低反射抗沖擊電磁屏蔽復(fù)合材料的制備與性能研究*

景少帥，何培優(yōu)，張鵬程，楊雅琦

(中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030051)

隨著5G時代的到來和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品不僅受到了越來越多的電磁輻射還會遭受到外界的沖擊，嚴(yán)重降低了附近精密設(shè)備的性能以及電子設(shè)備的使用壽命［1-3］。當(dāng)前，具有抗沖擊的電磁屏蔽材料主要是由纖維布、增強(qiáng)體、導(dǎo)電粒子制備而成［4-7］。

制備電磁屏蔽的連續(xù)纖維布主要包括碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等［8-11］。碳纖維強(qiáng)度高、電導(dǎo)率高，可以滿足電磁屏蔽可靠的屏蔽效能的同時還具有一定的抗沖擊性，因而被廣泛應(yīng)用于電磁屏蔽領(lǐng)域。然而，碳纖維具有高的電導(dǎo)率，使其與電磁波具有嚴(yán)重的阻抗不匹配，導(dǎo)致了電磁波的反射，造成了二次污染。通過負(fù)載導(dǎo)電粒子（鐵、鈷等［12］）改變碳纖維表面結(jié)構(gòu)，降低其反射。然而對碳纖維表面的改性會降低材料的力學(xué)性能導(dǎo)致碳纖維布抗沖擊性能下降，進(jìn)而限制了其應(yīng)用。目前，具有優(yōu)異的抗沖擊性能的結(jié)構(gòu)是夾芯結(jié)構(gòu)［13-14］，可以改變材料的能量耗散方式，提高材料的抗沖擊性，且這種夾芯結(jié)構(gòu)對于電磁調(diào)控帶來了更多的利用之處，可通過填充夾芯層提升材料的電磁屏蔽效率。

STG是一種聚硅氧烷的硅氧骨架中的一些硅原子被硼原子取代而得到的一種聚硼硅氧烷［15］。自然狀態(tài)下，STG處于黏性流，彈性模量較低；受到較高應(yīng)變率的應(yīng)力刺激時，儲能模量、黏度等急劇提升，STG轉(zhuǎn)變到橡膠高彈態(tài)和玻璃態(tài)；一旦應(yīng)力卸載，STG又會迅速恢復(fù)到初始粘流態(tài)。在加載卸載過程中，STG內(nèi)部產(chǎn)生的微裂紋和高分子鏈的解纏結(jié)吸收了大量的能量［16-17］。STG由于其良好的剪切增稠作用使之很容易通過機(jī)械混合與其他材料復(fù)合。STG既可以作為增強(qiáng)材料，實(shí)現(xiàn)材料的補(bǔ)強(qiáng)，又可以作為基體材料引入其他納米填料引入新的功能［18-20］。

為了制備出具有低反射抗沖擊電磁屏蔽材料，本文以CB/STG填充的芳綸蜂窩為夾芯層，超高分子量聚乙烯纖維板為上蒙皮，碳纖維板為下蒙皮，利用環(huán)氧粘接的方法制備了CB/STG蜂窩夾芯板。研究了CB/STG蜂窩板的屏蔽性能和抗沖擊性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

表1 實(shí)驗(yàn)所用原料Table 1 Raw materials used in the experiment

1.2 設(shè)備與儀器

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器Table 2 Experimental equipment and instruments

1.3 試樣制備

1.3.1 STG的制備

將一定量的硼酸于160℃加熱2h得到焦硼酸，然后將焦硼酸、二甲基硅油和乙醇按15：81：4的質(zhì)量比混合，于240℃反應(yīng)5h，冷卻得到STG，將STG與BPO按25：1的質(zhì)量比在開煉機(jī)上混合均勻，然后于80℃進(jìn)一步交聯(lián)。

1.3.2 CB/STG芳綸蜂窩板的制備

通過加壓灌注的方式制備CB/STG蜂窩夾芯層。將一定量的CB/STG填料，放置于10cm×10cm的正方形模具中，加壓固定形狀，然后將壓制成型的CB/STG填料放置在10cm×10cm的芳綸蜂窩板之上，利用CB/STG的流動性，加壓將CB/STG混合填料灌注到蜂窩夾芯中。1.3.3 CB/STG蜂窩夾芯板復(fù)合材料的制備

按照超高分子量聚乙烯纖維蒙皮、CB/STG蜂窩夾芯層和碳纖維蒙皮自上而下的順序堆疊熱壓成型。上下蒙皮通過熱壓成型的方法制備而成：通過手糊成型的方法將環(huán)氧樹脂刷涂在纖維布表面，然后于80℃、15MPa下熱壓4h，自然冷卻后得到上下蒙皮。最后在90℃、6MPa下熱壓4h，利用環(huán)氧樹脂將上下蒙皮與CB/STG夾芯層粘接在一起。中間的CB/STG夾芯層作為變量，并記為X-CB/STG，X為CB在STG中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如1%-CB/STG，指復(fù)合材料中間的夾芯層為1% CB含量的CB/STG夾芯板。

1.4 性能測試

SEM測試：對CB/STG噴金處理后使用SEM進(jìn)行測試。

流變儀測試：頻率0.1~100 Hz, 溫度25℃, 應(yīng)變?yōu)?.1%。

屏蔽性能測試：使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用波導(dǎo)法測試屏蔽效能，范圍8.2~12.4 GHz

抗沖擊性能測試：測試時選取超高分子量聚乙烯纖維布為受沖擊面，測試條件：高度為1.4m，錘頭直徑為10mm，錘頭重量為10.5kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 CB/STG形貌分析

由圖1可知， CB可以在STG中均勻分散，這有利于CB填料在基體中搭建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，減少CB填料的使用。可以看到，隨著CB在STG中的含量增加，暴露在STG表面的CB越來越多，構(gòu)建的導(dǎo)電通路更加完善，能夠有效地反射和衰減電磁波。

圖1 不同CB/ATG的SEM圖像Fig.1 SEM images of CB/STG

2.2 CB/STG的流變性能分析

為了探究不同含量的CB剪切增稠效應(yīng)，對CB/STG的流變性能進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同CB含量的CB/STG 儲能模量-頻率(a)和損耗模量-頻率(b)曲線Fig.2 Energy-frequency (a) and loss mode-frequency (b) curves of CB/STG with different CB contents

由圖2(a)可知，不同CB含量CB/STG的儲能模量均隨著頻率的增大而增大。在頻率為0.1Hz時，純STG的儲能模量為560.5Pa，10%CB/STG的儲能模量為87270Pa，增加了2個數(shù)量級，當(dāng)頻率升到100Hz時，純STG的儲能模量為785790Pa，10%CB/STG的儲能模量為1429800Pa，是純STG的2倍。由圖2(b)可以看出，不同CB含量CB/STG的損耗模量均隨著頻率先增大后減小。這是因?yàn)樵诘皖l率下,CB/STG還是保持粘性形變。隨著頻率的增加，材料發(fā)生了性狀的轉(zhuǎn)變，在1~2 Hz范圍內(nèi)，材料的損耗模量達(dá)到了最大值。在100Hz時，純STG的損耗模量為265080Pa，10%CB/STG的損耗模量為55148Pa。在低頻下，儲能模量小于損耗模量，材料處于粘流態(tài)，隨著頻率增加，儲能模量和損耗模量接近，材料處于粘彈態(tài)，當(dāng)頻率進(jìn)一步增加，儲能模量大于損耗模量，材料處于固態(tài)。這種特殊的流變行為，證明了CB/STG在受到?jīng)_擊時，可以通過自身性狀的改變，吸收和損耗大量的能量。

2.3 CB/STG夾芯層的屏蔽性能

CB/STG填充的蜂窩夾芯屏蔽效能如圖3所示。

圖3 不同CB含量的CB/STG蜂窩夾芯的屏蔽效能Fig.3 Shielding effectiveness of CB/STG honeycomb sandwich with different CB contents

隨著CB含量的增大，CB/STG蜂窩夾芯的屏蔽效能得到增強(qiáng)。通過圖3(a)可以得知，SEA隨著CB含量的增大從1.04dB顯著提升至17.58dB。1%CB/STG的SER為1.27dB，SEA為1.04dB，分別占總屏蔽效能的54.74%和44.82%；當(dāng)CB含量為7.5%CB時，CB/STG的SER為1.28dB，SEA為9.59dB，分別占總屏蔽效能的11.77%和88.22%，SEA在屏蔽效能中所占比重達(dá)到了混合填料的最大值，隨著CB含量的增加導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的完善，10%CB/STG的SER為2.78dB，SEA為17.58dB，分別占總屏蔽效能的13.65%和86.34%，吸收損耗有所下降。

對CB/STG蜂窩夾芯的A、R、T進(jìn)行了分析，如圖3 (b)所示，隨著CB含量的增加，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的完善，復(fù)合材料的T值從最開始的0.891降到了0.009。吸收功率系數(shù)A呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，5%CB/STG的A值大于R值，混合填料的屏蔽機(jī)理此時以吸收為主；當(dāng)CB含量為7.5%時，A值為0.66，達(dá)到最大值；當(dāng)CB為10%時，材料的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)完善，阻抗匹配度降低，A值降到了0.51，R值升到了0.47。這就證明了通過改變導(dǎo)電粒子CB的含量，使混合填料在較低的電導(dǎo)率情況下，達(dá)到高的阻抗匹配程度，可以降低材料的反射率。這為下一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可行的條件。

2.4 CB/STG夾芯板的屏蔽性能

CB/STG填充的蜂窩夾芯板屏蔽效能如圖4所示。

圖4 不同CB含量的CB/STG蜂窩夾芯板的屏蔽效能Fig.4 Shielding effectiveness of CB/STG honeycomb sandwich plate with different CB contents

通過圖4(a)可以得知， SEA隨著CB含量的增大先增加后降低，這與CB/STG蜂窩夾芯的吸收功率變化相一致，從41.92dB顯著提升至49.61dB。當(dāng)CB含量為7.5%CB時，CB/STG夾芯板的SER為1.90dB，SEA為49.61dB，分別占總屏蔽效能的2.11%和96.29%，SEA在屏蔽效能中所占比重達(dá)到了混合填料的最大值，這主要是因?yàn)楫?dāng)中間的CB/STG蜂窩夾芯層電導(dǎo)率低，阻抗匹配程度高時，大部分電磁波在通過夾芯層時被吸收和衰減，當(dāng)達(dá)到下蒙皮時，經(jīng)過碳纖維板的反射再次吸收和衰減，達(dá)到吸收-反射-再吸收的損耗機(jī)制，使得材料的吸收率大大提高。隨著CB含量的增加導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的完善，電磁波經(jīng)過夾芯層時，大部分被反射出去，吸收衰減的較少，使得10%CB/STG的SER為2.40dB，SEA為44.73dB，分別占總屏蔽效能的5.09%和94.88%，吸收損耗有所下降。

對CB/STG夾芯板復(fù)合材料的A、R、T進(jìn)行了分析，由圖4(b)可以明顯看出，復(fù)合材料的屏蔽效能優(yōu)異，幾乎所有復(fù)合材料的透過率都接近為0。隨著中間夾芯層吸收功率的增加，復(fù)合材料的A值從最開始的0.29升到了0.65, CB/STG夾芯板吸收功率系數(shù)與CB/STG夾芯層變化規(guī)律相一致，不同的是夾芯板的吸收功率比夾芯層的吸收功率大，這是因?yàn)閵A芯板對電磁波的吸收-反射-再吸收的屏蔽機(jī)制，提高了復(fù)合材料的吸收功率。

2.5 CB/STG夾芯板的抗沖擊性能

CB/STG填充的蜂窩夾芯板抗沖擊性能如圖5所示。

圖5 不同CB含量的CB/STG蜂窩夾芯板的吸收能量(a)和剩余速度(b)Fig.5 Absorption energy (a) and residual velocity (b) of CB/STG honeycomb sandwich plate with different CB contents

圖5(a)中蜂窩夾芯板復(fù)合材料的吸收能量從最開始的18.59J提升到了31.19J，增加了67.78%。沖擊前的理論沖擊速度為5.23m/s，沖擊后的剩余速度從4.92m/s降低到4.67m/s［圖5(b)］。但是7.5%-CB/STG蜂窩夾芯板和10%-CB/STG蜂窩夾芯板的吸收能量和沖擊后剩余速度差距并不大，這證明當(dāng)復(fù)合材料強(qiáng)度一定時， CB/STG夾芯層對于對復(fù)合材料抗沖擊性能的提升有限。

3 結(jié)論

（1）以熱壓成型的方式制備了CB/STG蜂窩夾芯板復(fù)合材料。

（2）通過SEM分析了不同CB含量的STG形貌，并對不同CB含量的CB/STG流變性能進(jìn)行了測試。CB含量的增加可以明顯提高材料的導(dǎo)電性和流變性能。

（3）通過屏蔽性能測試，CB/STG的填充可有效地提高材料的屏蔽效能、降低反射率。

（4）通過落槌沖擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CB/STG填充的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)具有良好的能量吸收能力。