基于环境噪声的城市景观复合材料的屏蔽性能研究*

（广州科技职业技术大学，广东广州 510550）

碳纤维作为一种含碳量高于90% 的无机高性能纤维，同时兼具有碳材料的固有本质特征以及纤维的柔软可加工性，使得其凭借低密度、高强度和良好的导电性等而在机电、航空航天、船舶等领域有着广泛应用[1]。随着现代化城市景观、工业多灵敏继电器和无线电变压器等部件要求的提高，如何避免在噪声影响因素下提升碳纤维及其复合材料的电磁屏蔽性能成为了广大科研工作者共同关注的课题，这方面的技术难题的解决将极大促进碳纤维及其复合材料在屏蔽材料等领域的应用[2-3]。在噪声环境复杂性和多样性的背景下，开发出具有高电磁屏蔽性能的碳纤维复合材料具有重要的现实意义，本文采用传统电镀工艺在碳纤维表面沉积Fe-Ni 合金，然后将其与ABS 树脂复合制备碳纤维复合材料，研究了不同碳纤维复合材料的显微形貌和电磁屏蔽性能，结果有助于城市景观碳纤维复合材料的开发与应用。

1 材料与方法

以T300 型碳纤维为原料，直径约8μm，拉伸强度3540MPa，杨氏模量203000MPa，含碳量为93.7%，体积电阻率2.35×10-3Ω.cm，密度1.77g/cm3。共采用三种不同方式对原始碳纤维进行表面预处理以去除表面杂质：（1）清洗吹干后进行380℃保温30min 的氧化处理；（2）分析纯丙酮溶液中浸泡20h 后清洗吹干；（3）分析纯丙酮溶液中浸泡20h 后，清洗吹干并置于电阻炉中进行380℃保温30min 的氧化处理。

采用电沉积工艺在碳纤维（CFs）表面制备Fe-Ni合金层，镀液成分为：88g/L 七水硫酸铁、98g/L 六水硫酸镍、30g/L 六水氯化镍、0.3g/L 无水苯亚磺酸钠、3g/L邻磺酰苯甲酰亚胺和45g/L 硼酸，水浴温度58℃、电镀时间16min、pH 值约3.5、电流密度0.2A/dm2，电镀完成后清洗和干燥后即为镀Fe-Ni 碳纤维（Fe-Ni-CFs）。采用热压成型工艺制备镀Fe-Ni 碳纤维（Fe-Ni-CFs）/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）复合材料，制备过程：将Fe-Ni-CFs/不锈钢纤维（SSFs）与ABS 按比例置于XSS-300 型转矩流变仪中进行混合，温度设定为238℃、转速为58r/min，混合均匀后在HX-NB138 型热压机上进行热压成型，温度218℃、每6MPa 保持6min模式进行加压，冷却脱模后即得Fe-Ni-CFs/ABS 复合材料。

采用JSM-6800 型扫描电镜对碳纤维表面形貌进行观察；采用奥林巴斯IX83 型光学显微镜对碳纤维复合材料进行显微形貌观察；采用DT3624 直流低电阻测试仪测试复合材料的表面电阻和体电阻，取3 点的平均值作为结果；参照SJ20524-1995《材料屏蔽效能的测量方法》进行电磁屏蔽性能测试，频率范围为30MHz～1200MHz,样品直径120mm、厚度2mm。

2 结果与分析

对经过不同预处理的碳纤维进行表面形貌观察，结果如图1 所示。

图1 表面预处理碳纤维的表面形貌Fig.1 Surface morphology of pretreated carbon fibers

对于原始碳纤维，直径较为均匀，约在8μm，表面较为光滑，未见表面沟槽，这也就说明原始碳纤维的润湿性较差、表面活性低；经过380 ℃/30min 氧化处理后，碳纤维纵向分布有较多的沟槽，表面较为粗糙，润湿性有所改善；丙酮20h 浸泡处理后的碳纤维表面也同样可见纵向分布的沟槽，且沟槽深度与经过380℃/30min 氧化处理后的碳纤维相似；经过丙酮20h浸泡+380℃/30min 氧化处理后的碳纤维表面粗糙度增大，纵向分布的沟槽加深，且沟槽宽度要大于其它3 组纤维试样，这主要是因为经过复合改性处理后的碳纤维表面引入了C-O、C=O 和COOH 等官能团[4]，碳纤维表面沟槽的存在有利于增加与ABS 的结合力，改善电磁屏蔽性能等[5]。

对原始碳纤维和经过镀Fe-Ni 的碳纤维的显微形貌进行观察，结果如图2 所示。可见，原始碳纤维和经过镀Fe-Ni 的碳纤维在复合材料中分散都较为均匀，且纤维在复合材料基体中呈现互相搭接而形成了导电网络结构[6]。经过镀Fe-Ni 碳纤维表面呈亮白色，而原始碳纤维呈暗灰色，这可能与Fe-Ni-CFs 表面存在Fe-Ni 合金层有关。

图2 碳纤维和镀Fe-Ni 碳纤维的光学显微形貌Fig.2 Optical microscopic morphology of carbon fiber and Fe-Ni coated carbon fiber

图3 为Fe-Ni-CFs/ABS 复合材料中不同功能化碳纤维条件下的光学显微组织。在相同的纤维含量下，由于纤维组成不同，Fe-Ni-CFs/ABS 复合材料的显微组织存在明显差异，其中，25% 质量分数 Fe-Ni-CFs 在复合材料中的分布更加均匀，而12.5% Fe-Ni-CFs+12.5% 质量分数，SSFs 在复合材料中的分散性相对较差。在相同纤维添加量的条件下，25% Fe-Ni-CFs/ABS 复合材料的电磁屏蔽性能会更好。

图3 Fe-Ni-CFs/ABS 复合材料的光学显微组织Fig.3 Optical microstructure of Fe-Ni-CFs/ABS composites

对不同功能化碳纤维的Fe-Ni-CFs/ABS 复合材料的表面电阻和体电阻进行测量[7]，结果见表1。对于25% Fe-Ni-CFs/ABS 复合材料，表面电阻和体电阻分别为5.73Ω 和1.45Ω，而12.5% Fe-Ni-CFs+12.5% SSFs/ABS 复合材料的表面电阻和体电阻分别为10.26Ω 和1.58Ω。可见，25% Fe-Ni-CFs/ABS 复合材料的表面电阻和体电阻都要小于12.5% Fe-Ni-CFs+12.5% SSFs/ABS 复合材料。

表1 碳纤维/ABS 复合材料的表面电阻和体电阻Table 1 Surface and bulk resistances of carbon fiber/ABS composites

对15% CFs+ABS、15% Fe-Ni-CFs+ABS 和25%Fe-Ni-CFs+ABS 复合材料的电磁屏蔽性能进行测试，结果如图4 所示。可见，三种复合材料在测试频率范围内的电磁屏蔽曲线的波动幅度都较小，屏蔽性能都较为稳定；对于15% CFs+ABS 复合材料，相同频率条件下的屏蔽值都明显小于15% Fe-Ni-CFs+ABS 和25% Fe-Ni-CFs+ABS 复合材料，可见，在碳纤维表面镀Fe-Ni 可以改善碳纤维的屏蔽性能，且增加复合材料中 Fe-Ni-CFs的含量，复合材料的屏蔽性能有所增加。在测试频率范围内，25% Fe-Ni-CFs+ABS 复合材料的屏蔽值最大可达52dB，明显高于15% CFs+ABS 和15% Fe-Ni-CFs+ABS复合材料。

图4 复合材料的电磁屏蔽性能Fig.4 Electromagnetic shielding properties of composites

在纤维添加量相同条件下，25% Fe-Ni-CFs/ABS 复合材料和12.5%Fe-Ni-CFs +12.5%SSFs/ABS 复合材料的电磁屏蔽性能测试结果如图5 所示。

图5 相同纤维添加量下不同碳纤维复合材料的电磁屏蔽性能Fig.5 Electromagnetic shielding properties of different carbon fiber composites with the same fiber addition

对比分析可见，在测试频率范围内，25% Fe-Ni-CFs/ABS 复合材料的屏蔽值都要高于12.5%Fe-Ni-CFs+12.5%SSFs/ABS 复合材料，这主要与纤维种类以及在复合材料中的分散性有关[8]，此外，由于 Fe-Ni-CFs 的密度要小于SSFs，在复合材料中的导电性会更好，更有利于提升复合材料的电磁屏蔽性能。

3 结论

（1）经过丙酮20h 浸泡+380℃/30min 氧化处理后的碳纤维表面粗糙度增大，纵向分布的沟槽加深，且沟槽宽度要大于其它3 组纤维试样。

（2）25% Fe-Ni-CFs/ABS 复合材料的表面电阻和体电阻分别为5.73Ω 和1.45Ω，而12.5% Fe-Ni-CFs+12.5%SSFs/ABS 复合材料的表面电阻和体电阻分别为10.26Ω 和1.58Ω。

（3）在测试频率范围内，25% Fe-Ni-CFs+ABS 复合材料的屏蔽值最大可达52dB，明显高于15%CFs+ABS和15% Fe-Ni-CFs+ABS 复合材料；25% Fe-Ni-CFs/ABS 复合材料的屏蔽值都要高于12.5% Fe-Ni-CFs+12.5%SSFs/ABS 复合材料。