低反射抗冲击电磁屏蔽复合材料的制备与性能研究*

2022-04-26景少帅何培优张鹏程杨雅琦

合成材料老化与应用 2022年2期

景少帅，何培优，张鹏程，杨雅琦

(中北大学材料科学与工程学院，山西太原 030051)

随着5G时代的到来和科学技术的快速发展，电子产品不仅受到了越来越多的电磁辐射还会遭受到外界的冲击，严重降低了附近精密设备的性能以及电子设备的使用寿命［1-3］。当前，具有抗冲击的电磁屏蔽材料主要是由纤维布、增强体、导电粒子制备而成［4-7］。

制备电磁屏蔽的连续纤维布主要包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等［8-11］。碳纤维强度高、电导率高，可以满足电磁屏蔽可靠的屏蔽效能的同时还具有一定的抗冲击性，因而被广泛应用于电磁屏蔽领域。然而，碳纤维具有高的电导率，使其与电磁波具有严重的阻抗不匹配，导致了电磁波的反射，造成了二次污染。通过负载导电粒子（铁、钴等［12］）改变碳纤维表面结构，降低其反射。然而对碳纤维表面的改性会降低材料的力学性能导致碳纤维布抗冲击性能下降，进而限制了其应用。目前，具有优异的抗冲击性能的结构是夹芯结构［13-14］，可以改变材料的能量耗散方式，提高材料的抗冲击性，且这种夹芯结构对于电磁调控带来了更多的利用之处，可通过填充夹芯层提升材料的电磁屏蔽效率。

STG是一种聚硅氧烷的硅氧骨架中的一些硅原子被硼原子取代而得到的一种聚硼硅氧烷［15］。自然状态下，STG处于黏性流，弹性模量较低；受到较高应变率的应力刺激时，储能模量、黏度等急剧提升，STG转变到橡胶高弹态和玻璃态；一旦应力卸载，STG又会迅速恢复到初始粘流态。在加载卸载过程中，STG内部产生的微裂纹和高分子链的解缠结吸收了大量的能量［16-17］。STG由于其良好的剪切增稠作用使之很容易通过机械混合与其他材料复合。STG既可以作为增强材料，实现材料的补强，又可以作为基体材料引入其他纳米填料引入新的功能［18-20］。

为了制备出具有低反射抗冲击电磁屏蔽材料，本文以CB/STG填充的芳纶蜂窝为夹芯层，超高分子量聚乙烯纤维板为上蒙皮，碳纤维板为下蒙皮，利用环氧粘接的方法制备了CB/STG蜂窝夹芯板。研究了CB/STG蜂窝板的屏蔽性能和抗冲击性能。

1 实验部分

1.1 主要原料

表1 实验所用原料Table 1 Raw materials used in the experiment

1.2 设备与仪器

表2 实验设备与仪器Table 2 Experimental equipment and instruments

1.3 试样制备

1.3.1 STG的制备

将一定量的硼酸于160℃加热2h得到焦硼酸，然后将焦硼酸、二甲基硅油和乙醇按15：81：4的质量比混合，于240℃反应5h，冷却得到STG，将STG与BPO按25：1的质量比在开炼机上混合均匀，然后于80℃进一步交联。

1.3.2 CB/STG芳纶蜂窝板的制备

通过加压灌注的方式制备CB/STG蜂窝夹芯层。将一定量的CB/STG填料，放置于10cm×10cm的正方形模具中，加压固定形状，然后将压制成型的CB/STG填料放置在10cm×10cm的芳纶蜂窝板之上，利用CB/STG的流动性，加压将CB/STG混合填料灌注到蜂窝夹芯中。1.3.3 CB/STG蜂窝夹芯板复合材料的制备

按照超高分子量聚乙烯纤维蒙皮、CB/STG蜂窝夹芯层和碳纤维蒙皮自上而下的顺序堆叠热压成型。上下蒙皮通过热压成型的方法制备而成：通过手糊成型的方法将环氧树脂刷涂在纤维布表面，然后于80℃、15MPa下热压4h，自然冷却后得到上下蒙皮。最后在90℃、6MPa下热压4h，利用环氧树脂将上下蒙皮与CB/STG夹芯层粘接在一起。中间的CB/STG夹芯层作为变量，并记为X-CB/STG，X为CB在STG中的质量分数。如1%-CB/STG，指复合材料中间的夹芯层为1% CB含量的CB/STG夹芯板。

1.4 性能测试

SEM测试：对CB/STG喷金处理后使用SEM进行测试。

流变仪测试：频率0.1~100 Hz, 温度25℃, 应变为0.1%。

屏蔽性能测试：使用矢量网络分析仪用波导法测试屏蔽效能，范围8.2~12.4 GHz

抗冲击性能测试：测试时选取超高分子量聚乙烯纤维布为受冲击面，测试条件：高度为1.4m，锤头直径为10mm，锤头重量为10.5kg。

2 结果与讨论

2.1 CB/STG形貌分析

由图1可知， CB可以在STG中均匀分散，这有利于CB填料在基体中搭建导电网络，减少CB填料的使用。可以看到，随着CB在STG中的含量增加，暴露在STG表面的CB越来越多，构建的导电通路更加完善，能够有效地反射和衰减电磁波。

图1 不同CB/ATG的SEM图像Fig.1 SEM images of CB/STG

2.2 CB/STG的流变性能分析

为了探究不同含量的CB剪切增稠效应，对CB/STG的流变性能进行了测试，结果如图2所示。

图2 不同CB含量的CB/STG 储能模量-频率(a)和损耗模量-频率(b)曲线Fig.2 Energy-frequency (a) and loss mode-frequency (b) curves of CB/STG with different CB contents

由图2(a)可知，不同CB含量CB/STG的储能模量均随着频率的增大而增大。在频率为0.1Hz时，纯STG的储能模量为560.5Pa，10%CB/STG的储能模量为87270Pa，增加了2个数量级，当频率升到100Hz时，纯STG的储能模量为785790Pa，10%CB/STG的储能模量为1429800Pa，是纯STG的2倍。由图2(b)可以看出，不同CB含量CB/STG的损耗模量均随着频率先增大后减小。这是因为在低频率下,CB/STG还是保持粘性形变。随着频率的增加，材料发生了性状的转变，在1~2 Hz范围内，材料的损耗模量达到了最大值。在100Hz时，纯STG的损耗模量为265080Pa，10%CB/STG的损耗模量为55148Pa。在低频下，储能模量小于损耗模量，材料处于粘流态，随着频率增加，储能模量和损耗模量接近，材料处于粘弹态，当频率进一步增加，储能模量大于损耗模量，材料处于固态。这种特殊的流变行为，证明了CB/STG在受到冲击时，可以通过自身性状的改变，吸收和损耗大量的能量。

2.3 CB/STG夹芯层的屏蔽性能

CB/STG填充的蜂窝夹芯屏蔽效能如图3所示。

图3 不同CB含量的CB/STG蜂窝夹芯的屏蔽效能Fig.3 Shielding effectiveness of CB/STG honeycomb sandwich with different CB contents

随着CB含量的增大，CB/STG蜂窝夹芯的屏蔽效能得到增强。通过图3(a)可以得知，SEA随着CB含量的增大从1.04dB显著提升至17.58dB。1%CB/STG的SER为1.27dB，SEA为1.04dB，分别占总屏蔽效能的54.74%和44.82%；当CB含量为7.5%CB时，CB/STG的SER为1.28dB，SEA为9.59dB，分别占总屏蔽效能的11.77%和88.22%，SEA在屏蔽效能中所占比重达到了混合填料的最大值，随着CB含量的增加导电网络的完善，10%CB/STG的SER为2.78dB，SEA为17.58dB，分别占总屏蔽效能的13.65%和86.34%，吸收损耗有所下降。

对CB/STG蜂窝夹芯的A、R、T进行了分析，如图3 (b)所示，随着CB含量的增加，导电网络的完善，复合材料的T值从最开始的0.891降到了0.009。吸收功率系数A呈现先增加后降低的趋势，5%CB/STG的A值大于R值，混合填料的屏蔽机理此时以吸收为主；当CB含量为7.5%时，A值为0.66，达到最大值；当CB为10%时，材料的导电网络完善，阻抗匹配度降低，A值降到了0.51，R值升到了0.47。这就证明了通过改变导电粒子CB的含量，使混合填料在较低的电导率情况下，达到高的阻抗匹配程度，可以降低材料的反射率。这为下一步的结构设计提供了可行的条件。

2.4 CB/STG夹芯板的屏蔽性能

CB/STG填充的蜂窝夹芯板屏蔽效能如图4所示。

图4 不同CB含量的CB/STG蜂窝夹芯板的屏蔽效能Fig.4 Shielding effectiveness of CB/STG honeycomb sandwich plate with different CB contents

通过图4(a)可以得知， SEA随着CB含量的增大先增加后降低，这与CB/STG蜂窝夹芯的吸收功率变化相一致，从41.92dB显著提升至49.61dB。当CB含量为7.5%CB时，CB/STG夹芯板的SER为1.90dB，SEA为49.61dB，分别占总屏蔽效能的2.11%和96.29%，SEA在屏蔽效能中所占比重达到了混合填料的最大值，这主要是因为当中间的CB/STG蜂窝夹芯层电导率低，阻抗匹配程度高时，大部分电磁波在通过夹芯层时被吸收和衰减，当达到下蒙皮时，经过碳纤维板的反射再次吸收和衰减，达到吸收-反射-再吸收的损耗机制，使得材料的吸收率大大提高。随着CB含量的增加导电网络的完善，电磁波经过夹芯层时，大部分被反射出去，吸收衰减的较少，使得10%CB/STG的SER为2.40dB，SEA为44.73dB，分别占总屏蔽效能的5.09%和94.88%，吸收损耗有所下降。

对CB/STG夹芯板复合材料的A、R、T进行了分析，由图4(b)可以明显看出，复合材料的屏蔽效能优异，几乎所有复合材料的透过率都接近为0。随着中间夹芯层吸收功率的增加，复合材料的A值从最开始的0.29升到了0.65, CB/STG夹芯板吸收功率系数与CB/STG夹芯层变化规律相一致，不同的是夹芯板的吸收功率比夹芯层的吸收功率大，这是因为夹芯板对电磁波的吸收-反射-再吸收的屏蔽机制，提高了复合材料的吸收功率。

2.5 CB/STG夹芯板的抗冲击性能

CB/STG填充的蜂窝夹芯板抗冲击性能如图5所示。

图5 不同CB含量的CB/STG蜂窝夹芯板的吸收能量(a)和剩余速度(b)Fig.5 Absorption energy (a) and residual velocity (b) of CB/STG honeycomb sandwich plate with different CB contents

图5(a)中蜂窝夹芯板复合材料的吸收能量从最开始的18.59J提升到了31.19J，增加了67.78%。冲击前的理论冲击速度为5.23m/s，冲击后的剩余速度从4.92m/s降低到4.67m/s［图5(b)］。但是7.5%-CB/STG蜂窝夹芯板和10%-CB/STG蜂窝夹芯板的吸收能量和冲击后剩余速度差距并不大，这证明当复合材料强度一定时， CB/STG夹芯层对于对复合材料抗冲击性能的提升有限。