射率，測出的反射率即為公式(1)中的R，而公式(1)中的P反P入即為樣品的電磁波反射功率與測試系統(tǒng)的電磁波入射功率之比值。而測試系統(tǒng)的電磁波入射功率又等于鋁板的電磁波反射功率，所以公式(1)中的P反P入即為測試樣品與鋁板的反射功率之比。這樣就把測得的涂料的微波反射率R通過公式(1)轉(zhuǎn)化成為了涂料的反射功率相對于標(biāo)準(zhǔn)鋁板的反射功率的百分比，能夠更直觀的表征涂料的微波反射性能。

3 結(jié)果與討論

3. 1 鎳粉含量對涂料微波反射性能的影響

圖2為不同鎳粉含量的強反射涂料涂膜的頻率?反射率曲線。

圖2 不同鎳粉含量的涂膜的頻率?反射率曲線Figure 2 Frequency vs. reflectivity curves of the coatings with different contents of nickel powder

導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電機(jī)理有摻合性導(dǎo)電高聚物無限網(wǎng)鏈理論和隧道效應(yīng)兩種[2]。由F. Bueche提出的摻合性導(dǎo)電高聚物無限網(wǎng)絡(luò)理論認(rèn)為，在含有金屬微粒的高聚物體系中，當(dāng)金屬微粒的濃度達(dá)到某一臨界值時，體系中的金屬微粒會形成一種導(dǎo)電無限網(wǎng)，載流子可以在其中作自由移動，從而使絕緣體變成半導(dǎo)體或?qū)w。導(dǎo)電網(wǎng)鏈越多，填料粒子分布越均勻，導(dǎo)電性就越高。隧道效應(yīng)是指導(dǎo)電粒子之問的距離小到某一值時，電子在熱振動作用下產(chǎn)生遷移運動，從而形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。由此可知，涂料中鎳粉的含量對涂層的導(dǎo)電性有很大的影響。由圖2可以看出，當(dāng)涂料中鎳粉含量為 20%時，涂料中導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)沒有形成，對微波的反射性能很低；當(dāng)鎳粉的含量達(dá)到 40%以后，涂料形成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，微波反射性能得到很大提高，涂層對微波的反射率達(dá)到鋁板的70%；在鎳粉含量為50%時，由于粒子在基料中已構(gòu)成導(dǎo)電通路的網(wǎng)絡(luò)，鎳粉含量增加并不能使導(dǎo)電通路明顯增多，因此漆膜的微波反射性能提高不明顯。此時，在高頻階段，涂料的反射性能反而有下降的趨勢。這是由于鎳粉含量太高，容易在局部形成沉降所致。因此，兼顧涂料的導(dǎo)電性和較好的涂層性能，并考慮到生產(chǎn)成本，宜選取鎳粉含量在40% ～ 50%的穩(wěn)定區(qū)域。

3. 2 水分含量對涂層反射性能的影響

圖3為涂料中水分含量不同時的頻率–反射率曲線。

圖3 水分含量不同時涂膜的頻率–反射曲線Figure 3 Frequency vs. reflectivity curves of the coatings with various water contents

從圖3可以看出，將水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在20% ～30%之間，涂層的反射性能最好，超過或降低對涂料的反射性能都不利。當(dāng)水含量較低時，涂料較干，導(dǎo)電填料在涂料中不能夠充分分散和濕潤，容易成團(tuán)，而且涂刷性也不好；當(dāng)水含量較高時，由于揮發(fā)量較大，固化時間過長，導(dǎo)致鎳粉易沉降于乳液底部，從而使導(dǎo)電填料中的導(dǎo)電網(wǎng)鏈、粒子間距受到影響，故涂膜反射性能降低。

3. 3 涂層厚度對反射性能的影響

圖4為厚度不同時涂層的頻率反射曲線。

圖4 涂層厚度對反射性能的影響Figure 4 Influence of coating thickness on reflection performance

從圖4可以看出，隨著涂層厚度的增加，其反射性能逐漸升高。當(dāng)厚度達(dá)到(140 ± 8) μm后再增加厚度，涂層反射性能隨厚度的增加反而下降。原因是當(dāng)涂層厚度薄時，其導(dǎo)電網(wǎng)鏈還沒有完全形成或網(wǎng)鏈不完整，因而導(dǎo)電性能比較低；隨著涂層厚度增加，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)基本形成，反射率在高頻時明顯提高；隨著涂層厚度繼續(xù)增加，涂層的表干時間顯著增長，這時由于受金屬微粒的沉降及樹脂浮于涂層表面的影響，涂料的導(dǎo)電性能下降，反射率降低。

3. 4 涂層的表面形貌

鎳涂層的導(dǎo)電性是由于鎳粉微粒在涂層中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)及隧道效應(yīng)所致。如果實際操作工藝不成熟或受到外界條件影響較大，導(dǎo)電涂層會產(chǎn)生各種微觀缺陷，如針孔、沉降以及導(dǎo)電微粒分布不均勻等情況，這會在很大程度上影響導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的完整性和隧道效應(yīng)的實現(xiàn)，導(dǎo)致導(dǎo)電性能降低。而且如果配方設(shè)計不當(dāng)，如涂料中鎳粉含量較高時，鎳粉的分散性能變差，部分鎳粉呈現(xiàn)堆積狀態(tài)，這顯然對導(dǎo)電通道的形成不利。因此，鎳粉在涂料中的分布越均勻，涂層的導(dǎo)電性與微波反射性能就越好。

圖5是所制備的反射涂料涂膜的SEM照片。由此看出，鎳粉在涂層中的分布較均勻。

3. 5 涂膜的物理機(jī)械性能

按配方制備的反射涂料涂膜的物理機(jī)械性能如表1所示。表1表明，涂膜的各項物理機(jī)械性能均達(dá)到國標(biāo)要求。

圖5 微波反射涂膜的SEM照片F(xiàn)igure 5 SEM image of the microwave reflection film

表1 涂膜物理機(jī)械性能測試結(jié)果Table 1 Test result of physicomechanical performance of film

4 結(jié)論

采用微米級的導(dǎo)電鎳粉和水性丙烯酸乳液為原料，制備了水性鎳基導(dǎo)電涂料，用弓形法測試了涂層的微波反射性能。實驗結(jié)果表明，涂層厚度對涂層的微波反射性能有較大的影響，當(dāng)涂層的厚度為(140 ± 8) μm、鎳粉的含量為40% ～ 50%、水的含量為20% ～ 30%時，涂料中鎳粉分布均勻，涂層的微波反射性能最好，能達(dá)到鋁板的60% ～ 70%。該涂料可用作微波強反射涂料。

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Study on microwave reflective property of Ni-based conductive coating //

LIU Hai-qing, TIAN Ying-liang*, MAO Qian-jin, SUN Shi-bing, JIA Zhi-yong

The composite conductive coating was prepared with micron nickel powders and acrylic latex as materials. The influence of the contents of nickel powders and water and coating thickness on the microwave reflection of film was studied. The microstructure of the film was analyzed. The results indicated that the nickel powder disperses uniformly, when nickel powder content is 40%-50% and water 20%-30%. The microwave reflectivity of film is the highest over a frequency range of 2-18 GHz, which reaches 60%-70% of aluminum board, when the film thickness is 140±8 μm.

conductive coating; microwave reflectivity; reflection performance; nickel powder

College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

TQ630.79

A

1004 – 227X (2011) 04 – 0071 – 03

2010–09–14

2010–10–29

教育部重大項目（309008）。

劉海清（1984–），男，江西永新人，在讀碩士研究生，主要從事電磁屏蔽材料和吸波材料研究。

田英良，男，副教授，(E-mail) boli106@126.com。

[ 編輯：韋鳳仙 ]