低反射抗冲击电磁屏蔽复合材料的制备与性能研究

作     者：景少帅 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨雅琦

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：低反射 电磁屏蔽 抗冲击 剪切增稠 非对称结构 

摘      要：随着信息技术以及数字化、智能化电子设备的迅速发展,电磁辐射污染已经成为一个日益严重的问题。由电子设备产生的电磁辐射会影响周边精密电子仪器的正常运行并对人体健康造成伤害,因此开发具有优异屏蔽效能的电磁屏蔽材料成为近年来的研究热点。导电聚合物复合材料因具有轻质、易加工、性能可调等优点成为高性能的电磁屏蔽复合材料的理想选择。依据阻抗不匹配原则,高电导率复合材料基于自身强烈的电磁波反射能力表现出优异的电磁屏蔽性能。但是这种高反射率会带来电磁波的二次污染,并不能从根本上解决电磁辐射带来的危害。因此,依据材料的性质和对复合材料结构的设计,利用界面极化,介电损耗和磁损耗对电磁波进行多次衰减,降低电磁波的反射,成为制备具有低反射特征电磁屏蔽材料的有效途径。此外,电子设备日常使用的过程中难免会受到外界物体的碰撞和冲击,这些碰撞和剧烈冲击会对电子设备以及使用人员造成严重伤害,影响电子设备的正常使用、危及人身安全,大多数电磁屏蔽材料在屏蔽电磁波的同时难以抵御外界的冲击和碰撞,因此开发具有低反射抗冲击性能的电磁屏蔽复合材料成为亟需解决的问题。本文以低反射、抗冲击电磁屏蔽材料为研究目标,通过非对称层状复合材料结构设计,解决了现有研究中电磁屏蔽材料高反射率和抗冲击性能差的缺陷,并最终获得具有显著低反射特征的抗冲击电磁屏蔽材料。相关研究内容如下:(1)利用喷涂技术在纤维布表面负载导电填料,控制碳纳米管(CNT)和剪切增稠胶(STG)的比例,制备了具有不同电导率的CNT/STG纤维布(超高分子量聚乙烯纤维布,芳纶纤维布)。通过热压成型的方法,制备了具有梯度导电网络的非对称纤维布复合材料。得益于CNT/STG在纤维布表面的均匀分布,可在纤维布表面搭建完善的导电网络,同时增强了纤维布受冲击时纤维拔出的摩擦力。梯度层状结构的设计有利于电磁波的多次反射和衰减以及冲击过程中的能量耗散。基于该梯度非对称层状结构的设计,材料在1 mm厚(3层纤维布)的情况,电磁屏蔽效能(EMI SE)达到31.2 d B,R值为0.64,冲击过程中可吸收能量为26.44 J。通过增加上层吸收层和导电层纤维布层数,R值可低至0.47,同时获得43 d B的有效EMI SE,吸收能量可达到20.11 J。(2)以炭黑(CB)作为导电填料,芳纶蜂窝作为增强力学的结构材料,将CB与STG的共混物,通过机械压入的方式,均匀填充到芳纶蜂窝中,利用热压成型的方式制备了超高分子量聚乙烯纤维布/(CB/STG)蜂窝夹芯/碳纤维布的叠层结构的夹芯板。顶层的超高分子量聚乙烯纤维布作为透波层,中间CB/STG芳纶蜂窝作为导电损耗层,底层的碳纤维布作为反射层。通过调控芳纶蜂窝中CB的含量,提高电磁波在入射路径的导电损耗,并利用芯层STG的剪切增稠作用,吸收冲击能量,使得材料具有良好电磁波吸收和能量耗散能力。基于夹芯结构的设计,复合材料的R值可降低至0.34,同时EMI SE增加到51.52 d B,材料抵抗冲击时吸收的能量可达到31.19 J。(3)将上一章芳纶蜂窝中的导电填料CB换为电磁掺杂的四氧化三铁负载还原氧化石墨烯(FeO@r GO)纳米粒子。采用同样的制备工艺,制备得到FeO@r GO/STG蜂窝夹芯板复合材料。对芳纶蜂窝中FeO@r GO含量进行调控,在复合材料中增强了沿电磁波入射方向上的磁损耗和介电损耗,同时FeO@r GO的添加进一步增大了STG储能模量和损耗模量的变化范围提升了材料能量耗散的能力,进一步增强了材料在低反射电磁屏蔽效能下的抗冲击性能。在夹芯层吸收率最大的情况下,复合材料EMI SE增至43.20 d B,同时R值降低到0.41,且吸收能量达到了36.71 J。