不同復合沉積方式制備導電海綿的研究

戴冰潔，陳紅輝, ，陳立新，吳一帆，喻鵬,*

（1.湖南農業大學化學與材料科學學院，湖南 長沙 410128；2.湖南中鋰新材料有限公司，湖南 常德 415001）

隨著高科技電子產品的普及使用，對人類身體健康產生損害的電磁輻射也隨之出現，國內外大量研究者開始認識到這一點并廣泛研究如何降低甚至避免電磁輻射對人體健康的影響[1-3]。其中，具有可以大幅降低材料密度，賦予材料良好彈性、抗疲勞性、隔熱性等性能的多孔材料[4-5]由于還具有壓阻特性和可調諧的電磁屏蔽性能[6]，受到了廣大研究人員的青睞。設計能高效屏蔽電磁波且兼具多種功能化應用性能(如自清潔[7]、自愈合[8]、阻燃[9]等)的多孔結構材料也成為研究熱點。基于此，本文采用電沉積及化學沉積的方式，在聚氨酯海綿表面復合沉積納米埃洛石管(Al4[Si4O10](OH)8)，重點探討了不同工藝對導電海綿的電磁屏蔽性能及阻燃性能的影響，以期為擴展電磁屏蔽材料的應用提供參考。

1 實驗

1.1 主要原材料及試劑

多孔聚氨酯海綿(50.0 cm × 50.0 cm × 0.1 cm，孔徑50 μm，開孔率95%)由東莞永迪提供，納米埃洛石管(分析純，SiO243%，Al2O335%，粒徑100 nm)購自廣州新稀冶金化工，其他試劑均為市售分析純。

1.2 分析測試

電鍍采用直流電源(20 A/12 V，廣東金順怡)，樣品的表觀形貌由掃描電鏡(JSM-6360LV)表征； 電阻采用四探針儀(ST-2253)測量；電磁屏蔽性能采用矢量網絡分析儀(Agilent-5242A)在頻率1～10 GHz的范圍內測試；阻燃性能采用錐形量熱儀(Stanton Redcroft)測試。

1.3 樣品制備

1.3.1 化學沉積

工藝流程：除油→粗化→還原→敏化→活化→化學鍍。

采用文獻[10]的復合化學鍍工藝，前處理按常規進行，化學鍍工藝參數如下：硫酸鎳28 g/L，次磷酸鈉26 g/L，檸檬酸三鈉6 g/L，納米埃洛石管0.25 g/L，乙酸鈉15 g/L，丁二酸8 g/L，十二烷基苯磺酸鈉0.01 g/L，pH 4.5，溫度85 °C，時間30 min。

1.3.2 電沉積

采用PVD(物理氣相沉積)工藝在真空度1.0 × 10?2Pa、靶功率10 kW的條件下對聚氨酯海綿進行30 min的導電處理。將0.25 g/L納米埃洛石管添加至由180 g/L硫酸鎳、35 g/L氯化鎳和30 g/L硼酸組成的電鍍液中分散。電沉積工藝條件為：pH 4.5，電流密度3.0 A/dm2，時間10 min。

2 結果與討論

2.1 沉積方式對導電海綿鍍層厚度的影響

將不同沉積工藝制備的導電海綿肋條進行剝離，通過掃描電鏡分析晶體尺寸。從圖1可以看出，采用電沉積方式獲得的復合鍍層平均厚度為15.03 μm，化學沉積樣品的復合鍍層平均厚度為10.38 μm：電沉積的沉積效率明顯高于化學沉積。

圖1 不同沉積方式所得導電海綿的鍍層厚度 Figure 1 Thickness of coatings prepared on conductive sponges by different deposition methods

2.2 沉積方式對導電海綿導電性的影響

多孔聚氨酯導電海綿因其三維開孔結構而具有水平導電和垂直導電的全方位導電特性。電導率是電磁屏蔽材料的重要性能，材料的電導率越大，其電磁屏蔽效果越好[11]。通過換算，電阻越小則電磁屏蔽效果越好。將不同沉積方式所得的樣品裁切掉四周邊緣10 cm，沿邊緣按1 cm間距連續測試垂直電阻及水平電阻，結果見圖2。

圖2 不同沉積方式所得導電海綿的導電性 Figure 2 Conductivity of conductive sponges prepared by different deposition methods

可以看出，電沉積和化學沉積樣品的電阻均勻性都較差，但電沉積樣品的電阻明顯低于化學沉積樣品。因為納米埃洛石管為無機非金屬物質，在電解質中隨著鎳離子在聚氨酯海綿表面無規則隨機沉積，形成無規則的鎳包覆納米埃洛石管的復合層，因此表面鎳層沉積的均勻性也較差。

2.3 沉積方式對導電海綿電磁屏蔽效能的影響

各種屏蔽材料對外場電磁波的屏蔽效果用屏蔽效能(SE)來定量評價[12]。SE隨材料厚度的增加而顯著增加。這是由于屏蔽材料的厚度增加使得電磁波在其內部的穿透損耗增加，同時電磁波在其內部的多次反射也大大增加，進而令材料對電磁波的吸收損耗增加[13]。

從圖3可以看出，電沉積樣品的電磁屏蔽效能平均為28 dB，而化學沉積樣品平均為20.5 dB，并且電沉積樣品在5～9 GHz中高頻段內屏蔽效能達到峰值。因為通過電沉積工藝得到的金屬復合鍍層不僅比化學沉積鍍層致密，而且鍍層更厚，所以其電磁屏蔽效能更優。

圖3 不同沉積方式所得導電海綿的電磁屏蔽效能 Figure 3 Electromagnetic shielding effectiveness of conductive sponges prepared by different deposition methods

2.4 沉積方式對導電海綿阻燃性能的影響

熱釋放速率(HRR)被認為是測量火災發展和傳播最重要的參數，它提供了火災尺寸的量度，因此HRR也被稱為火強度。HRR或熱釋放峰值(pkHRR)越大，單位時間內反饋給材料表面的熱量越多，材料熱解就會越快，揮發性可燃物生成量越多，火焰的傳播就越快，因此HRR或pkHRR越大，材料在火災中的危險性就越大[14]。

從圖4可以看出，隨著時間的推移，不同沉積方式制備的復合鍍層導電海綿的熱釋放速率均呈線性上升之勢，但在400 s后，電沉積樣品的熱釋放速率開始小于化學沉積樣品，并且隨時間推移而愈發明顯。這說明通過電沉積方式制備的復合鍍層導電海綿具備更優良的阻燃性能。

圖4 不同沉積方式所得導電海綿的阻燃性能 Figure 4 Flame retardancy of conductive sponges prepared by different deposition methods

2.5 沉積方式對導電海綿微觀形貌的影響

通過圖5可以發現：化學沉積樣品表面鍍層松散，分布不均勻，聚氨酯基體未全面覆蓋，而電沉積樣品表面鍍層致密，嚴密包覆聚氨酯基體。致密的鍍層將獲得良好的導電性和電磁屏蔽效能(見圖2和圖3)。

圖5 化學沉積(a)和電沉積(b)所得導電海綿的SEM圖像 Figure 5 SEM images of conductive sponges prepared by electroless deposition (a) and electrodeposition (b)

3 結論

(1) 通過電沉積鎳基納米埃洛石管復合鍍層，獲得了具備優良導電性能、電磁屏蔽性能和阻燃性能的導電海綿。

(2) 電沉積制備的鎳基納米埃洛石管復合鍍層導電海綿的電磁屏蔽性能在5～9 GHz中高頻段內達到峰值。