基于碳纤维织物的多组分材料的电磁屏蔽性能分析*

顾 昊 蒋佩林 陆思源 赵涵卿 沈嘉丽 徐晓霞 于伟东

东华大学纺织学院，上海 201620



基于碳纤维织物的多组分材料的电磁屏蔽性能分析*

顾 昊 蒋佩林 陆思源 赵涵卿 沈嘉丽 徐晓霞 于伟东

东华大学纺织学院，上海 201620

以碳纤维织物(碳布)为基体，采用丙酮浓硝酸前处理、导电聚合物表面聚合、导电炭黑涂层表面涂覆等方式制得多组分电磁屏蔽材料。分别测试经过不同方式处理的碳布的电磁屏蔽性能，通过微波远场散射强度测试，分析多组分碳布电磁屏蔽材料的屏蔽机理。

碳纤维织物，多组分，远场，散射强度，电磁屏蔽

电磁波作为电子设备信息传递的载体，与人们的现代生活密切相关，但电磁波不仅会干扰其他电子设备[1]，还会对人体健康造成一定的危害[2]。碳纤维不仅具有良好的电磁屏蔽性能，而且是一种高性能的增强纤维，其具有明显的各向异性，以及沿纤维轴向的高强、高模和高介电性[3-4]。故人们常直接将碳纤维作为单一组分加入聚合物基体中或织成织物，前者未能很好地利用碳纤维的各向异性，而后者却能极好地保留优秀的力学性能和电磁屏蔽性能。本文以碳纤维织物(以下简称碳布)为基体，采用多种方法进行表面处理，在保留其原有的高强、高模力学性能和各向异性的同时强化其电磁屏蔽性能，并通过对处理后碳布的微波远场散射强度的测量分析，验证各处理后碳布的电磁屏蔽功效。

1 试验部分

1.1 试验原材料

水性芳香族聚氨酯S339A，佛山翁开尔有限公司；导电炭黑DEG-1BC，无锡恩旗化工科技有限公司；水性附着力促进剂DN-630，硅烷偶联剂KH-550，南京道宁化工有限公司；丙酮(AR)，硝酸(AR)，氢氧化钠(AR)，国药集团化学试剂有限公司；碳纤维，台塑集团，规格3K，密度1.8 g/cm3，单丝直径7.0 μm，由宜兴宏宇碳纤维有限公司加工成织物；去离子水，自制。

1.2 试验设备

SG-5410A型磁力搅拌器，上海硕光电子科技有限公司；JJ-1/1A型机械搅拌器，绍兴容纳仪器有限公司；安立MG3642A型信号发生器；安立MS2661C型频谱分析仪；发射天线和接收天线都采用抛物面天线，极化方式采用线性极化，极化方向为水平方向[5]。

1.3 试样制备

1.3.1 丙酮浓硝酸处理

将碳布剪成15 cm×15 cm的大小，裁剪前先用树脂在裁剪路线上对碳布进行涂覆，以保证裁剪后得到的碳布样品不发生脱散。在60 ℃下烘干1 h， 等待树脂晾干后将试样浸入丙酮中，静置1 d，取出后用清水反复冲洗，晾干。将经丙酮处理的试样放入体积分数为70%的浓硝酸中，冷凝回流，温度控制在80 ℃，反应5 h[6]。取出试样后先用大量清水进行冲洗，最后使用质量分数为3%的氢氧化钠溶液冲洗，直至冲洗后的溶液pH值检测呈中性。

1.3.2 导电聚合物原位聚合

采用液态化学氧化法在试样表面聚合导电高聚物。首先将一块规格为15 cm×15 cm的碳布进行丙酮浓硝酸处理，将试样放入浓度为0.02 mol/L的十二烷基苯磺酸钠溶液中，浸渍1 h后取出，自然晾干；再将处理过的试样放入浓度为0.13 mol/L的FeCl3溶液中，浸渍1 h后取出；将处理过的试样浸渍于0.5 mol/L的吡咯单体溶液中进行反应，反应时间为12 h，反应温度为0～5 ℃。待反应结束后，先用无水乙醇对试样进行漂洗，再用清水反复清洗，直至清洗得到的溶液澄清；再将试样放入真空干燥箱中进行温度为60 ℃的低温干燥，持续时间为4 h。将聚合1～6次的碳布分别进行电磁屏蔽性能的测试。

1.3.3 导电炭黑涂层涂覆

将不同质量的导电炭黑粉末溶于一定量的水中，加入硅烷偶联剂KH-550和水性附着力促进剂DN-630，用超声波振荡器超声处理30 min，使导电炭黑粉末均匀分散于水中，并与助剂充分混合；然后再加入一定质量的水性聚氨酯，磁力搅拌30 min。 裁剪一块15 cm×15 cm的碳布，先将其进行丙酮浓硝酸处理，最后使用羊毛刷将上述混合涂料均匀涂覆在处理过的碳布上。采用额定质量涂料进行涂覆后的试样厚度为3 mm，2层和3层涂料涂覆后试样的厚度分别为5和7 mm。

1.4 试样测试

采用自制微波远场散射强度测试装置，对经过不同方式处理的碳布进行散射强度的测试。

1.4.1 自制微波远场散射强度测试装置

微波吸收材料的反射率测量方法有很多，如弓形法、辐射计测量法、空间样板移动法和微波分光计测量法，其中最常用的是弓形法。依据我国军用标准GJB 2038—1994《雷达吸波材料反射率测试方法》，采用102-RAM反射率弓形测试方法[7]，如图1所示。将发射天线和接收天线对称地放在圆形轨道上，该平面与吸波材料所在的平面相互垂直，天线应采用线极化天线。电磁波从发射天线发出，发射到材料表面时被反射，其反射信号被接收天线接收，再与不存在试样时处于同样位置的接收天线接收到的发射信号进行比较。将发射天线在圆形轨道上移动以改变入射角，同时接收天线也在圆形轨道上进行相应的移动。该方法适用于1 GHz 以上的频段。

图1 微波远场散射强度测试示意图

1.4.2 微波远场散射工作频率的确定

采用弓形法进行微波远场散射强度测试，按照测试标准，发射天线和接收天线在半径为r的圆形轨道上分别移动，移动过程中抛物面天线轴线要始终对准平板试样中心。其中r要满足：

rmin=D2/λmin

(1)

式中：D——天线口径面的最大尺寸；

λmin——所测试的最高频率所对应的波长。

采用扫频的方式，在1.4～2.0 GHz范围内，以50 MHz为步长进行测试。测试前将仪器预热1 h，对试样采取多次测量取平均值的方式，以提高测量的精确度。

对以不同方式处理的碳布进行微波远场扫频测试，结果如图2所示。

图2 微波远场散射强度工作频率测试

从图2可以看出，4种碳布在1.4～2.0 GHz范围内有许多峰值点，其中比较集中的三个频率点分别为1.5、 1.7及2.0 GHz，其中又以2.0 GHz频率点4种试样的电磁屏蔽性能最佳。因此，选择2.0 GHz 作为微波远场散射测试的工作频率。由于本试验采用的天线口径面为0.6 m，根据式(1)计算，在频率为2.0 GHz时，最小圆形轨道半径为2.4 m。

假设发射天线和接收天线间的耦合效应忽略不计，设发射天线发射电磁波时接收天线所接收到的功率为Pm，发射天线不发射电磁波时接收天线所接收到的功率为Pr，那么，材料的散射强度γ为

γ=Pr/Pm

(2)

用分贝的形式表示为

γ(dB)=10 lg(Pr/Pm)

(3)

若功率P采用单位dBm，则

γ(dB)=Pr-Pm

(4)

2 结果与讨论

考虑到在进行测量时采用的是360°圆周的电磁波强度测量，为了能够更直观地表示出微波远场散射强度的分布，采用极坐标图来表示散射强度。同时，将试样与发射天线之间的区域称为反射区，将不处于发射天线和试样之间的区域称为透射区。这样可以从反射区看出试样对电磁波反射作用的分布情况，从透射区看出试样对电磁波的屏蔽性能。

经过不同方式处理的碳布的反射区和透射区雷达图形相对面积(下同)如表1所示。

表1 经过不同方式处理的碳布的反射区和透射区面积

2.1 普通碳布和经丙酮浓硝酸处理碳布的电磁屏蔽性能比较

如图3所示，普通碳布和经丙酮浓硝酸处理碳布在对电磁波的远场散射强度上有着明显不同。首先，从反射区即图像的上半部分来看，处理后的碳布在面积上明显小于普通碳布，从3 878.87降低到了2 962.02。即便从特定频率来看，不仅表现在垂直于织物的方向上，在反射区的180°范围内试样对电磁波的反射强度都有了明显的降低，降幅为0～5 dB。透射区即图像的下半部分，反映出经丙酮浓硝酸处理碳布的图形面积近似于未处理的普通碳布，即电磁屏蔽性能近似于普通碳布。而经丙酮浓硝酸处理碳布的反射区和透射区的总面积也从5 333.40降低到了4 457.80。 反射区反射强度的降低可能是因为材料对电磁波的屏蔽能力较差，大部分电磁波都透过材料，或者是材料对电磁波的反射减小、透射不变而产生的吸收增大的结果，由原先的强反射变为部分吸收、部分反射。试验结果表明，试样对电磁波的反射降低而透射不变，因此，可以认为试样对电磁波的吸收性能得到了明显改善。这是因为经过丙酮浓硝酸处理的碳纤维表面会产生很小的沟壑，这些沟壑按照其大小的不一可能会形成一些小型导电回路，能够对电磁波起到一定的损耗作用。因此，导致材料对电磁波的反射性能减弱，散射吸收性能明显增强。

图3 未处理碳布和经丙酮浓硝酸处理碳布的电磁屏蔽性能比较

2.2 未处理碳布和经聚吡咯处理碳布的电磁屏蔽性能比较

如图4所示，经丙酮浓硝酸处理后，再经聚吡咯处理的碳布在反射区面积为3 207.91，而只经丙酮浓硝酸处理碳布的反射区面积为2 962.02，表明聚吡咯对电磁波有着较强的反射性能；在透射区，经聚吡咯处理后的试样和未处理试样相比，图形面积从1 495.78上升到了1 641.36，即经过导电聚合物表面聚合后，试样对电磁波的屏蔽效果降低。但经聚吡咯表面聚合后，反射区和透射区图形的总面积由4 457.80上升到了4 842.79。分析其原因在于，导电聚合物[8]作为一种新型吸波材料，相比于传统吸波材料具有诸多优势，导电聚合物有较高的电导率及介电常数，能有效吸收微波频段的电磁辐射，其对电磁波的吸收主要是依靠电损耗和介电损耗[9]。导电高聚物在雷达波的作用下，一方面材料被反复极化，分子电偶极子力图跟上场的振荡而受到分子摩擦；另一方面由于材料导电率不为零，在材料中形成感应电流而产生焦耳热，从而使得电磁波能量被耗散。同时，经过聚吡咯表面聚合的碳布中，由于聚吡咯的存在能起到一定的黏结效果，使碳纤维之间的稳定性增强，间隙减小，从而使得试样具有更好的导电性及更强的电磁波反射性能。而由于经过导电聚合物处理的碳布中存在许多黏结点，碳纤维束之间的交叉、缠结变少，因此碳布的吸收和耗散的电磁屏蔽作用在此时减小，主要表现为电磁波反射。又因为材料的体积减小，且主要表现在厚度方向上，因此试样对电磁波的反射性能有所增加，电磁波的透射也因此增大。综上所述，试样对电磁波的反射作用增强，吸收作用减小，同时，电磁屏蔽性能也出现一定的下降。

图4 未处理碳布和经聚吡咯处理碳布的电磁屏蔽性能比较

2.3 未处理碳布和经导电炭黑处理碳布的电磁屏蔽性能比较

由图5可知，经丙酮浓硝酸和导电炭黑处理的碳布在反射区的图形面积为2 606.19，比只经丙酮浓硝酸处理碳布的2 962.02有了一定的下降，表明经导电炭黑处理的碳布对电磁波有着更小的反射作用；在透射区，经导电炭黑处理的碳布与未处理碳布相比，图形面积从1 495.78上升到了2 193.87， 表明材料的电磁屏蔽性能较未处理时并没有得到提升，反而出现了下降。经导电炭黑处理碳布的反射区和透射区总面积从4 457.80 上升到了4 800.06，表明导电炭黑的涂覆并没有提升材料的吸波性能。这是因为导电炭黑涂层是一种主要依靠导电性来产生电磁屏蔽效果的电磁屏蔽材料，碳系屏蔽涂料具有价格低、密度小、不易沉降、耐腐蚀等一系列优点[10]，但是由于其导电性能较差，只有当含量较大时才能产生导电效果，并且其表面存在大量的极性基团，在基体中分散时存在难分散、易集聚成球等缺点。涂料涂覆在碳布表面后，相当于增加了碳布的厚度，并且由于导电炭黑涂层的导电性能小于碳布的导电性能，因此，试样对电磁波的反射性能和电磁屏蔽性能都没有增强，反而下降。

图5 未处理碳布和经导电炭黑处理碳布的电磁屏蔽性能比较

2.4 未处理碳布和经聚吡咯导电炭黑处理碳布的电磁屏蔽性能比较

从图6可以看出，在反射区，经丙酮浓硝酸、聚吡咯和导电炭黑处理碳布的图形面积比只经过丙酮浓硝酸处理的碳布小，面积从2 962.02下降到了2 429.18，即经过丙酮浓硝酸、聚吡咯和导电炭黑处理的碳布对电磁波有着较小的反射作用；在透射区，经过聚吡咯和导电炭黑处理碳布的图形面积比只经过丙酮浓硝酸处理的碳布大，面积从1 495.78 上升到了1 581.61，即有着稍弱的电磁屏蔽性能。而经过聚吡咯和导电炭黑处理后，反射区和透射区的总面积从4 457.80下降到了4 010.79， 即材料对电磁波的吸收性能有了明显的提高。造成这个现象的原因可能是因为在经过导电聚合物和导电炭黑处理后，碳布形成了一种组织结构比较紧密的新型集合体，电磁波在多层次材料的内部经过多次反射和折射而造成了一定的损耗。

图6 未处理碳布和经聚吡咯导电炭黑处理碳布的电磁屏蔽性能比较

2.5 多组分材料的电磁屏蔽机理分析

经过聚吡咯和导电炭黑处理碳布的电磁屏蔽机理见图7。当电磁波入射到电磁屏蔽材料表面时，由于导电炭黑涂层的阻抗和空气的阻抗不同，使电磁波一部分进入屏蔽层，一部分被界面反射回空气介质中，降低了屏蔽材料对电磁波的反射损耗，所以能实现对电磁波的低反射；电磁波在经过最外层的导电炭黑涂层后，透射波会再次接触到聚合在碳纤维上的聚吡咯涂层，在经过电磁屏蔽性能逐渐增强的三种不同介质之后，电磁波仍然可以透过屏蔽材料继续在余下的不同介质中传播。因此，电磁波在屏蔽材料内部会发生4～7次反射和透射。由于导电炭黑和碳纤维都是电阻型吸波材料，且导电聚合物有较高的电导率及介电常数，具有较好的吸波性能，因此，电磁波在屏蔽材料中的多重反射会在电磁场中产生电损耗、磁损耗及介电损耗等消耗电磁波的部分能量，这部分损耗统称为吸收损耗。当碳纤维的排布方向与入射电场的夹角不确定时，由于反射电场与入射电场不相平行，反射电场会产生一个与入射电场垂直的反射电场分量，从而起到一定的消波作用[11]。同时，多种介质的存在会使电磁波的多重反射路程增加，电磁波的损耗也增加，因而提高了屏蔽材料的吸波性能。剩余部分的电磁波在到达屏蔽材料另一界面时同样由于材料表层的阻抗匹配层能与电磁波空间波阻抗匹配，使透过屏蔽层的电磁波减少，进一步降低了屏蔽材料对电磁波的反射损耗，从而实现对电磁波的低反射和高吸收。

图7 经聚吡咯和导电炭黑处理碳布的电磁屏蔽机理示意图

3 结语

为了研究经过不同方式处理的试样在试样所在平面的散射强度分布，制备了不同处理的试样进行试验，包括普通碳布，以及经丙酮浓硝酸处理、聚吡咯处理、导电炭黑涂覆、聚吡咯处理再加导电炭黑涂覆的碳布。

自制微波远场散射强度分布测试台，在2.0 GHz 频率下测试了各试样在平面内圆形轨道上的反射和透射强度，并且通过调整入射电磁波和试样的夹角来分析试样的电磁屏蔽机理。

结果表明：在反射区的180°范围内，经丙酮浓硝酸处理的碳布对电磁波的反射强度明显降低，降幅为0～5 dB，而对电磁波的透射性能基本不变，对电磁波的吸收性能明显增强；经聚吡咯表面原位聚合的碳布与未经任何处理的碳布相比，反射性能增强，在透射区表现出电磁屏蔽性能降低；经导电炭黑处理的碳布与未经处理的碳布比较，具有更强的反射性能，同时电磁屏蔽性能也有所下降；经聚吡咯处理及导电炭黑处理的碳布与未经处理的碳布相比，由于具有多层次结构，材料内部具有4～7次的反射和散射，因此，对电磁波的反射性能明显降低，屏蔽性能略有下降，但对电磁波的吸收性能明显提高。

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Analysis of the electromagnetic shielding performance of multi-component materials based on the carbon-fiber fabric

GuHao,JiangPeilin,LuSiyuan,ZhaoHanqin,ShenJiali,XuXiaoxia,YuWeidong

College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China

Based on the carbon-fiber fabric, treated by acetone nitric acid pretreatment, conductive polymer surface polymerization and conductive carbon black coating, multi-component electromagnetic shielding materials were prepared. The electromagnetic shielding performances of carbon-fiber fabric samples, treated in different ways, were tested. With the help of electromagnetic shielding performance test and far-field microwave scattering intensity test, the shielding mechanism of multi-component electromagnetic shielding material was analyzed.

carbon-fiber fabric, multi-component, far-field, scattering intensity, electromagnetic shielding

*上海市2013年度市级大学生创新活动计划项目(201310255017)；2012年度高校科研成果产业化推进工程项目(JHB2012-70)

2015-02-11

顾昊，男，1989年生，在读硕士研究生，研究方向为碳纤维织物的电磁屏蔽性能

TS101.8

A

1004-7093(2016)02-0039-06