。222 北京科技大学学报 第31卷 的普遍特性，可以用宏观渗流理论9来解释，即：随 10B,屏蔽效能更均匀稳定.这是因为复合材料的 着镍粉体积分数的增加，复合材料中导电粒子在导 导电网络中存在大量非导电性高分子树脂区域，由 电阀值处（图中垂直虚线标识处）发生了有限的相互 于分散不均等原因这些区域在导电网络中形成一个 接触到形成无限导电网链的转变.此外，对相同镍 大小不一对电磁波“透明”的空洞9，当一定波长电 粉体积的复合材料，施加磁场后材料的电导率均有 磁波经过时就会发生泄漏；而经磁致取向的复合材 不同程度的提高，特别是在复合材料达到渗流值之 料，导电镍粉粒子经过了重新排布和聚集，导电网络 前，施加磁场对材料电导率的提高较大，最多可以提 中“透明”空洞的大小和分布更加均匀，相应的电磁 高两个数量级(Nⅱ粉体积分数4%.在渗流值之后 泄漏减小.因此，采用磁致取向对材料中导电网络 施加磁场，电导率的提高幅度减小.这主要因为在 的分布具有重要影响，有助于其屏蔽效能的优化. 镍粉含量较小时施加磁场，通过磁场使导电镍粒子 2.4影响磁致取向时间的主要因素 发生偏转和聚集对导电网络的贡献较明显；而在镍 为了考察对磁致取向的影响因素，假设一椭球 粉含量较高时，导电网络己形成得较充分，因此磁场 形的镍粉颗粒悬浮在聚丙烯酸酯乳液体系中，其长 影响较不明显.此外，施加磁场还使复合体系的导 轴为c,短轴为a.在磁场的作用下以角速度ω进 电阀值从5.6%降至3.0%，这对降低成本，改善材 行平面转动，分别以椭球中心O建立本体坐标系 料的性能具有重要意义. O一xy'z和绝对坐标系O一xvz,椭圆的短轴a和 23复合材料的电磁屏蔽性能 长轴c分别与x轴与y轴重合，磁场沿x轴方向施 从施加磁场前后复合材料屏蔽效能的曲线（见 加，与y夹角为0，图6所示 图4和图5)可知，施加磁场后材料的综合屏蔽效能 提高.没有进行磁致取向处理的复合材料在500~ 900MHz之间屏蔽曲线存在较明显的波动，其屏蔽 衰减峰值与谷值之差接近23B:经磁致取向后复合 材料的屏蔽曲线波动较平缓，最大波动幅度小于 xH 80 60 图6镍粒子在磁场下旋转示意图 Fig.6 Sketch of mtation of a nickel particle suspended in iquid un- 40 der an appled magnetic fied iq 20 0 根据文献10]的推导结果，当磁性微粒在磁场 200400600800100012001400 频率MHz 作用下从初始夹角0旋转到0*平衡位置时，其所 需要的时间t表示为： 图4无磁场时涂层的屏蔽效能曲线 4f(k) Fig.4 Shielding effectiveness curve of the coating without the appli 1= Bo(xa-xe)H2n a0 (1) cation of magnetic field 其中，？为液相体系动力学黏度，xa与xc为轴向磁 化率，H为磁场强度.0为真空磁导率 80 f(k)=(k4-1)1 k(2k-山1k+JR2-i-k网 60 k2-1 (2) 40 式中，k=cla为长径比.经证明，f(k)为单调增函 20 数. 100 由式(1)可知，磁致取向时间与粒子的长径比和 10001500 频率MHz 聚丙烯酸乳液体系的动力学黏度成正比，与磁化率 图508T平行磁场下涂层的屏蔽效能曲线 之差和磁场强度的平方成反比.由于粒子的长径比 Fig.5 Shielding effectiveness curve of the coating with the applica- 与磁化率之差属于体系的内在属性，对其进行控制 tion of magnetic fieH (B=Q 8T) 难度较大.因此，缩短取向时间是较为有效的方法，的普遍特性, 可以用宏观渗流理论 [ 8] 来解释, 即 :随 着镍粉体积分数的增加, 复合材料中导电粒子在导 电阀值处( 图中垂直虚线标识处) 发生了有限的相互 接触到形成无限导电网链的转变.此外, 对相同镍 粉体积的复合材料, 施加磁场后材料的电导率均有 不同程度的提高, 特别是在复合材料达到渗流值之 前, 施加磁场对材料电导率的提高较大, 最多可以提 高两个数量级( Ni 粉体积分数 4 %) .在渗流值之后 施加磁场, 电导率的提高幅度减小 .这主要因为在 镍粉含量较小时施加磁场, 通过磁场使导电镍粒子 发生偏转和聚集对导电网络的贡献较明显;而在镍 粉含量较高时, 导电网络已形成得较充分, 因此磁场 影响较不明显.此外, 施加磁场还使复合体系的导 电阀值从 5.6 %降至 3.0 %, 这对降低成本, 改善材 料的性能具有重要意义. 2.3 复合材料的电磁屏蔽性能 从施加磁场前后复合材料屏蔽效能的曲线( 见 图 4 和图 5) 可知, 施加磁场后材料的综合屏蔽效能 提高.没有进行磁致取向处理的复合材料在 500 ～ 900 MHz 之间屏蔽曲线存在较明显的波动, 其屏蔽 衰减峰值与谷值之差接近 23 dB;经磁致取向后复合 材料的屏蔽曲线波动较平缓, 最大波动幅度小于 图 4 无磁场时涂层的屏蔽效能曲线 Fig.4 Shielding eff ectiveness curve of the coating w ithout the appli￾cati on of magnetic field 图 5 0.8 T 平行磁场下涂层的屏蔽效能曲线 Fig.5 Shielding eff ectiveness curve of the coating with the applica￾tion of magnetic field ( B =0.8 T) 10 dB, 屏蔽效能更均匀稳定.这是因为复合材料的 导电网络中存在大量非导电性高分子树脂区域, 由 于分散不均等原因这些区域在导电网络中形成一个 大小不一对电磁波“透明”的空洞[ 9] , 当一定波长电 磁波经过时就会发生泄漏 ;而经磁致取向的复合材 料, 导电镍粉粒子经过了重新排布和聚集, 导电网络 中“透明”空洞的大小和分布更加均匀, 相应的电磁 泄漏减小 .因此, 采用磁致取向对材料中导电网络 的分布具有重要影响, 有助于其屏蔽效能的优化 . 2.4 影响磁致取向时间的主要因素 为了考察对磁致取向的影响因素, 假设一椭球 形的镍粉颗粒悬浮在聚丙烯酸酯乳液体系中, 其长 轴为 c, 短轴为 a .在磁场的作用下以角速度 ω进 行平面转动, 分别以椭球中心 O 建立本体坐标系 O -x′y′z′和绝对坐标系O -xyz, 椭圆的短轴 a 和 长轴 c 分别与 x′轴与 y′轴重合, 磁场沿 x 轴方向施 加, 与 y′夹角为 θ, 图 6 所示. 图6 镍粒子在磁场下旋转示意图 Fig.6 S ket ch of rotation of a ni ckel particle suspended in liquid un￾der an appli ed magnetic fi eld [ 10] 根据文献[ 10] 的推导结果, 当磁性微粒在磁场 作用下从初始夹角 θ0 旋转到 θ＊平衡位置时, 其所 需要的时间 t 表示为 : t = 4 ηf ( k ) μ0( xa -xc ) H 2 ln tan θ ＊ θ0 ( 1) 其中, η为液相体系动力学黏度, xa 与 xc 为轴向磁 化率, H 为磁场强度, μ0 为真空磁导率. f ( k ) =( k 4 -1) / k ( 2k 2 -1) k 2 -1 ln( k + k 2 -1 -k 2 ( 2) 式中, k =c/ a 为长径比 .经证明, f ( k ) 为单调增函 数 . 由式( 1) 可知, 磁致取向时间与粒子的长径比和 聚丙烯酸乳液体系的动力学黏度成正比, 与磁化率 之差和磁场强度的平方成反比.由于粒子的长径比 与磁化率之差属于体系的内在属性, 对其进行控制 难度较大.因此, 缩短取向时间是较为有效的方法, · 222 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷