双极性脉冲电场诱导GNPs取向排列对复合材料电磁屏蔽性能的影响

作     者：戴锦炎 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：米彦

授予年度：2022年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：双极性脉冲电场 GNPs粒子 取向排列 电导率 电磁屏蔽性能 

摘      要：航天器在X波段(8.2 GHz-12.4 GHz)有着测绘、通信等重要应用,而工作在X波段下的设备不可避免产生电磁干扰信号,会对易受电磁干扰的设备造成极大的危害,因此设备在X波段下拥有良好电磁屏蔽性能是确保航天器安全可靠运行的关键。航天器屏蔽电缆中的屏蔽层所用材料为铜镀银,但随着航天事业的不断发展,对材料的轻量化提出了更高的要求,这促进了低密度、易加工的导电聚合物材料成为金属的潜在替代品。然而导电聚合物材料往往需要高含量无机填料的加入,会导致质量大、高成本、加工制备困难等问题。因此为了能够在低填充量下制备出高性能的导电聚合物电磁屏蔽材料,本文以弹性体聚硅氧烷为基体材料,高电导率石墨烯纳米片(Graphene Nanosheets,GNPs)作为导电填料,首次使用双极性脉冲电场取向排列GNPs形成导电网络,以此有效的提高复合材料电导率、电磁屏蔽性能。首先,对双极性脉冲电场作用下GNPs取向排列的理论进行分析,介电泳是驱动GNPs取向排列运动的关键,而由于脉冲电压窄脉宽的特性,需要判断在脉冲高电压期间GNPs的界面极化是否能够快速的完成。结果表明,GNPs粒子的界面极化时间远小于脉冲电压的脉宽时间,可认为在脉冲高电压期间早已到达了稳定的极化状态。在此基础上,通过搭建用于微观观察的光学显微镜实验平台,实时的观察GNPs的取向排列运动,分析其运动的变化规律。结果表明,当GNPs的长轴与电场方向的夹角约45°时,其取向运动有着最大的旋转角加速度,这与理论分析结果保持一致;取向运动完成后,邻近的GNPs在介电泳力的作用下头碰头形成短链,15分钟内形成贯穿两极的链状结构,且具有分叉发展的特点。其次,基于麦克斯韦波动方程建立了电磁波在复合材料内部传输、界面处折反射的数学模型,在此基础上利用COMSOL软件搭建仿真模型,仿真分析GNPs取向排列提高复合材料电磁屏蔽性能的原理。结果表明,相同填充量下,相较于GNPs随机分散的复合材料,GNPs取向排列后的复合材料电磁屏蔽效能从5.98 d B增大到8.29 d B,提升幅度为38.6%;进一步分析GNPs取向排列、随机分散复合材料的面电流密度发现,最大面电流密度由于GNPs的取向排列,从随机分散的1.6×10A/m增加到1.0×10A/m,对应的功率损耗密度从0.17 GW/m增大到7GW/m。总的来说由GNPs取向排列形成的导电网络,有利于电磁波驱动自由电子定向移动产生更大的传导电流,最终以热量形式损耗更多的电磁波能量。最后,搭建了双极性脉冲电场诱导GNPs取向排列的实验平台。首次利用双极性脉冲电场制备GNPs取向排列型复合材料,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)表征GNPs的取向排列,对比分析了双极性脉冲电场对复合材料的电导率、电磁屏蔽效能的影响规律,并把实验结果与仿真进行对比。结果表明,在双极性脉冲电场的诱导下,GNPs在基体中取向排列形成了导电的链状结构;相同填充量下,经双极性脉冲电场诱导后复合材料电导率均得到了大幅度提升,且随着填充量的增加,电导率出现电渗流现象,双极性脉冲电场诱导使逾渗阈值从10 wt%降低到8 wt%;GNPs填充量取14 wt%时,随机分散型在X波段下的电磁屏蔽效能为16.48 d B-15.86 d B,而经诱导后提升至21.37 d B-20.99 d B,超过了20 d B这一商用的要求,在X波段下的平均提升比例为32%;进一步分析发现随着填充量增加,反射损耗有饱和的趋势,在填充量超过8 wt%后,主要依靠提升吸收损耗来增强总电磁屏蔽效能。总的来说,本课题是对双极性脉冲电场诱导导电填料取向排列以提高复合材料电磁屏蔽性能的首次探索,提供了一种低填充量下制备高导电聚合物电磁屏蔽复合材料的有效方法。