基于環境噪聲的城市景觀復合材料的屏蔽性能研究*

（廣州科技職業技術大學，廣東廣州 510550）

碳纖維作為一種含碳量高于90% 的無機高性能纖維，同時兼具有碳材料的固有本質特征以及纖維的柔軟可加工性，使得其憑借低密度、高強度和良好的導電性等而在機電、航空航天、船舶等領域有著廣泛應用[1]。隨著現代化城市景觀、工業多靈敏繼電器和無線電變壓器等部件要求的提高，如何避免在噪聲影響因素下提升碳纖維及其復合材料的電磁屏蔽性能成為了廣大科研工作者共同關注的課題，這方面的技術難題的解決將極大促進碳纖維及其復合材料在屏蔽材料等領域的應用[2-3]。在噪聲環境復雜性和多樣性的背景下，開發出具有高電磁屏蔽性能的碳纖維復合材料具有重要的現實意義，本文采用傳統電鍍工藝在碳纖維表面沉積Fe-Ni 合金，然后將其與ABS 樹脂復合制備碳纖維復合材料，研究了不同碳纖維復合材料的顯微形貌和電磁屏蔽性能，結果有助于城市景觀碳纖維復合材料的開發與應用。

1 材料與方法

以T300 型碳纖維為原料，直徑約8μm，拉伸強度3540MPa，楊氏模量203000MPa，含碳量為93.7%，體積電阻率2.35×10-3Ω.cm，密度1.77g/cm3。共采用三種不同方式對原始碳纖維進行表面預處理以去除表面雜質：（1）清洗吹干后進行380℃保溫30min 的氧化處理；（2）分析純丙酮溶液中浸泡20h 后清洗吹干；（3）分析純丙酮溶液中浸泡20h 后，清洗吹干并置于電阻爐中進行380℃保溫30min 的氧化處理。

采用電沉積工藝在碳纖維（CFs）表面制備Fe-Ni合金層，鍍液成分為：88g/L 七水硫酸鐵、98g/L 六水硫酸鎳、30g/L 六水氯化鎳、0.3g/L 無水苯亞磺酸鈉、3g/L鄰磺酰苯甲酰亞胺和45g/L 硼酸，水浴溫度58℃、電鍍時間16min、pH 值約3.5、電流密度0.2A/dm2，電鍍完成后清洗和干燥后即為鍍Fe-Ni 碳纖維（Fe-Ni-CFs）。采用熱壓成型工藝制備鍍Fe-Ni 碳纖維（Fe-Ni-CFs）/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）復合材料，制備過程：將Fe-Ni-CFs/不銹鋼纖維（SSFs）與ABS 按比例置于XSS-300 型轉矩流變儀中進行混合，溫度設定為238℃、轉速為58r/min，混合均勻后在HX-NB138 型熱壓機上進行熱壓成型，溫度218℃、每6MPa 保持6min模式進行加壓，冷卻脫模后即得Fe-Ni-CFs/ABS 復合材料。

采用JSM-6800 型掃描電鏡對碳纖維表面形貌進行觀察；采用奧林巴斯IX83 型光學顯微鏡對碳纖維復合材料進行顯微形貌觀察；采用DT3624 直流低電阻測試儀測試復合材料的表面電阻和體電阻，取3 點的平均值作為結果；參照SJ20524-1995《材料屏蔽效能的測量方法》進行電磁屏蔽性能測試，頻率范圍為30MHz～1200MHz,樣品直徑120mm、厚度2mm。

2 結果與分析

對經過不同預處理的碳纖維進行表面形貌觀察，結果如圖1 所示。

圖1 表面預處理碳纖維的表面形貌Fig.1 Surface morphology of pretreated carbon fibers

對于原始碳纖維，直徑較為均勻，約在8μm，表面較為光滑，未見表面溝槽，這也就說明原始碳纖維的潤濕性較差、表面活性低；經過380 ℃/30min 氧化處理后，碳纖維縱向分布有較多的溝槽，表面較為粗糙，潤濕性有所改善；丙酮20h 浸泡處理后的碳纖維表面也同樣可見縱向分布的溝槽，且溝槽深度與經過380℃/30min 氧化處理后的碳纖維相似；經過丙酮20h浸泡+380℃/30min 氧化處理后的碳纖維表面粗糙度增大，縱向分布的溝槽加深，且溝槽寬度要大于其它3 組纖維試樣，這主要是因為經過復合改性處理后的碳纖維表面引入了C-O、C=O 和COOH 等官能團[4]，碳纖維表面溝槽的存在有利于增加與ABS 的結合力，改善電磁屏蔽性能等[5]。

對原始碳纖維和經過鍍Fe-Ni 的碳纖維的顯微形貌進行觀察，結果如圖2 所示?？梢?，原始碳纖維和經過鍍Fe-Ni 的碳纖維在復合材料中分散都較為均勻，且纖維在復合材料基體中呈現互相搭接而形成了導電網絡結構[6]。經過鍍Fe-Ni 碳纖維表面呈亮白色，而原始碳纖維呈暗灰色，這可能與Fe-Ni-CFs 表面存在Fe-Ni 合金層有關。

圖2 碳纖維和鍍Fe-Ni 碳纖維的光學顯微形貌Fig.2 Optical microscopic morphology of carbon fiber and Fe-Ni coated carbon fiber

圖3 為Fe-Ni-CFs/ABS 復合材料中不同功能化碳纖維條件下的光學顯微組織。在相同的纖維含量下，由于纖維組成不同，Fe-Ni-CFs/ABS 復合材料的顯微組織存在明顯差異，其中，25% 質量分數 Fe-Ni-CFs 在復合材料中的分布更加均勻，而12.5% Fe-Ni-CFs+12.5% 質量分數，SSFs 在復合材料中的分散性相對較差。在相同纖維添加量的條件下，25% Fe-Ni-CFs/ABS 復合材料的電磁屏蔽性能會更好。

圖3 Fe-Ni-CFs/ABS 復合材料的光學顯微組織Fig.3 Optical microstructure of Fe-Ni-CFs/ABS composites

對不同功能化碳纖維的Fe-Ni-CFs/ABS 復合材料的表面電阻和體電阻進行測量[7]，結果見表1。對于25% Fe-Ni-CFs/ABS 復合材料，表面電阻和體電阻分別為5.73Ω 和1.45Ω，而12.5% Fe-Ni-CFs+12.5% SSFs/ABS 復合材料的表面電阻和體電阻分別為10.26Ω 和1.58Ω?？梢姡?5% Fe-Ni-CFs/ABS 復合材料的表面電阻和體電阻都要小于12.5% Fe-Ni-CFs+12.5% SSFs/ABS 復合材料。

表1 碳纖維/ABS 復合材料的表面電阻和體電阻Table 1 Surface and bulk resistances of carbon fiber/ABS composites

對15% CFs+ABS、15% Fe-Ni-CFs+ABS 和25%Fe-Ni-CFs+ABS 復合材料的電磁屏蔽性能進行測試，結果如圖4 所示。可見，三種復合材料在測試頻率范圍內的電磁屏蔽曲線的波動幅度都較小，屏蔽性能都較為穩定；對于15% CFs+ABS 復合材料，相同頻率條件下的屏蔽值都明顯小于15% Fe-Ni-CFs+ABS 和25% Fe-Ni-CFs+ABS 復合材料，可見，在碳纖維表面鍍Fe-Ni 可以改善碳纖維的屏蔽性能，且增加復合材料中 Fe-Ni-CFs的含量，復合材料的屏蔽性能有所增加。在測試頻率范圍內，25% Fe-Ni-CFs+ABS 復合材料的屏蔽值最大可達52dB，明顯高于15% CFs+ABS 和15% Fe-Ni-CFs+ABS復合材料。

圖4 復合材料的電磁屏蔽性能Fig.4 Electromagnetic shielding properties of composites

在纖維添加量相同條件下，25% Fe-Ni-CFs/ABS 復合材料和12.5%Fe-Ni-CFs +12.5%SSFs/ABS 復合材料的電磁屏蔽性能測試結果如圖5 所示。

圖5 相同纖維添加量下不同碳纖維復合材料的電磁屏蔽性能Fig.5 Electromagnetic shielding properties of different carbon fiber composites with the same fiber addition

對比分析可見，在測試頻率范圍內，25% Fe-Ni-CFs/ABS 復合材料的屏蔽值都要高于12.5%Fe-Ni-CFs+12.5%SSFs/ABS 復合材料，這主要與纖維種類以及在復合材料中的分散性有關[8]，此外，由于 Fe-Ni-CFs 的密度要小于SSFs，在復合材料中的導電性會更好，更有利于提升復合材料的電磁屏蔽性能。

3 結論

（1）經過丙酮20h 浸泡+380℃/30min 氧化處理后的碳纖維表面粗糙度增大，縱向分布的溝槽加深，且溝槽寬度要大于其它3 組纖維試樣。

（2）25% Fe-Ni-CFs/ABS 復合材料的表面電阻和體電阻分別為5.73Ω 和1.45Ω，而12.5% Fe-Ni-CFs+12.5%SSFs/ABS 復合材料的表面電阻和體電阻分別為10.26Ω 和1.58Ω。

（3）在測試頻率范圍內，25% Fe-Ni-CFs+ABS 復合材料的屏蔽值最大可達52dB，明顯高于15%CFs+ABS和15% Fe-Ni-CFs+ABS 復合材料；25% Fe-Ni-CFs/ABS 復合材料的屏蔽值都要高于12.5% Fe-Ni-CFs+12.5%SSFs/ABS 復合材料。