碳纤维复合材料对电磁干扰的屏蔽作用.pdf_大学文库

第1 4 卷第 3 期 1 9 9 2 年 5 月北京科技大学学报 v ol .1 4 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e i j i n g M : y N o 。 3 1 9 9 2 碳纤维复合材料对电磁干扰的屏蔽作用李华瑞 . 范晓波 ’ 姜荣跃 ’ 余宗森 ’ 摘要 : 测定了碳纤维/ 清漆混合涂料及碳纤维预浸带对电磁辐射干扰的屏蔽效率。实验结果表明 : ( 1) 碳纤维在涂层中分布的致密程度对屏蔽效应有重要影响。 ( 2) 碳纤维预浸带具有良好的屏蔽性能。 ( 3) 表面反射是碳纤维屏蔽电磁辐射的主要机制。关键词 : 沥青基碳纤维 , 碳纤维预浸带 , 电磁干扰屏蔽 , 涂层 E l e c t r o m a g n e t i e I n t e r f e r e n c e S h i e l d i n g b y C a r b o n F i b r e C o m P o s i t e L i H “ a r u i ` F a n X i a o b o 奋 J i a n g 刀 o n g y a o 任 Y u 2 0 儿 g s e n . AB S T RA C T : T h e e l e e t r o m a g n e t i e i n t e r f e r e n e e s h i e l d i n g e f f e e t i v e n e s s o f C F / v a r n i s h a n d C F / e p o x y p r e p r e g a r e d e t e r m i n a t e d 。 T h o e x p e r i m e o t a l r e s u l t s s h o w : ( 1) T h e e o m p a e t n e s s o f C F i n t h e e o a t i n g h a s a n i m p o r t a n t i n f l u e n e e o n s h i e l d i n g e f f e e t i v e n e s s , ( 2 ) T h e C F / e p o x y p r e p r e g 1 5 a p r o s p o e t 元v e s h i e l d i n g m a t e r i a l , ( 3 ) T h e s t r f a e e r e f l e e t i o n 1 5 m a i n m e e h a 红i s m o f e l e e t r o m g n e t i e s h i - e l d i n g b y C F 。 K E Y W O R D S : p i t e h 一 b a s e e a r b o n f i b r e , C F / e p o x y p r e p r e g , e l e e t r o m a g n e t i e i n t e r f e r e n e e s h i e l d i n g , e o a t i n g 随着微电子技术的发展 , 环境的电磁污染日益增加 , 对许多工作场所抗电磁辐射能力提出了一定的要求〔 ` ’ 。通常的建筑材料 , 例如水泥 , 对电磁辐射的屏蔽作用很小 ` “ ’ 。为了提高工作场所的抗电磁干扰能力 , 可采用 3 种可能的方法 : ( 1) 将工作场所围上抗电磁干扰的材料 , 例如用金属网 ; ( 2 ) 将抗电磁干扰的材料混人建筑材料中去 , 例如在水泥中混入钢丝 1 9 9 2 一 0 3 一 2 1 收稿 · 材料物理系 ( n e P a r t m e n t o f M a t e r i a l s P h y s i e s z 3 5 5 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1992. 03. 028

或碳纤维影（8)使用抗电磁干扰的涂料。考虑到碳纤维的高度化学稳定性以及使用涂料来完成工作场所电磁屏蔽方便易行，本文研究了将碳纤维短丝与涂料相混合制成抗电磁辐射干扰涂料的可能性。另外碳纤维预浸带做为一种半成品材料，也是一种可能使用的碳纤维/树脂复合材料，对它的电磁屏蔽性能也进行了研究。 1实验方法和材料 1.1原料 (1）碳纤维(CF)。本实验采用沥青基碳纤维，用精制煤沥青为原料，经离心纺丝及 1100℃高温碳化而成，直径为13~15μm,电阻率为10-1~10~82cm。 (2)表面镀铜碳纤维(CuCF)。对上述沥青基碳纤维用电镀方法镀铜，镀铜层的厚度为3~5μm。（3)碳纤维预浸带(P),也叫碳纤维/环氧预浸料或单向无纬布，其树脂含量为(3？~42) %,单层厚度为0.10~0.20mm。于-18℃保存，其固化温度为121℃，长期置于室内也可固化。 (4)涂料，醇酸清漆 1.2样品制备将CF及CuCF两种纤维割成长度为0.2~1.0mm的短丝。使纤维短丝与清漆混合制成不同比例的涂料，分别均匀地涂布在12.0cm×12.5cm的有机玻璃板上。在制备多层涂层样品时，待所涂布的涂料千燥以后，再用同样配比的涂料涂布新的一层。制备碳纤维预浸带样品时，将预浸带粘贴在有机玻璃板上。在粘贴多层预浸带样品时，相邻两层预浸带之间的纤维按正交方式排列。所制备样品的说明见表1。表1试验用样品 Table 1 Specimens of experiments 每层涂料中纤维每层涂料中纤维样品名称涂层数样品名称短丝的量，% 短丝的量，% 涂层数 CF1 5.9 1 CF3A 1,5 1 CF2 5.9 CF3B 3.0 CF3C 5.9 3 CF3D 8,8 CF4 5.9 4 CF3E 11.8 1 CF5 5,9 5 pi 顶浸带 CuCF1 11.8 1 p2 预浸带 CuCF3 11.8 3 P3 预浸带 3 CuCF4 11.8 4 清漆板 0 1 ·计算时考虑到了请漆干燥后失重15% 1.3屏蔽效率的测试 (1)屏蔽效率及其计量单位屏蔽效率是指在一个有电磁场强度的处所，以屏蔽材料 356

或碳纤维 , ( 3 ) 使用抗电磁干扰的涂料。考虑到碳纤维的高度化学稳定性以及使用涂料来完成工作场所电磁屏蔽方便易行 , 本文研究了将碳纤维短丝与涂料相混合制成抗电磁辐射千扰涂料的可能性。另外碳纤维预浸带做为一种半成品材料 , 也是一种可能使用的碳纤维 /树脂复合材料 , 对它的电磁屏蔽性能也进行了研究。 1 实验方法和材料 1 。 1 原料 ( 1 ) 碳纤维 ( C F ) 。本实验采用沥青基碳纤维 , 用精制煤沥青为原料 , 经离心纺丝及 1 1 0 0 ℃ 高温碳化而成 , 直径为 1 3 ~ 1 5 卜m , 电阻率为 10 一 ` ~ 1 0 一 “ Q · e m 。 ( 2 ) 表面镀铜碳纤维 ( C o C F ) 。对上述沥青墓碳纤维用电镀方法镀铜 , 镀铜层的厚度为 3 ~ 压卜tn 。 ( 3 ) 碳纤维预浸带 ( P ) , 也叫碳纤维 /环氧预浸料或单向无纬布 , 其树脂含量为 ( 37 ~ 4 2) % ,单层厚度为。 , 10 一 0 . 20 m m 。于一 18 ℃保存 , 其固化温度为 1 21 ℃ , 长期置于室内也可固化。 ( 4 ) 涂料 , 醇酸清漆 1 . 2 样品制备将 C F 及 C o C F 两种纤维割成长度为。。 2 一 1 . o m m 的短丝。使纤维短丝与清漆混合制成不同比例的涂料 , 分别均匀地涂布在 1 2 。 oc m x 1 2 . c5 m 的有机玻璃板上。在制备多层涂层样品时 , 待所涂布的涂料干燥以后 , 再用同样配比的涂料涂布新的一层。制备碳纤维预浸带样品时 , 将预浸带粘贴在有机玻璃板上。在粘贴多层预浸带样品时 , 相邻两层预浸带之间的纤维按正交方式排列。所制备样品的说明见表 1 。表 1 试验用样品 T a b l e 1 S P e e i m e n s o f e x p e r i m e n t s 样品名称每层涂料中纤维短丝的量 , % 徐层数样品名称每层涂料中纤维短丝的量 , % 涂层数 C F I C F Z C F 3 C C F 4 C F S C u C F I C u C F 3 C u C F 4 5 . 5 . 5 。 5 . 5 。 1 1 . 1 1 。 11 - C F 3 A C F 3 B C F 3 D C F 3 E P 1 P 2 P 3 衰青漆板 1 1 。 8 预浸带预浸带预浸带计算时考虑到了清漆干燥后失重 15 % 1 。 3 屏蔽效率的洲试 ( l ) 屏蔽效率及其计量单位屏蔽效率是指在一个有电磁场强度的处所 , 以屏蔽材料 3 5 6

来降低该处电磁场强度的结果 , 以分贝 ( d B ) 为其计量单位。屏蔽效率与屏蔽物体所使用材料的性质、厚度、形状及电磁波的频率有关。还与电磁干扰源与屏蔽物体的距离以及屏蔽物体与场强测定装置的距离也有关。因此 , 做为材料特性的屏蔽效率的数值 , 在具体实验条件下 , 只有相对的意义。 ( 2 ) 实验装置如图 1 所示。图 1 中的铜网屏蔽室由双层铜网构成 , 用包上铜片的木框架支撑。其体积为 : 2 . 5 m 又 3 . 0 m X 4 。 o m , 铜网上装一铜板 ( 也以木框架支撑 , 其上开一窗口 , 窗口尺寸为 gc m x 1 1c m 。窗口边上有夹具 , 平板样品即夹放于此处 , 将窗口封严。空窗口及有样品时所测得的场强差 F i .g 值即为屏蔽效率。口 4 图 l 电磁干扰圆屏蔽效应的测量装迁 1一电磁波信号发生器 : 一电磁波场强干扰测量仪 3 一铜网屏蔽室 4 一窗口 s e t 一 u P f o r m e a s u r i n g e l e e 〔 r o m a g n e t i e 1 n t e r f e r e n e e s h i e l d i n g e f f e e t i v e n e s s 2 实验结果实测的屏蔽效率数值列于表 2 。预浸带贴板及3 m m 厚铜板的屏蔽效率随电磁波频率的变化如图 2 所示。表 2 碳纤维复合材料的屏蔽效率 T a b l e 2 S h i e ld i n g e f f e e ri v e n e s s o f C F e o m p o s i t e m a t e r i a l s . . . . , 口. . 州. . . . 口. . 、 _ , 屏蔽效率 , d B 俘八众石称 I M H z 1 0 M H z 2 5M H 名 1 0 0 M H 么 3 0 0 M H z 6 0 0 M H z I G H z l 。 S G H z C u C F I 0 0 0 0 0 0 0 3 C u C F 3 0 0 0 0 0 1 一 4 C u C F 4 0 0 0 0 0 3 一 6 C F I 0 0 0 0 0 0 0 4 C F Z 0 0 0 0 0 0 0 6 C F 3 C 0 0 0 0 0 0 0 8 C F 4 0 0 0 0 0 2 一 1 0 C F S 0 0 0 0 0 2 一 1 2 C F 3 A 0 0 0 0 0 0 0 2 C F 3 B O _ 0 0 0 0 0 0 名 C F 3 D 0 0 0 0 0 0 0 5 C F 3 E 0 0 0 · 0 0 0 0 5 P l 一一一一 1 6 2 2 3 5 一 P Z 一一一 1 3 1 8 2 7 3 5 38 P 3 一一一 1 4 2 5 2 7 3 5 4 5 清漆板 0 0 0 0 0 0 0 0 , - 一一一 - - - - - - - - - - - 一 - . -一一一一 _ _ _ _ _ 一 3m m 铜板 2 0 一 2 9 3 0 一 2 8 2 9 3 3 一一一一 , . ~ ~ ` , 州, ~ . 目店脚一 3 5 7

50 40 3mmn Cu 20 OP2. Cu 10 0P1 ●P3 100300 600 1000 1500 Frequency/MHz 图2屏蔽效率与频率的关系 Fig.2 Relationship of shielding effectiveness with frequency 3实验结果和分析讨论 (1)屏蔽效率，即电磁波场强的相对衰减主要由两个部分组成：即电磁波能量通过屏蔽物体时的衰减和屏蔽物体表面对电磁波能量的反射。对于碳纤维材料来说，其直径仅为10 μm左右，因而其表面积与体积的比值，比许多其他屏蔽材料（例如比3mm铜板)要大得多。实验结果表明，当频率大于1GHz时，厚度仅为0.2mm的预浸带，其屏蔽效率超过了3mm厚的铜板，这说明，对于碳纤维材料，其表面对电磁辐射的反射在屏蔽效应中起主要作用。 (2)碳纤维/清漆混合涂料的抗电磁辐射屏蔽效率很小，其原因在于混合涂料的涂层中有大量的空隙可以曳漏电磁辐射的能量，多层涂层可以减少涂层中碳纤维的空隙，对提高屏蔽效率是有利的。相比之下，排列致密的预浸带给出了相当好的屏蔽效率。 (8)增加碳纤维/清漆混合涂料中碳纤维的含量，对增加屏蔽效应的作用不大，原因在于在有机玻璃板上（或其它载体上）涂布混合涂料的困难：既难以大幅度的增加混合涂料中碳纤维的含量（碳纤维含量过多时，在涂层板上形成碳纤维的不均匀堆积），也难以在整个涂层中碳纤维的分布十分均匀。因此，若碳纤维在样品中总的含量相同时，则多层涂布的效果比单层涂布要好。（4)镀铜碳纤维未能给出较好的抗电磁辐射屏蔽效应，有可能是在混合涂层中纤维的含量过低所致。因为镀铜碳纤维的比重比碳纤维增加了约8倍（按碳纤维直径12μm,镀钥层厚度4μm计算)，而在混合涂料中加人的质量百分含量仅比碳纤维增加1倍，因而对镀铜碳纤维的屏蔽效率应做进一步的研究。 4结论 (1)当电磁辐射的频率大于1GHz时，碳纤维预浸带的屏蔽效率优于铜板。 (2)碳纤维是一种有应用前景的电磁辐射屏蔽材料，关键问题是增加碳纤维覆盖表面的致密程度。参考文献 1叶中雄等。电磁干扰与防护，世界图书出版社，北京：1989年 2 Jeng Mawchiou,et al,Composites,1989,20(4):379 358

仁、刃口 \ 、 ) 〔少 C _ 、力 { l l I O P Z . CU / ~ 0 P l` ew - ~一甲 - . 尸二一 r 一叫口a二击。PT 「 r e q : :e r l口 y / M卜j z 图 2 屏蔽效率与频率的关系 F 1 9 . 2 R e ] a r i o n s h i P o f s h i e l di n g e f f e e t i v e n e s s w i t h f r e , u e n e y 3 实验结果和分析讨论 ( l ) 屏蔽效率 , 即电磁波场强的相对衰减主要由两个部分组成 : 即电磁波能量通过屏蔽物体时的衰减和屏蔽物体表面对电磁波能量的反射。对于碳纤维材料来说 , 其直径仅为 10 “ m 左右 , 因而其表面积与体积的比值 , 比许多其他屏蔽材料 (例如比 3 m m 铜板 ) 要大得多。实验结果表明 , 当频率大于 I G H : 时 , 厚度仅为 0 . Zm m 的预浸带 , 其屏蔽效率超过了 3 m m 厚的铜板 , 这说明 , 对于碳纤维材料 , 其表面对电磁辐射的反射在屏蔽效应中起主要作用。 ( 2 ) 碳纤维 /清漆混合涂料的抗电磁辐射屏蔽效率很小 , 其原因在于混合涂料的涂层中有大量的空隙可以 i曳漏电磁辐射的能量 , 多层涂层可以减少涂层中碳纤维的空隙 , 对提高屏蔽效率是有利的。相比之下 , 排列致密的预浸带给出了相当好的屏蔽效率。 ( 3 ) 增加碳纤维 /清漆混合涂料中碳纤维的含量 , 对增加屏蔽效应的作用不大 , 原因在于在有机玻璃板上 ( 或其它载体上 ) 涂布混合涂料的困难 : 既难以大幅度的增加混合涂料中碳纤维的含量 ( 碳纤维含量过多时 , 在涂层板上形成碳纤维的不均匀堆积 ) , 也难以在整个涂层中碳纤维的分布十分均匀。因此 , 若碳纤维在样品中总的含量相同时 , 则多层涂布的效果比单层涂布要好。 ( 4 ) 镀铜碳纤维未能给出较好的抗电磁辐射屏蔽效应 , 有可能是在混合涂层中纤维的含量过低所致。因为镀铜碳纤维的比重比碳纤维增加了约 8 倍 ( 按碳纤维直径 1 2 ; m , 镀铜层厚度 4 o m 计算 ) , 而在混合涂料中加人的质量百分含量仅比碳纤维增加 1 倍 , 因而对镀铜碳纤维的屏蔽效率应做进一步的研究。 4 结论 ( 1 ) 当电磁辐射的频率大于 I G H z 时 , 碳纤维预浸带的屏蔽效率优于铜板。 ( 2 ) 碳纤维是一种有应用前景的电磁辐射屏蔽材料 , 关键问题是增加碳纤维覆盖表面的致密程度。参考文献 1 叶中雄等 . 电磁干扰与防护 , 世界图书出版社 , 北京 : 1 9 8 9年 2 J e n g M a w e h i o u , e t a l 。 C o m p o s i t e s , 1 9 8 9 , 2 0 ( 4 ) : 37 9 3 5 8