基于碳纖維織物的多組分材料的電磁屏蔽性能分析*

顧 昊 蔣佩林 陸思源 趙涵卿 沈嘉麗 徐曉霞 于偉東

東華大學紡織學院，上海 201620

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基于碳纖維織物的多組分材料的電磁屏蔽性能分析*

顧 昊 蔣佩林 陸思源 趙涵卿 沈嘉麗 徐曉霞 于偉東

東華大學紡織學院，上海 201620

以碳纖維織物(碳布)為基體，采用丙酮濃硝酸前處理、導電聚合物表面聚合、導電炭黑涂層表面涂覆等方式制得多組分電磁屏蔽材料。分別測試經過不同方式處理的碳布的電磁屏蔽性能，通過微波遠場散射強度測試，分析多組分碳布電磁屏蔽材料的屏蔽機理。

碳纖維織物，多組分，遠場，散射強度，電磁屏蔽

電磁波作為電子設備信息傳遞的載體，與人們的現代生活密切相關，但電磁波不僅會干擾其他電子設備[1]，還會對人體健康造成一定的危害[2]。碳纖維不僅具有良好的電磁屏蔽性能，而且是一種高性能的增強纖維，其具有明顯的各向異性，以及沿纖維軸向的高強、高模和高介電性[3-4]。故人們常直接將碳纖維作為單一組分加入聚合物基體中或織成織物，前者未能很好地利用碳纖維的各向異性，而后者卻能極好地保留優秀的力學性能和電磁屏蔽性能。本文以碳纖維織物(以下簡稱碳布)為基體，采用多種方法進行表面處理，在保留其原有的高強、高模力學性能和各向異性的同時強化其電磁屏蔽性能，并通過對處理后碳布的微波遠場散射強度的測量分析，驗證各處理后碳布的電磁屏蔽功效。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

水性芳香族聚氨酯S339A，佛山翁開爾有限公司；導電炭黑DEG-1BC，無錫恩旗化工科技有限公司；水性附著力促進劑DN-630，硅烷偶聯劑KH-550，南京道寧化工有限公司；丙酮(AR)，硝酸(AR)，氫氧化鈉(AR)，國藥集團化學試劑有限公司；碳纖維，臺塑集團，規格3K，密度1.8 g/cm3，單絲直徑7.0 μm，由宜興宏宇碳纖維有限公司加工成織物；去離子水，自制。

1.2 試驗設備

SG-5410A型磁力攪拌器，上海碩光電子科技有限公司；JJ-1/1A型機械攪拌器，紹興容納儀器有限公司；安立MG3642A型信號發生器；安立MS2661C型頻譜分析儀；發射天線和接收天線都采用拋物面天線，極化方式采用線性極化，極化方向為水平方向[5]。

1.3 試樣制備

1.3.1 丙酮濃硝酸處理

將碳布剪成15 cm×15 cm的大小，裁剪前先用樹脂在裁剪路線上對碳布進行涂覆，以保證裁剪后得到的碳布樣品不發生脫散。在60 ℃下烘干1 h， 等待樹脂晾干后將試樣浸入丙酮中，靜置1 d，取出后用清水反復沖洗，晾干。將經丙酮處理的試樣放入體積分數為70%的濃硝酸中，冷凝回流，溫度控制在80 ℃，反應5 h[6]。取出試樣后先用大量清水進行沖洗，最后使用質量分數為3%的氫氧化鈉溶液沖洗，直至沖洗后的溶液pH值檢測呈中性。

1.3.2 導電聚合物原位聚合

采用液態化學氧化法在試樣表面聚合導電高聚物。首先將一塊規格為15 cm×15 cm的碳布進行丙酮濃硝酸處理，將試樣放入濃度為0.02 mol/L的十二烷基苯磺酸鈉溶液中，浸漬1 h后取出，自然晾干；再將處理過的試樣放入濃度為0.13 mol/L的FeCl3溶液中，浸漬1 h后取出；將處理過的試樣浸漬于0.5 mol/L的吡咯單體溶液中進行反應，反應時間為12 h，反應溫度為0～5 ℃。待反應結束后，先用無水乙醇對試樣進行漂洗，再用清水反復清洗，直至清洗得到的溶液澄清；再將試樣放入真空干燥箱中進行溫度為60 ℃的低溫干燥，持續時間為4 h。將聚合1～6次的碳布分別進行電磁屏蔽性能的測試。

1.3.3 導電炭黑涂層涂覆

將不同質量的導電炭黑粉末溶于一定量的水中，加入硅烷偶聯劑KH-550和水性附著力促進劑DN-630，用超聲波振蕩器超聲處理30 min，使導電炭黑粉末均勻分散于水中，并與助劑充分混合；然后再加入一定質量的水性聚氨酯，磁力攪拌30 min。 裁剪一塊15 cm×15 cm的碳布，先將其進行丙酮濃硝酸處理，最后使用羊毛刷將上述混合涂料均勻涂覆在處理過的碳布上。采用額定質量涂料進行涂覆后的試樣厚度為3 mm，2層和3層涂料涂覆后試樣的厚度分別為5和7 mm。

1.4 試樣測試

采用自制微波遠場散射強度測試裝置，對經過不同方式處理的碳布進行散射強度的測試。

1.4.1 自制微波遠場散射強度測試裝置

微波吸收材料的反射率測量方法有很多，如弓形法、輻射計測量法、空間樣板移動法和微波分光計測量法，其中最常用的是弓形法。依據我國軍用標準GJB 2038—1994《雷達吸波材料反射率測試方法》，采用102-RAM反射率弓形測試方法[7]，如圖1所示。將發射天線和接收天線對稱地放在圓形軌道上，該平面與吸波材料所在的平面相互垂直，天線應采用線極化天線。電磁波從發射天線發出，發射到材料表面時被反射，其反射信號被接收天線接收，再與不存在試樣時處于同樣位置的接收天線接收到的發射信號進行比較。將發射天線在圓形軌道上移動以改變入射角，同時接收天線也在圓形軌道上進行相應的移動。該方法適用于1 GHz 以上的頻段。

圖1 微波遠場散射強度測試示意圖

1.4.2 微波遠場散射工作頻率的確定

采用弓形法進行微波遠場散射強度測試，按照測試標準，發射天線和接收天線在半徑為r的圓形軌道上分別移動，移動過程中拋物面天線軸線要始終對準平板試樣中心。其中r要滿足：

rmin=D2/λmin

(1)

式中：D——天線口徑面的最大尺寸；

λmin——所測試的最高頻率所對應的波長。

采用掃頻的方式，在1.4～2.0 GHz范圍內，以50 MHz為步長進行測試。測試前將儀器預熱1 h，對試樣采取多次測量取平均值的方式，以提高測量的精確度。

對以不同方式處理的碳布進行微波遠場掃頻測試，結果如圖2所示。

圖2 微波遠場散射強度工作頻率測試

從圖2可以看出，4種碳布在1.4～2.0 GHz范圍內有許多峰值點，其中比較集中的三個頻率點分別為1.5、 1.7及2.0 GHz，其中又以2.0 GHz頻率點4種試樣的電磁屏蔽性能最佳。因此，選擇2.0 GHz 作為微波遠場散射測試的工作頻率。由于本試驗采用的天線口徑面為0.6 m，根據式(1)計算，在頻率為2.0 GHz時，最小圓形軌道半徑為2.4 m。

假設發射天線和接收天線間的耦合效應忽略不計，設發射天線發射電磁波時接收天線所接收到的功率為Pm，發射天線不發射電磁波時接收天線所接收到的功率為Pr，那么，材料的散射強度γ為

γ=Pr/Pm

(2)

用分貝的形式表示為

γ(dB)=10 lg(Pr/Pm)

(3)

若功率P采用單位dBm，則

γ(dB)=Pr-Pm

(4)

2 結果與討論

考慮到在進行測量時采用的是360°圓周的電磁波強度測量，為了能夠更直觀地表示出微波遠場散射強度的分布，采用極坐標圖來表示散射強度。同時，將試樣與發射天線之間的區域稱為反射區，將不處于發射天線和試樣之間的區域稱為透射區。這樣可以從反射區看出試樣對電磁波反射作用的分布情況，從透射區看出試樣對電磁波的屏蔽性能。

經過不同方式處理的碳布的反射區和透射區雷達圖形相對面積(下同)如表1所示。

表1 經過不同方式處理的碳布的反射區和透射區面積

2.1 普通碳布和經丙酮濃硝酸處理碳布的電磁屏蔽性能比較

如圖3所示，普通碳布和經丙酮濃硝酸處理碳布在對電磁波的遠場散射強度上有著明顯不同。首先，從反射區即圖像的上半部分來看，處理后的碳布在面積上明顯小于普通碳布，從3 878.87降低到了2 962.02。即便從特定頻率來看，不僅表現在垂直于織物的方向上，在反射區的180°范圍內試樣對電磁波的反射強度都有了明顯的降低，降幅為0～5 dB。透射區即圖像的下半部分，反映出經丙酮濃硝酸處理碳布的圖形面積近似于未處理的普通碳布，即電磁屏蔽性能近似于普通碳布。而經丙酮濃硝酸處理碳布的反射區和透射區的總面積也從5 333.40降低到了4 457.80。 反射區反射強度的降低可能是因為材料對電磁波的屏蔽能力較差，大部分電磁波都透過材料，或者是材料對電磁波的反射減小、透射不變而產生的吸收增大的結果，由原先的強反射變為部分吸收、部分反射。試驗結果表明，試樣對電磁波的反射降低而透射不變，因此，可以認為試樣對電磁波的吸收性能得到了明顯改善。這是因為經過丙酮濃硝酸處理的碳纖維表面會產生很小的溝壑，這些溝壑按照其大小的不一可能會形成一些小型導電回路，能夠對電磁波起到一定的損耗作用。因此，導致材料對電磁波的反射性能減弱，散射吸收性能明顯增強。

圖3 未處理碳布和經丙酮濃硝酸處理碳布的電磁屏蔽性能比較

2.2 未處理碳布和經聚吡咯處理碳布的電磁屏蔽性能比較

如圖4所示，經丙酮濃硝酸處理后，再經聚吡咯處理的碳布在反射區面積為3 207.91，而只經丙酮濃硝酸處理碳布的反射區面積為2 962.02，表明聚吡咯對電磁波有著較強的反射性能；在透射區，經聚吡咯處理后的試樣和未處理試樣相比，圖形面積從1 495.78上升到了1 641.36，即經過導電聚合物表面聚合后，試樣對電磁波的屏蔽效果降低。但經聚吡咯表面聚合后，反射區和透射區圖形的總面積由4 457.80上升到了4 842.79。分析其原因在于，導電聚合物[8]作為一種新型吸波材料，相比于傳統吸波材料具有諸多優勢，導電聚合物有較高的電導率及介電常數，能有效吸收微波頻段的電磁輻射，其對電磁波的吸收主要是依靠電損耗和介電損耗[9]。導電高聚物在雷達波的作用下，一方面材料被反復極化，分子電偶極子力圖跟上場的振蕩而受到分子摩擦；另一方面由于材料導電率不為零，在材料中形成感應電流而產生焦耳熱，從而使得電磁波能量被耗散。同時，經過聚吡咯表面聚合的碳布中，由于聚吡咯的存在能起到一定的黏結效果，使碳纖維之間的穩定性增強，間隙減小，從而使得試樣具有更好的導電性及更強的電磁波反射性能。而由于經過導電聚合物處理的碳布中存在許多黏結點，碳纖維束之間的交叉、纏結變少，因此碳布的吸收和耗散的電磁屏蔽作用在此時減小，主要表現為電磁波反射。又因為材料的體積減小，且主要表現在厚度方向上，因此試樣對電磁波的反射性能有所增加，電磁波的透射也因此增大。綜上所述，試樣對電磁波的反射作用增強，吸收作用減小，同時，電磁屏蔽性能也出現一定的下降。

圖4 未處理碳布和經聚吡咯處理碳布的電磁屏蔽性能比較

2.3 未處理碳布和經導電炭黑處理碳布的電磁屏蔽性能比較

由圖5可知，經丙酮濃硝酸和導電炭黑處理的碳布在反射區的圖形面積為2 606.19，比只經丙酮濃硝酸處理碳布的2 962.02有了一定的下降，表明經導電炭黑處理的碳布對電磁波有著更小的反射作用；在透射區，經導電炭黑處理的碳布與未處理碳布相比，圖形面積從1 495.78上升到了2 193.87， 表明材料的電磁屏蔽性能較未處理時并沒有得到提升，反而出現了下降。經導電炭黑處理碳布的反射區和透射區總面積從4 457.80 上升到了4 800.06，表明導電炭黑的涂覆并沒有提升材料的吸波性能。這是因為導電炭黑涂層是一種主要依靠導電性來產生電磁屏蔽效果的電磁屏蔽材料，碳系屏蔽涂料具有價格低、密度小、不易沉降、耐腐蝕等一系列優點[10]，但是由于其導電性能較差，只有當含量較大時才能產生導電效果，并且其表面存在大量的極性基團，在基體中分散時存在難分散、易集聚成球等缺點。涂料涂覆在碳布表面后，相當于增加了碳布的厚度，并且由于導電炭黑涂層的導電性能小于碳布的導電性能，因此，試樣對電磁波的反射性能和電磁屏蔽性能都沒有增強，反而下降。

圖5 未處理碳布和經導電炭黑處理碳布的電磁屏蔽性能比較

2.4 未處理碳布和經聚吡咯導電炭黑處理碳布的電磁屏蔽性能比較

從圖6可以看出，在反射區，經丙酮濃硝酸、聚吡咯和導電炭黑處理碳布的圖形面積比只經過丙酮濃硝酸處理的碳布小，面積從2 962.02下降到了2 429.18，即經過丙酮濃硝酸、聚吡咯和導電炭黑處理的碳布對電磁波有著較小的反射作用；在透射區，經過聚吡咯和導電炭黑處理碳布的圖形面積比只經過丙酮濃硝酸處理的碳布大，面積從1 495.78 上升到了1 581.61，即有著稍弱的電磁屏蔽性能。而經過聚吡咯和導電炭黑處理后，反射區和透射區的總面積從4 457.80下降到了4 010.79， 即材料對電磁波的吸收性能有了明顯的提高。造成這個現象的原因可能是因為在經過導電聚合物和導電炭黑處理后，碳布形成了一種組織結構比較緊密的新型集合體，電磁波在多層次材料的內部經過多次反射和折射而造成了一定的損耗。

圖6 未處理碳布和經聚吡咯導電炭黑處理碳布的電磁屏蔽性能比較

2.5 多組分材料的電磁屏蔽機理分析

經過聚吡咯和導電炭黑處理碳布的電磁屏蔽機理見圖7。當電磁波入射到電磁屏蔽材料表面時，由于導電炭黑涂層的阻抗和空氣的阻抗不同，使電磁波一部分進入屏蔽層，一部分被界面反射回空氣介質中，降低了屏蔽材料對電磁波的反射損耗，所以能實現對電磁波的低反射；電磁波在經過最外層的導電炭黑涂層后，透射波會再次接觸到聚合在碳纖維上的聚吡咯涂層，在經過電磁屏蔽性能逐漸增強的三種不同介質之后，電磁波仍然可以透過屏蔽材料繼續在余下的不同介質中傳播。因此，電磁波在屏蔽材料內部會發生4～7次反射和透射。由于導電炭黑和碳纖維都是電阻型吸波材料，且導電聚合物有較高的電導率及介電常數，具有較好的吸波性能，因此，電磁波在屏蔽材料中的多重反射會在電磁場中產生電損耗、磁損耗及介電損耗等消耗電磁波的部分能量，這部分損耗統稱為吸收損耗。當碳纖維的排布方向與入射電場的夾角不確定時，由于反射電場與入射電場不相平行，反射電場會產生一個與入射電場垂直的反射電場分量，從而起到一定的消波作用[11]。同時，多種介質的存在會使電磁波的多重反射路程增加，電磁波的損耗也增加，因而提高了屏蔽材料的吸波性能。剩余部分的電磁波在到達屏蔽材料另一界面時同樣由于材料表層的阻抗匹配層能與電磁波空間波阻抗匹配，使透過屏蔽層的電磁波減少，進一步降低了屏蔽材料對電磁波的反射損耗，從而實現對電磁波的低反射和高吸收。

圖7 經聚吡咯和導電炭黑處理碳布的電磁屏蔽機理示意圖

3 結語

為了研究經過不同方式處理的試樣在試樣所在平面的散射強度分布，制備了不同處理的試樣進行試驗，包括普通碳布，以及經丙酮濃硝酸處理、聚吡咯處理、導電炭黑涂覆、聚吡咯處理再加導電炭黑涂覆的碳布。

自制微波遠場散射強度分布測試臺，在2.0 GHz 頻率下測試了各試樣在平面內圓形軌道上的反射和透射強度，并且通過調整入射電磁波和試樣的夾角來分析試樣的電磁屏蔽機理。

結果表明：在反射區的180°范圍內，經丙酮濃硝酸處理的碳布對電磁波的反射強度明顯降低，降幅為0～5 dB，而對電磁波的透射性能基本不變，對電磁波的吸收性能明顯增強；經聚吡咯表面原位聚合的碳布與未經任何處理的碳布相比，反射性能增強，在透射區表現出電磁屏蔽性能降低；經導電炭黑處理的碳布與未經處理的碳布比較，具有更強的反射性能，同時電磁屏蔽性能也有所下降；經聚吡咯處理及導電炭黑處理的碳布與未經處理的碳布相比，由于具有多層次結構，材料內部具有4～7次的反射和散射，因此，對電磁波的反射性能明顯降低，屏蔽性能略有下降，但對電磁波的吸收性能明顯提高。

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Analysis of the electromagnetic shielding performance of multi-component materials based on the carbon-fiber fabric

GuHao,JiangPeilin,LuSiyuan,ZhaoHanqin,ShenJiali,XuXiaoxia,YuWeidong

College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China

Based on the carbon-fiber fabric, treated by acetone nitric acid pretreatment, conductive polymer surface polymerization and conductive carbon black coating, multi-component electromagnetic shielding materials were prepared. The electromagnetic shielding performances of carbon-fiber fabric samples, treated in different ways, were tested. With the help of electromagnetic shielding performance test and far-field microwave scattering intensity test, the shielding mechanism of multi-component electromagnetic shielding material was analyzed.

carbon-fiber fabric, multi-component, far-field, scattering intensity, electromagnetic shielding

*上海市2013年度市級大學生創新活動計劃項目(201310255017)；2012年度高校科研成果產業化推進工程項目(JHB2012-70)

2015-02-11

顧昊，男，1989年生，在讀碩士研究生，研究方向為碳纖維織物的電磁屏蔽性能

TS101.8

A

1004-7093(2016)02-0039-06