竹炭/环氧聚酯复合材料的电磁屏蔽性能研究

2018-07-26陈茂军李文珠倪忠进徐文张武

竹子学报 2018年1期

陈茂军，李文珠，倪忠进，徐文张武

(1.浙江工业职业技术学院，浙江绍兴 312000；2.浙江农林大学工程学院，浙江杭州 311300)

竹炭是竹材经高温热解得到的一种功能型环保材料，具有较强的吸附性能，被广泛应用于净化水质、吸附有害气体和消除异味等领域[1]。而今竹炭新型功能的研究相对较少，开展这方面的研究具有一定的现实意义。20世纪90年代开始，国内外一些学者对竹炭及其复合材料在电磁屏蔽效能领域进行探索研究，并取得一定的成果[2-3]。张东升等[4]研究了炭化温度对竹炭电磁屏蔽性能的影响。张文标等[5]研究了竹炭负载铜的屏蔽效果，结果表明在频率0～3 GHz的范围，载Cu量为152 mg·g-1时，电磁屏蔽效能达到24 dB。井出勇等[6]研究发现，炭化温度为1 000～1 400 ℃的竹炭与树脂合成的3 mm厚复合材料，在频率为10～1 000 MHz的电磁屏蔽效果达50 dB以上。松永一彦等[7]研究发现，750 ℃以上炭化所得的竹炭，对频率4 GHz的电磁波衰减至30 dB。Wu等[8]研究发现竹炭与聚苯胺复合材料在频率2～40 MHz范围具有优良的电磁屏蔽性能，而对于7.2 GHz、33 GHz的高频电磁波屏蔽效能分别为8 dB和17 dB。本文主要研究了竹炭/环氧聚酯复合材料的导电性及其电磁屏蔽效能，并探索了复合材料的电磁屏蔽机理。

1 实验材料与方法

1.1 材料和仪器

竹炭采用机械炉生产，炭化温度为800～900 ℃，购于宁波兴达炭业有限公司。环氧聚酯粉末，实验室自制。实验中所用的试剂均为分析纯，反应物溶解、反应及过滤等过程所用的水为去离子水。

主要仪器：电子显微镜(S-4700/Hitachi,日本)；XRD(XRD-6000/Shimadzu，日本)；PC40B型数字绝缘电阻测试仪；屏蔽测试仪； XLB-D型平板硫化机；HC-280T2型高速多功能粉碎机；HY-2调速多用振荡器。

1.2 试样的制备

将块状的竹炭置于粉碎机中，高速粉碎20 min，把粉碎好的竹炭倒入标准筛中，进行分类。完成初分类后，再将竹炭倒入标准筛用振荡器进行筛选，震荡15 min后，获得用于竹炭测试分析。

将粉末竹炭与环氧聚酯按一定质量配比，均匀混合，使用平板硫化机将它们升温至180 ℃，加载到7 MPa，保持10 min，而后自然冷却至室温，卸载后制成直径为10 cm，厚度为2 mm的标准试样。

1.3 电磁屏蔽的测定

竹炭/环氧聚酯复合材料的屏蔽性能按照中华人民共和国电子行业军用标准(SJ 20524-1995)或者参照美国的ASTMD 4935-99平面材料电磁屏蔽效能标准进行测试。将制成的标准试样放置于DR-SO2屏蔽效能测试仪测试平台上，使用安捷伦E4402B仪器(美国)，对竹炭复合材料在频率178.5～3 000 MHz内进行电磁屏蔽效能测试。

屏蔽效能SE由3部分组成：反射损耗、多重反射和透射损耗，即SE=R+B+A。其中，R为电磁波通过屏蔽体时在屏蔽材料表面产生的反射损耗(R),B为余下部分射入屏蔽体界面内产生的多重反射和透射损耗，而A为屏蔽材料本身的吸波性能对电磁波产生的吸波损耗[9]。

其中σr为屏蔽材料相对电导率，f为电磁波频率，μr为屏蔽材料相对磁导率，t为屏蔽材料的厚度，δ为电磁波透过材料的深度[10]。

2 结果与分析

2.1 显微结构

图1(a)为竹子经过800 ℃炭化后所得的竹炭放大500倍横截面的SEM图。由图1(a)可见竹炭保留了竹子的组织结构，微孔结构组合呈“品”字形。测量了横截面100个微孔直径，范围为3.20～31.94 μm，平均孔径为15.83 μm。图1(b)为竹炭的纵截面图，孔壁结构呈胶囊状，因而，竹炭的孔壁纵向并非完全贯通的。图1(c)为竹炭经过粉碎机粉碎后放大1 000倍的SEM图，经测量100个粉碎后的竹炭颗粒，粉末颗粒的直径范围为1.85～15.90 μm，平均粒径约为6.14 μm。

图1 竹炭的SEM图Fig.1 SEM images of bamboo charcoal

图2 竹炭的XRD图谱Fig.2 XRD pattern of bamboo charcoal

图2为粉末竹炭的XRD图，采用XRD-6000/Shimadzu型X射线衍射仪(Cu Ka，λ=0.1540 56 nm)分析样品的晶体结构，工作电压和电流分别为40 kV和30 mA，扫描速度3.0°/min，扫描范围5～90°。从图2中可以看出：粉末竹炭在2θ=26.5°、43.4°和77.5°处存在衍射峰，但衍射峰强度较弱，峰的宽度较宽，表明竹炭部分存在晶化单元，或其细微结构单元的部分碳原子排列有序。

2.2 竹炭复合材料的电阻率

将竹炭/环氧聚酯复合材料的标准试样至于工作台上，使用数字绝缘电阻测试仪测试电阻率；采用合适的量程进行测试，每个试样测试10次，取其平均值。按不同质量配比，制备而成的竹炭/环氧聚酯复合材料，其电阻率如表1所示。

表1 竹炭/环氧聚酯复合材料的电阻率

从表1可以明显看出：竹炭/环氧聚酯复合材料的电阻率变化，粉末竹炭随环氧聚酯含量的增加，电阻率相应提升。电阻率的增加表明复合材料的导电性能下降，这与环氧聚酯材料的物理性能有关。

2.3 竹炭复合材料的电磁屏蔽性能

将竹炭与环氧聚酯按一定的质量配比，均匀混合，使用平板硫化机将其升温至180 ℃，加载到7 MPa，保持10 min，而后自然冷却至室温，卸载后可制成直径为10 cm，厚度为2 mm的标准试样。制成的标准试样在178.5～3 000 MHz的电磁频段进行测试，电磁屏蔽效能测试结果，如图3所示。图3中 a、b分别为竹炭和环氧聚酯质量比为2∶1、1∶1时复合材料的电磁屏蔽效能曲线，其值皆大于21.2 dB，其中频率在2 257.5 MHz时曲线a、b的屏蔽效能分别为33.2 dB、35.3 dB，而a曲线的最大的屏蔽效能出现在频率为2 109 MHz，效能为36.8 dB。

不同质量配比的粉末竹炭与环氧聚酯复合材料，在2 257.5 MHz频率下的电磁屏蔽效能，如图4所示。由图4可知：环氧聚酯含量对竹炭/环氧聚酯复合材料的电磁屏蔽效能影响明显，随环氧聚酯的增加，电磁屏蔽效能逐渐减少；当竹炭与环氧聚酯的质量比例为2∶1时，其屏蔽效能达35.3 dB；当两者的比例为1∶1时，其最高的屏蔽效能降为33.2 dB。

竹炭/环氧聚酯复合材料的屏蔽效能随环氧聚酯含量变化而变化，主要是由于复合材料的电导率的改变。由于环氧聚酯的电导性能差，复合材料的电导率因环氧聚酯含量的增加而下降；电导率的下降导致反射损耗与吸波损耗减少，复合材料的电磁屏蔽效能也随之降低。