電磁屏蔽與導熱性能協同優化復合材料的互聯網仿真與實驗研究

隨著電子設備的廣泛應用，電磁干擾問題日益嚴重，同時設備的小型化和高性能化對導熱性能提出了更高要求。為此研究兼具電磁屏蔽與導熱性能的復合材料具有重要意義。本文旨在探討復合材料在實現電磁屏蔽與導熱性能協同優化方面的應用，為解決電子設備在高性能與環保方面的挑戰提供理論依據和技術支持。

一、研究內容與方法

（一）研究內容

本研究主要涉及電磁屏蔽與導熱性能協同優化復合材料的制備、仿真分析與實驗驗證。具體包括復合材料的設計與制備，互聯網仿真模型的建立與性能分析，以及復合材料的電磁屏蔽和導熱性能測試。旨在通過材料優化，實現兩種性能的協同提升。

（二）研究方法

研究采用互聯網仿真與實驗研究相結合的方法。利用專業仿真軟件進行材料設計與性能預測；通過實驗制備復合材料，并對其電磁屏蔽和導熱性能進行測試；對比仿真與實驗結果，優化材料配方和制備工藝，以達到預期的性能目標。

二、復合材料設計與互聯網仿真

（一）材料選擇與設計

1.基體材料選擇

基體材料的選擇至關重要，因為它不僅需要提供機械支撐，還要與填充材料相容，以保持復合材料的整體性能。選擇熱固性樹脂和熱塑性聚合物作為候選基體材料，因為它們具有良好的加工性、耐熱性和化學穩定性[]。具體來說，環氧樹脂和聚酰亞胺（PI）因其優異的粘接性和耐熱性而被考慮作為基體材料。

2.填充材料選擇

填充材料的選擇對于電磁屏蔽和導熱性能至關重要。金屬粉末，如銅粉末、銀粉末和鋁粉末，具有優異的導電性和導熱性，能夠有效提升材料的電磁屏蔽效果，同時改善導熱性能。碳基材料如石墨烯、碳納米管和碳纖維，具有輕質、高導電性和高導熱性，且能夠增強復合材料的整體性能，適合在輕量化設計中使用。

3.材料配比設計

材料配比設計是復合材料制備的關鍵步驟，它決定了復合材料的最終性能。采用以下步驟來設計材料配比：① 確定填充材料的類型和形態，以及基體材料的種類。② 通過實驗和仿真相結合的方法，確定填充材料的體積分數或質量分數。設計不同比例的填充物（ 5 % 、 10 % 、1 5 % ），以找到最佳的電磁屏蔽與導熱性能平衡點[2]。③ 考慮到加工過程中的分散均勻性和復合材料的機械性能，對填充材料的預處理和混合工藝進行了優化。 ④ 通過一系列的實驗，評估不同配比下復合材料的電磁屏蔽效率和導熱系數，以確定最佳配比。

（二）互聯網仿真模型建立

1.仿真軟件選擇

針對本研究的需求，選擇了ANSYS電磁仿真軟件（ANSYSElectromagnetic Suite） 和 ANSYSFluent熱流體仿真軟件。ANSYS電磁仿真軟件提供了HFSS和Maxwell等模塊，適用于電磁場仿真；而ANSYSFluent則用于熱傳導和流體動力學的仿真分析[]。

2.仿真模型構建

（1）幾何模型建立：使用ANSYSDesignModeler創建復合材料的幾何模型，包括基體和填充材料的形狀、尺寸和分布。假設復合材料為均勻分布的層狀結構，每層材料的厚度和比例根據實驗設計確定。

（2）電磁模型：在HFSS中，設置電磁波頻率范圍為1GHz至 1 0 G H z ，以覆蓋常見的電磁干擾頻段。模型包括一個發射天線和一個接收天線，以及位于它們之間的復合材料樣品。

（3）熱模型：在ANSYSFluent中，建立與電磁模型相對應的幾何結構，設置熱源和邊界條件，模擬材料在特定熱負荷下的熱響應。

3.仿真參數設置

仿真參數設置如表1所示。

（三）電磁屏蔽性能仿真

1.電磁屏蔽機理

電磁屏蔽是指利用導電或導磁材料阻擋電磁波傳播的一種技術。其機理主要包括三個方面。

反射損耗（RL）：當電磁波遇到屏蔽材料表面時，一部分能量被反射回去，反射損耗與材料的導電性、介電常數，以及入射波的頻率和角度有關。

吸收損耗（AL）：電磁波進入屏蔽材料內部，由于材料內部的導電性或導磁性，電磁波能量被轉化為熱能，從而實現能量的吸收。

多次反射損耗（MR）：在屏蔽材料內部，電磁波會在不同界面之間發生多次反射，每次反射都會有一部分能量被吸收，最終使得電磁波能量衰減。

2.仿真分析方法

在仿真分析中，重點關注復合材料的屏蔽效能（SE），它是衡量電磁屏蔽性能的關鍵指標，計算公式為 ，其中， 是入射電場強度， 是透射電場強度[4]。

3.仿真結果

仿真分析表明，隨著填充材料導電性的提高，復合材料的屏蔽效能增強，尤其在高頻區域。銅粉末和石墨烯填充的復合材料表現出較高的屏蔽效能，而屏蔽效能在不同頻率下有所差異。當銅粉末的體積分數為 10 % 時，屏蔽效能提升最顯著，但繼續增加比例效果減弱。石墨烯在低填充量下就能提供較高的屏蔽效能，即使在 5 % 體積分數下也表現出良好的屏蔽效果。

（四）導熱性能仿真

1.導熱機理

導熱性能的機理涉及熱能如何在材料內部傳遞。在復合材料中，導熱主要通過以下三種方式實現。

電子導熱：在金屬填充材料中，自由電子的運動是主要的導熱機制。電子在材料內部的運動和碰撞傳遞熱能。

聲子導熱：在非金屬填充材料和基體材料中，熱能通過聲子（材料晶格振動的量子）的傳遞來實現。聲子導熱依賴于材料的晶格結構和溫度。

界面導熱：復合材料中的界面熱傳導性能對整體熱

導率有顯著影響。界面熱阻越小，熱傳導效率越高。

2.仿真分析方法

分析填充材料對復合材料熱導率的影響，比較不同填充比例下的熱導率變化；研究填充材料的形狀和分布對熱傳導性能的影響，探討如何通過改變填充材料的形態來優化熱導率；評估界面熱阻對整體熱導率的影響，探索降低界面熱阻的方法；分析復合材料在不同溫度下的熱導率變化，了解材料的熱穩定性。

3.仿真結果

仿真分析顯示，填充材料的導電性對復合材料熱導率有顯著影響，尤其在高頻區域。銅粉末和石墨烯填充的復合材料展現出高熱導率。不同頻率下，熱導率受電子和聲子導熱的影響而有所不同。當銅粉末體積分數為 1 5 % 時，熱導率提升最明顯，但繼續增加填充比例，則熱導率提升效果減弱。石墨烯在低填充量下就能提供良好熱導率，這得益于其二維結構和優異的導電性能。

三、實驗研究與分析

（一）實驗材料與設備

1.實驗材料

本實驗選用了環氧樹脂和聚酰亞胺（PI）作為基體材料。環氧樹脂具有優異的黏結性和加工性，適用于多種復合材料的制作；聚酰亞胺（PI）則因其出色的耐熱性，特別適合在高溫環境下應用。填充材料方面，銅粉末被選中因其卓越的導電性，能夠有效提高復合材料的電磁屏蔽能力。石墨烯、碳納米管和碳纖維均具有優良的導電性和導熱性，且石墨烯和碳納米管的輕質特性有助于增強復合材料的整體性能。

2.實驗設備

實驗使用了多種設備以確保復合材料的制備與性能測試達到預期效果。材料混合設備包括攪拌機和研磨機，用于將基體材料與填充材料充分混合。成型設備如壓機和熱壓機，用于將混合物壓制成所需形狀。性能測試設備如電磁屏蔽測試儀、熱導率測試儀和熱流測試儀等。

（二）復合材料制備

混合：在制備復合材料的過程中，首先將基體材料和填充材料按預定的比例混合[5]。

成型：將混合好的材料倒入模具中，通過加熱或加壓的方式使其成型。

固化：在成型之后，基體材料需要經過固化處理。

（三）電磁屏蔽性能測試與分析

電磁屏蔽性能測試的結果與分析，通過評估屏蔽效能（SE）、屏蔽材料厚度和測試頻率范圍等關鍵指標，能夠全面了解復合材料的電磁屏蔽性能。測試結果顯示銅粉末填充的復合材料在 10 % 體積分數下表現出最佳屏蔽效能，提示填充材料體積分數對屏蔽效能具有顯著影響。

（四）導熱性能測試與分析

導熱性能測試的結果與分析，涵蓋了熱導率測試、測試溫度范圍和熱流測試等關鍵指標。測試結果表明，銅粉末填充的復合材料在 1 5 % 體積分數下展現出最佳熱導率，表明填充材料的體積分數對熱導率具有顯著影響。通過優化體積分數，可以實現最佳的導熱性能。

（五）電磁屏蔽與導熱性能協同優化分析

1.材料配比優化

在材料選擇和配比設計方面，通過仿真和實驗相結合的方法，對基體材料和填充材料的配比進行優化。選取具有高導電性和高熱導率的銅粉末、石墨烯等填充材料，并通過調整其體積分數，找到最佳的電磁屏蔽與導熱性能平衡點。實驗結果顯示，當銅粉末體積分數為10 % 時，復合材料的屏蔽效能和熱導率都達到了最佳。

2.制備工藝優化

在復合材料的制備過程中，優化混合、成型和固化等工藝參數，通過調整混合設備的轉速、成型設備的溫度和壓力，以及固化過程中的溫度和時間，能夠提高填充材料的分散均勻性，確保復合材料具有穩定的性能。

四、結束語

本文選擇了環氧樹脂和聚酰亞胺作為基體材料，以及銅粉末、石墨烯、碳納米管和碳纖維作為填充材料，通過優化材料配比和制備工藝，制備了具有良好電磁屏蔽和導熱性能的復合材料。實驗結果顯示，當銅粉末體積分數為 10 % 時，復合材料的屏蔽效能和熱導率都達到了最佳。制備工藝的優化提高了填充材料的分散均勻性，確保了復合材料具有穩定的性能。仿真分析結果顯示，銅粉末和石墨烯填充的復合材料在 1 0 % 體積分數下屏蔽效能最佳，而在 1 5 % 體積分數下熱導率最佳，通過實驗研究和仿真分析，材料配比優化是實現電磁屏蔽與導熱性能協同優化的關鍵；制備工藝優化對于確保復合材料的穩定的性能至關重要；仿真分析與實驗研究相結合的方法可以有效地預測和驗證復合材料的性能。

作者單位：倪濤深圳市利群聯發科技有限公司

參考文獻

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[5]劉偉，賈琨，谷建宇，等 . A g / 石墨烯復合薄膜的制備及其導熱和電磁屏蔽性能研究[J].材料導報，2022，（09）：36.