不同碳纖維集合體材料電磁屏蔽性能的實驗研究

吳瑜，周勝，陳毅

(1.東華大學，上海201620;2.揚州職業(yè)大學，江蘇揚州225009)

電磁波向空中發(fā)射或泄露的現(xiàn)象稱為電磁輻射[1]，它已成為繼水、空氣、噪聲之后的第四大環(huán)境污染[2]。大量的調(diào)查和試驗結(jié)果表明，電磁輻射除了干擾廣播、電視、通訊等設(shè)備的正常工作之外，較強的電磁輻射更會直接危害人體的健康[3]。對電磁輻射的有效防護手段之一是采用電磁屏蔽材料對電磁波進行屏蔽，碳纖維由于具有密度小、強度高、化學穩(wěn)定性好和導電性能良好等優(yōu)點，已成為電磁屏蔽材料和吸波材料研究的熱點[4－7]。本文選取碳長絲束平行排列復合片、碳長絲束織物和短切碳長絲束復合材料三種不同類型碳纖維集合體，測試其在0.05～2.0GHz內(nèi)的電磁波屏蔽效能并研究其影響因素。

1 實驗材料及測試方法

1.1 實驗材料

試驗采用200tex/3000F的碳長絲束，由南通森友碳纖維有限公司提供。實測單絲的平均直徑7.65μm，密度為1.44g·cm－3，電阻率為4.4×10－2Ω·m，碳長絲束的線電阻為1.57Ω·cm－1。試驗材料為碳長絲束平行排列復合片、碳長絲束織物和短切碳長絲束復合材料。

1.1.1 碳長絲束平行排列復合片

試樣的制備方法是將碳纖維長絲束伸直、平行地以一定間隔地固定放置在發(fā)泡聚氯乙烯薄片(簡稱發(fā)泡PVC片)使之成平行排列狀。

碳長絲束平行排列復合片由碳長絲束和高聚物PVC發(fā)泡片組成，發(fā)泡PVC片的尺寸為300mm×300mm×1.66mm，柔軟有彈性，類似于織物。碳長絲束的行間距為d，試樣編號與結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。由于發(fā)泡PVC片對電磁輻射的吸收或屏蔽效能極小，可忽略[8，9]。

表1 各試樣編號及結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1.2 碳長絲織物

碳長絲織物的織造在半自動小樣機上完成，經(jīng)緯紗均采用經(jīng)適當預處理的碳長絲紗;碳長絲針織物的織造在針織手動橫機上完成，同樣是采用經(jīng)過適當預處理的碳長絲紗作為原料。

碳長絲束織物尺寸均為300mm×300mm，碳長絲束機織物與針織物的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 織物試樣編號及結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1.3 短切碳長絲束復合材料

將碳長絲束剪成一定長度的短切碳長絲束，以環(huán)氧樹脂為基體，聚酰胺為固化劑，制備出不同長度短切碳長絲束復合材料。

1.2 測試方法

儀器設(shè)備主要由電磁波信號發(fā)生器、自建測試臺、頻譜分析儀和計算機組成，其連接配置見圖1。

圖1 測試系統(tǒng)構(gòu)成

測試樣品放在發(fā)射天線與接收探頭之間，通過頻譜分析儀讀取衰減分貝值。本研究測定的指標為屏蔽效率SE，ASTM D4935平面材料電磁波屏蔽效能標準測試方法[10]所定義。依據(jù)國家電子行業(yè)軍用標準《SJ 20524-1995材料屏蔽效能的測量方法》的規(guī)定進行[11]。采用掃頻方式進行測試，測量范圍為0.05～2GHz，掃描間隔帶寬為0.01GHz。測量采取:

式中，p1為測試臺中不放置材料時頻譜分析儀讀數(shù)(dBm);p2為測試臺中放置紡織材料時頻譜分析儀讀數(shù)(dBm);P1為測試臺中不放置材料時的分析儀的接收功率;P2是測試臺中放置紡織材料時的分析儀的接收功率。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 碳長絲束平行排列對電磁波屏蔽效能影響

碳長絲束以平行的方式分別以10mm、5mm和2mm為間距排列在厚度為H的PVC發(fā)泡片上作為P1、P2、P3試樣，測試結(jié)果見圖2。

圖2 平行排列各間距屏蔽效能對比

從圖中看到，在0.05～0.6GHz頻率范圍內(nèi)，復合片的屏蔽曲線變化趨勢相同，并隨著間距的減小，即碳纖維質(zhì)量的增加，屏蔽效能峰值依次增大，顯然是因為碳纖維含量的增加，在入射電磁波的作用下，纖維表面產(chǎn)生更多的趨膚電流[12]，從而通過歐姆損耗將電磁波能量轉(zhuǎn)化為更多熱能而消耗掉[13];在0.6～1.4GHz頻率范圍內(nèi)各曲線吸波效果均較差，但也有間距減小，吸波曲線上抬的趨勢;在1.7～2.0GHz里P1和P2因為峰的出現(xiàn)而優(yōu)于間距最小的P3試樣。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是因為頻率選擇效應[14]，對每一個試樣而言，一束纖維與另一束纖維之間是等距的，相對于電磁波在微波頻段內(nèi)的波長，它必然只對應著一個頻率，在這個頻率下，電磁波的相位相消達到最大值，反射衰減程度最大，而對其他頻率的作用則明顯減小，從而顯示出一定的頻率選擇性[15]。某一間距對應一個可以產(chǎn)生最大反射衰減的頻率，對于不同的頻率，能使相位相消產(chǎn)生最大值的間距d也有所不同。

2.2 碳長絲織物

對不同密度的碳長絲束平紋機織物與平紋針織物，分別測試其屏蔽效能，測試結(jié)果見圖3。

圖3 不同密度碳長絲束織物屏蔽效能對比

從圖3中可發(fā)現(xiàn)，當密度增大時，碳長絲束針織物和機織物的屏蔽效能均增大。其原因在于，當密度增大時，碳纖維含量增加，長絲與長絲間的聯(lián)系緊密，因纖維表面趨膚電流而產(chǎn)生的渦流損耗增加[16]，通過漫反射而損失的電磁波增加，故隨著密度的增大，碳長絲織物的屏蔽效能在整體上呈上升趨勢。

分別比較機織物與針織物在不同頻率下的屏蔽效果發(fā)現(xiàn)，在0.05～1.0GHz范圍內(nèi)，針織物的屏蔽效果遠不如機織物，原因在于，機織物為長絲經(jīng)緯交織，長絲與長絲間孔隙小，而針織物為線圈穿套而成，織物孔隙要大于機織物，故會透射大量的電磁波，故屏蔽效能會低于機織物;在1.4～2.0GH針織物的屏蔽效能呈線性上升趨勢且優(yōu)于機織物，其原因在于機織物長絲與長絲之間聯(lián)系緊密，從而使其導電具有連續(xù)性，在高頻電場下，纖維表面產(chǎn)生趨膚電流進面使整個織物平面形成強反射體，反射掉大部分電磁波。

2.3 短切碳長絲束復合材料

試驗所制短切碳長絲束復合材料尺寸為300mm×300mm×4mm，研究選定碳纖維含量最佳比為0.7%，制得的短切長度分別為2mm、6mm、10mm的復合材料的屏蔽效能測試結(jié)果見圖4。

圖4 不同長度短切碳長絲束復合材料屏蔽效能對比

從圖中發(fā)現(xiàn)，3種長度的碳長絲束復合材料在所測頻率范圍內(nèi)的屏蔽效能曲線形狀一致，在0.4GHz和1.9GHz處有明顯的峰值。試樣整體屏蔽效能由高到低對應的碳長絲束長度依次為10mm、2mm、6mm。這是因為短切碳纖維作為偶極子在電磁場的作用下會產(chǎn)生極化耗散電流，在周圍基體作用下，耗散電流被衰減，從而使電磁波能量轉(zhuǎn)換為其它形式的能量[17]。短切碳纖維在復合材料中分布不均勻時，各諧振子之間成為相對獨立的電偶極子[18]，各偶極對電磁波吸收疊加結(jié)果使得屏蔽效能加強，并且一定含量短切碳纖維復合材料，必定存在一個長度最佳值，使其屏蔽效果最佳。

2.4 綜合分析

試驗選取的三種類型的碳纖維集合體材料分別為碳長絲束平行排列復合片、碳長絲束織物和短切碳長絲束復合材料，試樣尺寸均為300mm×300mm，厚度有所不同。就整體屏蔽效果而言，在所測頻率范圍內(nèi)，碳長絲束平行排列復合片在不同頻段內(nèi)的屏蔽效能值差異最大，碳長絲束織物次之，短切碳長絲束復合材料曲線最為平緩。這是因為，碳長絲束平行排列是有規(guī)律地定向排列，頻率選擇效應明顯，故存在一個或幾個使得屏蔽效能最佳的頻率值，而在其它頻率處屏蔽效果差;就峰值而言，碳長絲束平行排列復合片間距為2mm的P3試樣在0.4GHz處達到19.15dB，碳長絲束機織物密度較大的2#試樣在1.1GHz處達到18.01dB，針織物密度較大的2#試樣在2.0GHz處達到24.33dB，短切碳長絲復合材料長度為10mm的試樣在2.0GHz達到14.33dB?？梢姸糖刑奸L絲束復合材料的屏蔽效能值雖然在所測試頻段整體差異小，但是值過低;碳長絲束平行排列復合片在所測試頻率兩端屏蔽效果優(yōu)異;碳長絲束機織物在所測試頻率中段和后段屏蔽效果較好，針織物在后段屏蔽效果優(yōu)異。

3 結(jié)論

本文選取三種類型的碳纖維集合體材料，即碳長絲束平行排列復合片、碳長束織物和短切碳長絲束復合材料作為研究對象，測試其在0.05～2.0GHz內(nèi)的屏蔽效能，分析其對電磁波的衰減機理，得出如下結(jié)論。

(1)短切碳長絲束的長度對復合材料的屏蔽效能影響較大，碳長絲束長度為10mm的試樣屏蔽效果最佳，2mm次之，6mm最差。不同長度的短切碳長絲束復合材料在所測頻率范圍內(nèi)的屏蔽效能值較其它類型試樣差異最小，但是屏蔽效能值不高，同針織物密度較大的2#試樣在2.0GHz處達到24.33dB相比，短切碳長絲束長度為10mm的試樣在2.0GHz處的峰值僅為14.33dB。

(2)碳長絲束束間距對碳長絲束平行排列復合片的屏蔽效能影響較大，間距越小，屏蔽效能峰值越高，間距為2mm的P3試樣在所測頻率范圍兩端屏蔽效果優(yōu)異，峰值均超過17dB，在中端屏蔽效果很差，這是由于規(guī)律定向排列的碳長絲束的頻率選擇效應導致的。

(3)密度對碳長絲束織物的屏蔽效能影響較大，密度越大，屏蔽效能值越高。碳長絲束機織物在所測頻率范圍內(nèi)屏蔽效果差異較大，在0.05～1.1GHz內(nèi)的屏蔽效能較針織物好;碳長絲束針織物在所測頻率范圍內(nèi)屏蔽效能呈整體上升趨勢，在1.1～2.0GHz內(nèi)的屏蔽效能平均值為17.03dB，屏蔽效果優(yōu)異。

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