基于環(huán)境噪聲的城市景觀復(fù)合材料的屏蔽性能研究*

（廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣東廣州 510550）

碳纖維作為一種含碳量高于90% 的無(wú)機(jī)高性能纖維，同時(shí)兼具有碳材料的固有本質(zhì)特征以及纖維的柔軟可加工性，使得其憑借低密度、高強(qiáng)度和良好的導(dǎo)電性等而在機(jī)電、航空航天、船舶等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1]。隨著現(xiàn)代化城市景觀、工業(yè)多靈敏繼電器和無(wú)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(fù)合材料的電磁屏蔽性能成為了廣大科研工作者共同關(guān)注的課題，這方面的技術(shù)難題的解決將極大促進(jìn)碳纖維及其復(fù)合材料在屏蔽材料等領(lǐng)域的應(yīng)用[2-3]。在噪聲環(huán)境復(fù)雜性和多樣性的背景下，開發(fā)出具有高電磁屏蔽性能的碳纖維復(fù)合材料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，本文采用傳統(tǒng)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(fù)合制備碳纖維復(fù)合材料，研究了不同碳纖維復(fù)合材料的顯微形貌和電磁屏蔽性能，結(jié)果有助于城市景觀碳纖維復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用。

1 材料與方法

以T300 型碳纖維為原料，直徑約8μm，拉伸強(qiáng)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(duì)原始碳纖維進(jìn)行表面預(yù)處理以去除表面雜質(zhì)：（1）清洗吹干后進(jìn)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(jìn)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(wú)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(shí)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(fù)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(zhuǎn)矩流變儀中進(jìn)行混合，溫度設(shè)定為238℃、轉(zhuǎn)速為58r/min，混合均勻后在HX-NB138 型熱壓機(jī)上進(jìn)行熱壓成型，溫度218℃、每6MPa 保持6min模式進(jìn)行加壓，冷卻脫模后即得Fe-Ni-CFs/ABS 復(fù)合材料。

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

2 結(jié)果與分析

對(duì)經(jīng)過不同預(yù)處理的碳纖維進(jìn)行表面形貌觀察，結(jié)果如圖1 所示。

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

對(duì)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(rùn)濕性較差、表面活性低；經(jīng)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(rùn)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(jīng)過380℃/30min 氧化處理后的碳纖維相似；經(jīng)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?yàn)榻?jīng)過復(fù)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(tuán)[4]，碳纖維表面溝槽的存在有利于增加與ABS 的結(jié)合力，改善電磁屏蔽性能等[5]。

對(duì)原始碳纖維和經(jīng)過鍍Fe-Ni 的碳纖維的顯微形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2 所示。可見，原始碳纖維和經(jīng)過鍍Fe-Ni 的碳纖維在復(fù)合材料中分散都較為均勻，且纖維在復(fù)合材料基體中呈現(xiàn)互相搭接而形成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6]。經(jīng)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(guān)。

圖2 碳纖維和鍍Fe-Ni 碳纖維的光學(xué)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(fù)合材料中不同功能化碳纖維條件下的光學(xué)顯微組織。在相同的纖維含量下，由于纖維組成不同，F(xiàn)e-Ni-CFs/ABS 復(fù)合材料的顯微組織存在明顯差異，其中，25% 質(zhì)量分?jǐn)?shù) Fe-Ni-CFs 在復(fù)合材料中的分布更加均勻，而12.5% Fe-Ni-CFs+12.5% 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，SSFs 在復(fù)合材料中的分散性相對(duì)較差。在相同纖維添加量的條件下，25% Fe-Ni-CFs/ABS 復(fù)合材料的電磁屏蔽性能會(huì)更好。

圖3 Fe-Ni-CFs/ABS 復(fù)合材料的光學(xué)顯微組織Fig.3 Optical microstructure of Fe-Ni-CFs/ABS composites

對(duì)不同功能化碳纖維的Fe-Ni-CFs/ABS 復(fù)合材料的表面電阻和體電阻進(jìn)行測(cè)量[7]，結(jié)果見表1。對(duì)于25% Fe-Ni-CFs/ABS 復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合材料。

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

對(duì)15% CFs+ABS、15% Fe-Ni-CFs+ABS 和25%Fe-Ni-CFs+ABS 復(fù)合材料的電磁屏蔽性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4 所示?？梢?，三種復(fù)合材料在測(cè)試頻率范圍內(nèi)的電磁屏蔽曲線的波動(dòng)幅度都較小，屏蔽性能都較為穩(wěn)定；對(duì)于15% CFs+ABS 復(fù)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(fù)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(fù)合材料中 Fe-Ni-CFs的含量，復(fù)合材料的屏蔽性能有所增加。在測(cè)試頻率范圍內(nèi)，25% Fe-Ni-CFs+ABS 復(fù)合材料的屏蔽值最大可達(dá)52dB，明顯高于15% CFs+ABS 和15% Fe-Ni-CFs+ABS復(fù)合材料。

圖4 復(fù)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(fù)合材料和12.5%Fe-Ni-CFs +12.5%SSFs/ABS 復(fù)合材料的電磁屏蔽性能測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 相同纖維添加量下不同碳纖維復(fù)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(duì)比分析可見，在測(cè)試頻率范圍內(nèi)，25% Fe-Ni-CFs/ABS 復(fù)合材料的屏蔽值都要高于12.5%Fe-Ni-CFs+12.5%SSFs/ABS 復(fù)合材料，這主要與纖維種類以及在復(fù)合材料中的分散性有關(guān)[8]，此外，由于 Fe-Ni-CFs 的密度要小于SSFs，在復(fù)合材料中的導(dǎo)電性會(huì)更好，更有利于提升復(fù)合材料的電磁屏蔽性能。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)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(fù)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(fù)合材料的表面電阻和體電阻分別為10.26Ω 和1.58Ω。

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