碳纖維添加碳泡沫的電磁屏蔽效能及力學性能研究

羅 霞 俞科靜 錢 坤

（江南大學生態(tài)紡織教育部重點實驗室，無錫 214122）

0 引言

最早研究和使用的典型電磁屏蔽材料主要是塊體金屬材料，但其結構質量大且耐腐蝕性差制約了它的應用，近年來，泡沫型電磁屏蔽材料得到了大家的廣泛關注［1－2］。碳泡沫是一種由無定型碳或石墨組成的具有三維網狀結構的輕質多孔材料，表現出較高的化學穩(wěn)定性、孔隙率，較大的比表面積、導電率，較低的導熱率，較強的結構強度。有研究表明碳泡沫作為一種新型的電磁屏蔽材料具有質量輕、吸收頻帶寬、強度較高的特點［3－4］。碳纖維作為一種強度高質量輕，導電性能優(yōu)良的高性能纖維，作為填料使用時，既可以賦予材料特殊的電磁屏蔽特性，還可以提高材料的力學性能［5－6］。 因此，本研究選擇酚醛樹脂為前軀體，利用碳纖維為填充材料，制備出電磁屏蔽效能及力學性能優(yōu)異的復合材料，以期滿足更高的要求。

1 實驗

1.1 原料

碳纖維，長度3 mm，直徑7 μm，鹽城市愛麗維纖維制品有限公司；可發(fā)性酚醛樹脂，蘇州美克思科技發(fā)展有限公司；Tween80，分析純，阿拉丁試劑有限公司；正戊烷、硅油：化學純，國藥集團化學試劑有限公司；苯酚磺酸，化學純，南京大唐化工有限責任公司。

1.2 儀器與設備

電熱鼓風干燥箱，W1A–4S型，南京沃環(huán)科技實業(yè)有限公司；萬能材料試驗機，3385H型，美國Instron公司；掃描電子顯微鏡（SEM），SU1510型，日本Hitachi公司；管式爐，GSL1600X，合肥科晶材料技術有限公司；矢量網絡分析儀，M5242A，安捷倫科技有限公司。

1.3 碳纖維／酚醛樹脂的制備

碳纖維于丙酮溶液中浸泡12 h，去除表面的雜質后烘干，再以1wt%、3wt%、5wt%的比例加入酚醛樹脂中，以3 000 r／min的速度攪拌均勻，再加入苯酚磺酸、正戊烷、Tween80和硅油，攪拌均勻后，放入模具中75℃發(fā)泡2 h制備出碳纖維改性的酚醛泡沫，各種原料的用量為酚醛樹脂100 g、苯酚磺酸7 g、正戊烷5 g、Tween80 2 g、硅油 1 g。

1.4 碳纖維／酚醛樹脂基碳泡沫的制備

將制備好的碳纖維／酚醛泡沫于丙酮溶液中浸泡24 h，去除殘留的正戊烷，Tween80和硅油等雜質。再將樣品烘干后放入馬弗爐中，在氮氣的氛圍下高溫碳化，以5℃／min的速率加熱到300℃，保持20 min，再以2℃／min的速率加熱至500℃，保持2h。得到碳化后的碳纖維添加酚醛樹脂基碳泡沫。

1.5 測試方法

（1）微觀形貌，使用日本日立公司SU 1510型掃描電子顯微鏡觀察泡孔的分布、孔徑、閉合情況等，探究碳纖維對泡沫基體的形貌影響。

（2）電磁屏蔽性能分析，使用安捷倫M5242A矢量網絡分析儀對碳泡沫的電磁屏蔽效能進行測試，探究碳纖維的含量對碳泡沫的電磁屏蔽效能的影響規(guī)律。

（3）壓縮性能分析，使用根據ASTM D1621—2010標準，使用萬能材料試驗機對碳纖維／酚醛樹脂基碳泡沫進行壓縮性能測試，壓縮速率為0.5 mm／min，試樣尺寸為 50.8 mm×50.8 mm×25.4 mm。

（4）彎曲性能分析，根據GB／T8812.1—2007， 使用萬能材料試驗機對試樣進行彎曲性能測試，試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm，測試速率為2 mm／min。

2 結果分析

2.1 碳纖維／酚醛樹脂基碳泡沫的泡孔結構

圖1為純酚醛泡沫的泡孔結構圖。

圖1 泡沫基體的泡孔結構圖Fig.1 Images of the cell structure of the foam matrix

純泡沫的泡孔分布不均勻，泡孔直徑在200～300μm 范圍內，平均孔徑為210 μm，1wt%、3wt%、5wt%碳纖維改性酚醛泡沫的平均泡孔直徑分別為180、150和165 μm。隨著碳纖維的加入，泡孔直徑呈先下降后上升的趨勢。由分布圖可以看出，當碳纖維含量為3wt%時，泡孔分布均勻，形狀呈圓形，當碳纖維含量為5wt%時，泡孔分布變得不均勻，有極大與極小泡孔存在。產生這一現象的原因是，當纖維含量較少時，纖維可以基體中起異相成核的作用，減小泡孔形成所需要的自由能，促使形成小而均勻的泡孔。隨著纖維含量的增加，過量的纖維在樹脂基體中無法均勻分散。纖維在基體中纏結、團聚，對泡孔產生擠壓致使部分泡孔形狀不均勻，局部泡孔直徑變大。同時纖維的纏結導致部分區(qū)域樹脂含量減少，體系發(fā)泡不良，泡孔結構變差［7］。

圖2 泡沫基體的孔徑分布圖Fig.2 Images of the cell size distribution of the foam matrix

圖3 為碳纖維／碳泡沫泡孔結構示意圖，可以看出一根碳纖維可以貫穿若干個泡孔，使得原本單一的泡孔結構在碳纖維的軸向形成一個整體的結構。在纖維受力破壞時，泡孔壁先與纖維脫膠分離，而后較薄弱的泡孔壁再破裂，對泡沫基體的力學性能產生積極的影響。

圖3 泡孔截面圖 300×Fig.3 Cell cross section of 300 times

2.2 電磁屏蔽效能分析

按照Schelkunoff電磁屏蔽理論，屏蔽效果（Shiel?ding Effectiveness，SE）是電磁波能量的吸收損耗（SEA）、內部反射損耗（SEM）與表面的反射損耗（SER）的和。一般用屏蔽效能來定量評價屏蔽體的性能，表示為空間某點上未加屏蔽時的電場強E0（或磁場強度H0）與加屏蔽后該點的電場強度E1（或磁場強度H1）的比值，即：

式中，ur為材料的相對于真空的磁導率，σr為材料相對于理想銅的電導率，f為電磁波的頻率；t為屏蔽層厚度。

圖4（a）為厚度為5 mm的不同樣品在8～12 GHz范圍內的電磁屏蔽曲線。純碳泡沫的電磁屏蔽效能約為18 dB，這是由于酚醛樹脂經過高溫碳化后，表面的小分子被去除，剩余的碳骨架結構具有較高的導電性，從而表現出一定的電磁屏蔽效能。隨著碳纖維含量的增加，碳泡沫的電磁屏蔽效能逐漸增加，1wt%、3wt%、5wt%碳纖維改性碳泡沫的總電磁屏蔽性能分別達到23、31 和35 dB。 根據滲流效應（Percolation theary），向復合材料中加入導電填料，當填料的含量達到一定值時，導電填料能夠在基體中形成有效的導電網絡，導電網絡越多，材料的導電性能越好。向基體中加入碳纖維后，碳纖維在基體中形成導電網絡，使碳泡沫的電導率σr提高，從而使復合材料與空氣界面之間的阻抗不匹配特性及材料本身的損耗特性提高，進而提高了碳泡沫的電磁屏蔽效能。

圖4顯示了不同的碳泡沫樣品在9 GHz時的SE，SEA和SER，可看出SE和SEA隨著碳纖維含量的增加表現出逐漸增加的趨勢，而SER基本保持不變。可見在碳泡沫的電磁屏蔽過程當中，吸收損耗占主導作用。

圖4 碳泡沫樣品的電磁屏蔽效能Fig.4 EMI SE of the carbon foams

2.3 壓縮性能分析

不同含量碳纖維對碳泡沫壓縮性能的影響見圖4。未添加碳纖維的碳泡沫的壓縮強度和模量分別是2.75和9.10 MPa；碳纖維含量為3wt%時，壓縮強度和模量分別為4.41 和13.41 MPa，比純泡沫提高了60