新型導(dǎo)電纖維填充型電磁屏蔽塑料

張小剛， 張貴恩

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所，山西 太原 030006）

電磁屏蔽塑料是導(dǎo)電塑料在電磁兼容領(lǐng)域的重要應(yīng)用。超細(xì)不銹鋼纖維（SSF）與短切石墨鍍鎳?yán)w維（NCF）是當(dāng)今填充型電磁屏蔽塑料最主要的填充材料［1－2］。與其他填充材料相比，它們具有更優(yōu)異的電磁屏蔽性能與機(jī)械加工性能，并且制備成本低廉，是未來發(fā)展高效、低成本、易加工新型電磁屏蔽塑料的關(guān)鍵原材料［3－6］。目前，國(guó)內(nèi)較為廣泛應(yīng)用的不銹鋼纖維填充型塑料屏蔽體在30MHz～5GHz頻率范圍內(nèi)，屏蔽效能達(dá)80dB以上，可滿足絕大多數(shù)電子、電氣設(shè)備的電磁兼容性要求。中國(guó)電子科技集團(tuán)三十三所研制的短切石墨鍍鎳?yán)w維填充型塑料屏蔽體不但具有優(yōu)良的寬頻段（15kHz～18 GHz）電磁屏蔽性能，而且具有抗EMP毀傷功能，在滿足電磁兼容性要求的前提下還可抗雷擊與脈沖沖擊。近年來，導(dǎo)電纖維填充型電磁屏蔽塑料得到了快速發(fā)展，美國(guó)GE公司、荷蘭DSM公司、美國(guó)CHOMERICS公司等國(guó)外公司已有多種類型與不同用途的產(chǎn)品面世并獲得應(yīng)用［7－8］。

1 導(dǎo)電纖維填充型電磁屏蔽塑料的特點(diǎn)

超細(xì)不銹鋼纖維（SSF）與短切石墨鍍鎳?yán)w維（NCF）填充型電磁屏蔽塑料，在屏蔽電磁波的應(yīng)用上波阻抗較小，反射損耗也較小，制成品的屏蔽體內(nèi)部的纖維立體導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)電導(dǎo)率較高，并有一定的厚度，因此以吸收損耗為主。屏蔽體中的立體導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)使其滲透性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他常用屏蔽材料。鋁合金與鎂合金等傳統(tǒng)材料，由于其自身的電導(dǎo)率高而具有較強(qiáng)的反射作用，滲透性很小。而該電磁屏蔽塑料具有的高滲透性，使其在較寬的頻段下都可以通過增強(qiáng)吸收來提高屏效。與表面涂層材料相比，該電磁屏蔽塑料可以提供相同的電導(dǎo)率，且反射損耗接近。但作為結(jié)構(gòu)件，塑料屏蔽體自身具有一定厚度，因此滲透性強(qiáng)，吸收損耗明顯高于表面涂層材料。表面涂層材料的一大缺點(diǎn)是，涂層與被涂件的熱膨脹系數(shù)不同，隨著溫度的變化涂層易發(fā)生脫落現(xiàn)象。

使用普通功能的塑料注塑的零件，還需要進(jìn)行二次屏蔽層電鍍或噴漆工序。而使用導(dǎo)電纖維填充型電磁屏蔽塑料一次注塑的零件，本身即具有電磁屏蔽功能。綜合成本比較，經(jīng)過二次工序的零件直接成本低，還可以避免電鍍和噴漆過程中引起的涂鍍層材料損失和加工缺陷等。

導(dǎo)電纖維填充型電磁屏蔽塑料以高性能熱塑性塑料為基材，采用高強(qiáng)超細(xì)不銹鋼纖維與短切石墨鍍鎳?yán)w維作為填料，經(jīng)過96h的鹽霧曝光，電性能和屏蔽性能不發(fā)生任何變化，具有非常強(qiáng)的耐惡劣環(huán)境性能。

導(dǎo)電纖維在塑料中的體積分?jǐn)?shù)很低，只占到3%左右，對(duì)產(chǎn)品改性（增強(qiáng)、阻燃、增韌等）無影響，其密度僅為鋁的1／2，并且對(duì)基體材料本身性能影響遠(yuǎn)比其他材料小，零件具有良好的拉伸彎曲性能與耐機(jī)械沖擊性能，是金屬零件的優(yōu)良替代品。

2 導(dǎo)電纖維填充型電磁屏蔽塑料的組成

導(dǎo)電纖維填充型電磁屏蔽塑料由電絕緣性較好的合成樹脂和具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的導(dǎo)電導(dǎo)磁纖維填料及其他添加劑所組成，經(jīng)注塑成型加工方法制備成各種電磁屏蔽復(fù)合材料和制品。常用的合成樹脂有PE、PS、PC、ABS、PA、PBT、PET、PPO、PPS和高性能熱塑性塑料合金等。導(dǎo)電填料主要選用超細(xì)不銹鋼纖維（SSF）與短切石墨鍍鎳?yán)w維（NCF）。SSF與NCF都是新型的導(dǎo)電纖維材料。SSF具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和加工性能，最突出的性能是不易產(chǎn)生表面氧化，因而無需進(jìn)行繁雜的去氧化層和表面防護(hù)處理；NCF除具有SSF的一系列優(yōu)點(diǎn)外，在低頻磁場(chǎng)與脈沖環(huán)境中也具備優(yōu)異的屏蔽性能。

目前，SSF填充型電磁屏蔽塑料約占65%的市場(chǎng)份額，主要應(yīng)用在家用電子、電器產(chǎn)品、通訊儀器、安全防爆產(chǎn)品、信息傳遞與安全、抗靜電、石油化工等領(lǐng)域；NCF填充型電磁屏蔽塑料約占30%的市場(chǎng)份額，主要應(yīng)用于便攜式電子儀器、通訊器材、醫(yī)療器械、軍工、航天航空等領(lǐng)域；其他品種約占5%的市場(chǎng)份額。

3 研究進(jìn)展

3.1 現(xiàn)有產(chǎn)品性能

SSF填充型電磁屏蔽塑料不僅可以滿足導(dǎo)電、屏蔽、便于使用的需求，而且不銹鋼纖維是由高耐腐蝕性不銹鋼原料制成，可在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的導(dǎo)電率，成型過程中不會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電層脫落現(xiàn)象而影響器件的屏蔽效能。制品的性能指標(biāo)見表1。

與其他導(dǎo)電纖維相比，NCF具有較高的導(dǎo)磁性能，能滿足復(fù)合塑料在寬頻段下的優(yōu)異電磁屏蔽性能。石墨具有極高的導(dǎo)熱性能，因此，NCF在屏蔽體中的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以極快地將熱量傳導(dǎo)出去，即能將屏蔽體受到雷電、強(qiáng)脈沖等毀傷性攻擊后產(chǎn)生的大量破壞性熱能迅速傳導(dǎo)至外界，不但不會(huì)破壞屏蔽體本身的導(dǎo)電導(dǎo)磁性能，而且可保護(hù)屏蔽體內(nèi)的電子元器件免受脈沖攻擊。測(cè)試結(jié)果表明，中電三十三所研發(fā)的NCF填充PC型電磁屏蔽塑料可承受S、C波段下90kV／m場(chǎng)強(qiáng)的高功率微波沖擊。制品的綜合性能指標(biāo)見表2。

表1 SSF填充PC綜合性能測(cè)試表

表2 NCF填充PC綜合性能測(cè)試表

3.2 影響因素

3.2.1 導(dǎo)電纖維的長(zhǎng)徑比

SSF與NCF能夠提供長(zhǎng)程導(dǎo)電通道，減少添加量。長(zhǎng)徑比是關(guān)鍵影響因素之一。根據(jù)“滲流理論”原理，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成是復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)屏蔽功能的前提條件。導(dǎo)電纖維的長(zhǎng)徑比越大，越有利于導(dǎo)電纖維彼此之間的搭接，形成導(dǎo)電通道。SSF與NCF具有比較大的長(zhǎng)徑比，在相同纖維含量下，隨著纖維長(zhǎng)徑比的增大，復(fù)合材料的導(dǎo)電性隨之增加。研究發(fā)現(xiàn)，SSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%時(shí)達(dá)到閾值，NCF質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%時(shí)達(dá)到閾值。此時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能下降極為嚴(yán)重。

導(dǎo)電纖維摻雜熱塑性塑料在混煉、成型過程中容易發(fā)生纏繞、折斷和切短等問題。因此，要根據(jù)材料的性能要求設(shè)計(jì)合理的長(zhǎng)徑比參數(shù)。

3.2.2 表面改性處理

由于SSF、NCF與熱塑性塑料基體的表面性能差異較大，纖維不容易在基體中分散均勻，所以，如何改善金屬纖維的表面性能并優(yōu)化復(fù)合工藝成為制備熱塑性導(dǎo)電塑料材料的關(guān)鍵。理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，通過使用偶聯(lián)劑處理纖維，可以使纖維與樹脂實(shí)現(xiàn)良好的界面黏結(jié)。利用表面處理劑進(jìn)行“濕潤(rùn)”表面改性可明顯改善纖維與基體的“濕潤(rùn)”狀態(tài)，并使纖維復(fù)合體系的流動(dòng)性明顯提高。若“濕潤(rùn)”不好，則會(huì)在兩相界面上留下空隙而產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，使復(fù)合材料強(qiáng)度明顯下降。對(duì)纖維濕潤(rùn)的大小通常用接觸角來表示，接觸角小，則表示液相與固相表面具有良好的接觸和潤(rùn)濕。表面處理劑在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)為：一端為親聚合物，與聚合物基體親合；另一端為親水性基團(tuán)，與纖維表面作用。當(dāng)在表面形成分子處理劑即單分子層時(shí)，接觸角降至最?。粷舛仍僭龃?，反而破壞了這種單分子層的規(guī)整排列而導(dǎo)致接觸角增大。在纖維用量相同的情況下，纖維經(jīng)表面處理后，復(fù)合材料的電導(dǎo)率會(huì)下降1個(gè)～3個(gè)數(shù)量級(jí)，但缺口沖擊強(qiáng)度卻得到提高，可增加30%～35%，起到了顯著改性效果。原因是：1）處理劑增加了纖維在基體樹脂中分散的均勻性；2）處理劑在纖維和樹脂間形成了一層膜狀界面層，起到了分散和釋放沖擊能的緩沖作用。

3.2.3 成型工藝參數(shù)

SSF與NCF填充熱塑性復(fù)合材料的成型主要是通過注塑工藝實(shí)現(xiàn)的。為了確保導(dǎo)電纖維在復(fù)合材料中分散的均勻性，需要制備導(dǎo)電纖維與熱塑性塑料的復(fù)合粒料。首先，在纖維表面包覆一層熱塑性樹脂，冷卻后通過切粒機(jī)取得粒徑均勻的復(fù)合導(dǎo)電粒料；然后，通過注塑工藝實(shí)現(xiàn)一次成型。

注塑加工條件對(duì)材料的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和物理性能影響較大，主要影響因素如下：

1）溫度。熔融料溫度高，則復(fù)合材料流動(dòng)性增大，可迅速充滿型腔。但溫度過高，容易燒毀導(dǎo)電纖維，降低導(dǎo)電性。所以，要根據(jù)復(fù)合導(dǎo)電纖維粒料的不同來確定最佳溫度。

2）壓力。注塑壓力增大，則熔融料受剪切作用大，流動(dòng)性也增大。但剪切作用過大，易導(dǎo)致纖維斷裂，影響立體搭接效果。所以，成型時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)注塑壓力來控制流動(dòng)性。

3）模具結(jié)構(gòu)，澆注系統(tǒng)的形式、尺寸、布置，冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，熔融料流動(dòng)阻力（如型面光潔度，料道截面厚度，型腔形狀，排氣系統(tǒng)）等因素都直接影響到熔融料在型腔內(nèi)的實(shí)際流動(dòng)性。凡促使熔融料降低溫度、增加流動(dòng)性阻力的，流動(dòng)性則降低。模具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)所用塑料的流動(dòng)性選用合理的結(jié)構(gòu)。成型時(shí)也可通過控制料溫、模溫、注塑壓力、注塑速度等因素來適當(dāng)調(diào)節(jié)填充情況，以滿足成型需要。

4 結(jié)語

SSF、NCF填充型電磁屏蔽塑料在未來很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)將是電子設(shè)備屏蔽殼體的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。隨著各種新型特種樹脂的成功制備，對(duì)各種極端環(huán)境下應(yīng)用的電磁屏蔽塑料殼體的應(yīng)用需求將變得更為現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，隨著加工技術(shù)的不斷更新與完善，特別是加工設(shè)備的不斷創(chuàng)新和提高，電磁屏蔽塑料將會(huì)在更高水平上滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用要求，這將從根本上改變我國(guó)電磁屏蔽塑料研究與開發(fā)滯后于國(guó)外先進(jìn)水平的現(xiàn)狀，進(jìn)一步擴(kuò)大電磁屏蔽塑料材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

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