竹炭/環(huán)氧聚酯復(fù)合材料的電磁屏蔽性能研究

陳茂軍，李文珠，倪忠進(jìn)，徐文張武

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 杭州 311300)

竹炭是竹材經(jīng)高溫?zé)峤獾玫降囊环N功能型環(huán)保材料，具有較強(qiáng)的吸附性能，被廣泛應(yīng)用于凈化水質(zhì)、吸附有害氣體和消除異味等領(lǐng)域[1]。而今竹炭新型功能的研究相對(duì)較少，開展這方面的研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。20世紀(jì)90年代開始，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)竹炭及其復(fù)合材料在電磁屏蔽效能領(lǐng)域進(jìn)行探索研究，并取得一定的成果[2-3]。張東升等[4]研究了炭化溫度對(duì)竹炭電磁屏蔽性能的影響。張文標(biāo)等[5]研究了竹炭負(fù)載銅的屏蔽效果，結(jié)果表明在頻率0～3 GHz的范圍，載Cu量為152 mg·g-1時(shí)，電磁屏蔽效能達(dá)到24 dB。井出勇等[6]研究發(fā)現(xiàn)，炭化溫度為1 000～1 400 ℃的竹炭與樹脂合成的3 mm厚復(fù)合材料，在頻率為10～1 000 MHz的電磁屏蔽效果達(dá)50 dB以上。松永一彥等[7]研究發(fā)現(xiàn)，750 ℃以上炭化所得的竹炭，對(duì)頻率4 GHz的電磁波衰減至30 dB。Wu等[8]研究發(fā)現(xiàn)竹炭與聚苯胺復(fù)合材料在頻率2～40 MHz范圍具有優(yōu)良的電磁屏蔽性能，而對(duì)于7.2 GHz、33 GHz的高頻電磁波屏蔽效能分別為8 dB和17 dB。本文主要研究了竹炭/環(huán)氧聚酯復(fù)合材料的導(dǎo)電性及其電磁屏蔽效能，并探索了復(fù)合材料的電磁屏蔽機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 材料和儀器

竹炭采用機(jī)械爐生產(chǎn)，炭化溫度為800～900 ℃，購(gòu)于寧波興達(dá)炭業(yè)有限公司。環(huán)氧聚酯粉末，實(shí)驗(yàn)室自制。實(shí)驗(yàn)中所用的試劑均為分析純，反應(yīng)物溶解、反應(yīng)及過濾等過程所用的水為去離子水。

主要儀器：電子顯微鏡(S-4700/Hitachi,日本)；XRD(XRD-6000/Shimadzu，日本)；PC40B型數(shù)字絕緣電阻測(cè)試儀；屏蔽測(cè)試儀； XLB-D型平板硫化機(jī)；HC-280T2型高速多功能粉碎機(jī)；HY-2調(diào)速多用振蕩器。

1.2 試樣的制備

將塊狀的竹炭置于粉碎機(jī)中，高速粉碎20 min，把粉碎好的竹炭倒入標(biāo)準(zhǔn)篩中，進(jìn)行分類。完成初分類后，再將竹炭倒入標(biāo)準(zhǔn)篩用振蕩器進(jìn)行篩選，震蕩15 min后，獲得用于竹炭測(cè)試分析。

將粉末竹炭與環(huán)氧聚酯按一定質(zhì)量配比，均勻混合，使用平板硫化機(jī)將它們升溫至180 ℃，加載到7 MPa，保持10 min，而后自然冷卻至室溫，卸載后制成直徑為10 cm，厚度為2 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。

1.3 電磁屏蔽的測(cè)定

竹炭/環(huán)氧聚酯復(fù)合材料的屏蔽性能按照中華人民共和國(guó)電子行業(yè)軍用標(biāo)準(zhǔn)(SJ 20524-1995)或者參照美國(guó)的ASTMD 4935-99平面材料電磁屏蔽效能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。將制成的標(biāo)準(zhǔn)試樣放置于DR-SO2屏蔽效能測(cè)試儀測(cè)試平臺(tái)上，使用安捷倫E4402B儀器(美國(guó))，對(duì)竹炭復(fù)合材料在頻率178.5～3 000 MHz內(nèi)進(jìn)行電磁屏蔽效能測(cè)試。

屏蔽效能SE由3部分組成：反射損耗、多重反射和透射損耗，即SE=R+B+A。其中，R為電磁波通過屏蔽體時(shí)在屏蔽材料表面產(chǎn)生的反射損耗(R),B為余下部分射入屏蔽體界面內(nèi)產(chǎn)生的多重反射和透射損耗，而A為屏蔽材料本身的吸波性能對(duì)電磁波產(chǎn)生的吸波損耗[9]。

其中σr為屏蔽材料相對(duì)電導(dǎo)率，f為電磁波頻率，μr為屏蔽材料相對(duì)磁導(dǎo)率，t為屏蔽材料的厚度，δ為電磁波透過材料的深度[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微結(jié)構(gòu)

圖1(a)為竹子經(jīng)過800 ℃炭化后所得的竹炭放大500倍橫截面的SEM圖。由圖1(a)可見竹炭保留了竹子的組織結(jié)構(gòu)，微孔結(jié)構(gòu)組合呈“品”字形。測(cè)量了橫截面100個(gè)微孔直徑，范圍為3.20～31.94 μm，平均孔徑為15.83 μm。圖1(b)為竹炭的縱截面圖，孔壁結(jié)構(gòu)呈膠囊狀，因而，竹炭的孔壁縱向并非完全貫通的。圖1(c)為竹炭經(jīng)過粉碎機(jī)粉碎后放大1 000倍的SEM圖，經(jīng)測(cè)量100個(gè)粉碎后的竹炭顆粒，粉末顆粒的直徑范圍為1.85～15.90 μm，平均粒徑約為6.14 μm。

圖1 竹炭的SEM圖Fig.1 SEM images of bamboo charcoal

圖2 竹炭的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of bamboo charcoal

圖2為粉末竹炭的XRD圖，采用XRD-6000/Shimadzu型X射線衍射儀(Cu Ka，λ=0.1540 56 nm)分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)，工作電壓和電流分別為40 kV和30 mA，掃描速度3.0°/min，掃描范圍5～90°。從圖2中可以看出：粉末竹炭在2θ=26.5°、43.4°和77.5°處存在衍射峰，但衍射峰強(qiáng)度較弱，峰的寬度較寬，表明竹炭部分存在晶化單元，或其細(xì)微結(jié)構(gòu)單元的部分碳原子排列有序。

2.2 竹炭復(fù)合材料的電阻率

將竹炭/環(huán)氧聚酯復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)試樣至于工作臺(tái)上，使用數(shù)字絕緣電阻測(cè)試儀測(cè)試電阻率；采用合適的量程進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)試樣測(cè)試10次，取其平均值。按不同質(zhì)量配比，制備而成的竹炭/環(huán)氧聚酯復(fù)合材料，其電阻率如表1所示。

表1 竹炭/環(huán)氧聚酯復(fù)合材料的電阻率

從表1可以明顯看出：竹炭/環(huán)氧聚酯復(fù)合材料的電阻率變化，粉末竹炭隨環(huán)氧聚酯含量的增加，電阻率相應(yīng)提升。電阻率的增加表明復(fù)合材料的導(dǎo)電性能下降，這與環(huán)氧聚酯材料的物理性能有關(guān)。

2.3 竹炭復(fù)合材料的電磁屏蔽性能

將竹炭與環(huán)氧聚酯按一定的質(zhì)量配比，均勻混合，使用平板硫化機(jī)將其升溫至180 ℃，加載到7 MPa，保持10 min，而后自然冷卻至室溫，卸載后可制成直徑為10 cm，厚度為2 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。制成的標(biāo)準(zhǔn)試樣在178.5～3 000 MHz的電磁頻段進(jìn)行測(cè)試，電磁屏蔽效能測(cè)試結(jié)果，如圖3所示。圖3中 a、b分別為竹炭和環(huán)氧聚酯質(zhì)量比為2∶1、1∶1時(shí)復(fù)合材料的電磁屏蔽效能曲線，其值皆大于21.2 dB，其中頻率在2 257.5 MHz時(shí)曲線a、b的屏蔽效能分別為33.2 dB、35.3 dB，而a曲線的最大的屏蔽效能出現(xiàn)在頻率為2 109 MHz，效能為36.8 dB。

不同質(zhì)量配比的粉末竹炭與環(huán)氧聚酯復(fù)合材料，在2 257.5 MHz頻率下的電磁屏蔽效能，如圖4所示。由圖4可知：環(huán)氧聚酯含量對(duì)竹炭/環(huán)氧聚酯復(fù)合材料的電磁屏蔽效能影響明顯，隨環(huán)氧聚酯的增加，電磁屏蔽效能逐漸減少；當(dāng)竹炭與環(huán)氧聚酯的質(zhì)量比例為2∶1時(shí)，其屏蔽效能達(dá)35.3 dB；當(dāng)兩者的比例為1∶1時(shí)，其最高的屏蔽效能降為33.2 dB。

竹炭/環(huán)氧聚酯復(fù)合材料的屏蔽效能隨環(huán)氧聚酯含量變化而變化，主要是由于復(fù)合材料的電導(dǎo)率的改變。由于環(huán)氧聚酯的電導(dǎo)性能差，復(fù)合材料的電導(dǎo)率因環(huán)氧聚酯含量的增加而下降；電導(dǎo)率的下降導(dǎo)致反射損耗與吸波損耗減少，復(fù)合材料的電磁屏蔽效能也隨之降低。

圖3 竹炭/環(huán)氧聚酯復(fù)合材料的電磁屏蔽曲線Fig.3 Electromagnetic shielding performance of bamboo charcoal/epoxy polyester composite

圖4 不同質(zhì)量比的竹炭與環(huán)氧聚酯電磁屏蔽曲線Fig.4 Electromagnetic shielding curve of bamboo charcoal/epoxy polyester composite with different mass ratios

3 結(jié)論

炭化溫度為800 ℃的竹炭，橫截面的微孔直徑為3.20～31.94 μm，平均孔徑為15.83 μm；粉碎后所用的粉末竹炭平均粒徑約為6.14 μm。

竹炭與環(huán)氧聚酯質(zhì)量比分別為1∶1和2∶1的復(fù)合材料，在頻率178.5～3 000 MHz，其對(duì)電磁波的屏蔽效能皆大于21.2 dB，最高達(dá)36.8 dB。

竹炭/環(huán)氧聚酯復(fù)合材料的導(dǎo)電性能因環(huán)氧聚酯含量的增加而下降；電導(dǎo)率的下降導(dǎo)致復(fù)合材料對(duì)電磁波的反射損耗與吸波損耗性能降低。