摘要：為了提高碳纖維鍍鎳工藝的生產效率以及對填充復合型電磁屏蔽材料的開發,使用自行研發的碳纖維(CF)連續電鍍鎳生產設備生產鍍鎳碳纖維(Ni-CF),并制備了鍍鎳碳纖維增強丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)復合材料(Ni-CF/ABS),研究了偶聯劑對復合材料力學性能的影響,以及纖維金屬化及纖維含量對復合材料電磁屏蔽性能的影響。結果表明,偶聯劑使復合材料具有更好的力學性能,拉伸和彎曲強度分別達到41MPa和61.4MPa。纖維質量分數為12%時,復合材料達到最佳的電磁屏蔽效能。

關鍵詞：碳纖維;電鍍;復合材料;力學性能;電磁屏蔽

中圖分類號：TB332 文獻標志碼：A 內容來自123456

文章編號：1000-3851(2010)05-0019-05

隨著科學技術的發展和城市人口的迅速增長,汽車、電子、通信、計算機及電氣設備等大量進入家庭,生產和生活中的電子電氣設施越來越多,造成的電磁波輻射正以每年7%~14%的速度遞增,電磁波引起的電磁干擾(EMI)問題日益嚴重。 copyright 123456

因此,如何減少電磁輻射強度,防止電磁輻射污染,保護環境,保護人體健康,已經急迫地提到議事日程。電磁屏蔽材料的研發已成為人們關注的重要課題。金屬材料是理想的防電磁波輻射的材料,也是目前應用較為廣泛的電磁屏蔽材料。新型電磁屏蔽材料的研究正向著高屏蔽效率、低密度的方向發展,用大量塑料代替金屬材料成為現代材料的發展趨勢。碳纖維強度高、質量輕,并且具有較高的導電性能,可直接用于制備輕質屏蔽材料,但其導電性不及相應的金屬材料。鍍金屬碳纖維不僅具有碳纖維的高強度,而且有類似金屬的導電性,是現代高性能屏蔽材料的理想添加體。

本研究組前期曾采用溶液混料法制備了Ni-CF/ABS電磁屏蔽材料,在30~1200MHz頻率范圍內,其電磁屏蔽效能達到83dB[8]。但是溶液混料法步驟繁瑣,只局限于實驗室內研究使用,較難應用于實際生產。本文中研究采用單螺桿擠出工藝連接自動造粒設備制備Ni-CF/ABS電磁屏蔽復合材料。該工藝制備成本較低,能實現規模自動化生產,可以彌補國內迫切需求的工藝簡單、價格適中、電磁屏蔽效能優良的碳纖維復合材料的空缺。 copyright 123456

本文作者首先對碳纖維表面金屬化,然后采用單螺桿擠出工藝制備Ni-CF/ABS復合材料,并對復合材料的力學性能和電磁屏蔽性能的影響因素進行研究,為設計高性能碳纖維電磁屏蔽材料提供依據。實驗結果顯示,Ni-CF/ABS復合材料具有優良的力學性能和突出的電磁屏蔽性能,是一種具有很好發展前景的電磁屏蔽材料。 copyright 123456

1 實驗部分

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1.1 原材料

實驗用碳纖維為吉林碳素廠提供的T300型碳纖維,密度為1.75g/cm3,直徑為6~8μm,每絲束纖維含12000根單絲;電鍍用試劑為分析純,由天津江天化工技術有限公司提供;ABS由北京燕山石化有限公司提供;鈦酸酯由安徽泰昌化工有限公司提供。

1.2 碳纖維的電鍍與表面處理 本文來自123

將硫酸鎳、硼酸等化學試劑按照一定比例配制成溶液,在適當溫度下對碳纖維進行電鍍。將電鍍好的鍍鎳碳纖維(Ni-CF)用大量清水反復沖洗,干燥后進行表面處理;之后將Ni-CF放入混和溶液中浸泡30min,烘干。

1.3 復合材料制備 123,123

將各種添加劑以一定比例與ABS充分混合。采用單螺桿擠出法將混合后的ABS包覆在Ni-CF表面。單螺桿擠出法即將混和好的ABS粒料從主料口加入,Ni-CF從側加料口加入,擠出溫度220~260℃,包覆好的原料從出料口擠出。將包覆好的原料切成長度適當的粒料,然后將粒料注塑成型加工成標準試樣。復合材料中碳纖維的質量分數(Wf)分別為9%、12%、15%,復合材料樣品厚度為2mm。

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1.4 性能測試

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采用SEM對碳纖維電鍍前后的形貌進行觀察;采用光學顯微鏡對材料鍍層厚度進行觀察;彎曲性能參照GB/T9341-2000,采用CSS-44001電子萬能試驗機測試;電磁屏蔽效能參照QJ2809-96,由中國計量科學研究院測定。測試環境條件:溫度為22.5℃;濕度為45%(RH);測試頻率范圍為30~1200MHz。

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2 結果與分析 內容來自123456

2.1 碳纖維連續電鍍鎳生產工藝研究 內容來自123456

本研究首先對碳纖維進行表面電鍍鎳處理,電鍍鎳工藝采用自行研制的連續電鍍生產設備。圖1為收集的電鍍后碳纖維宏觀照片。從圖1可以看出,M電鍍后的碳纖維表面呈銀白色,有金屬光澤。電鍍生產設備的裝置示意圖如圖2所示。

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2.2 電鍍前后碳纖維形貌

圖3為碳纖維電鍍前后的SEM照片。對比圖3(a)和3(b)可知,電鍍后碳纖維表面鍍鎳層均勻、連續,同時鍍鎳層表面粗糙,有利于提高碳纖維與ABS之間的界面結合。圖4為鍍鎳碳纖維鑲嵌試樣的橫截面光學顯微鏡照片。鍍層厚度均勻,經過尺寸標定計算鍍層厚度約為1.5μm。

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2.3 表面處理對力學性能的影響

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界面是復合材料的重要組成部分,起著連接增強材料與基體的橋梁作用,是外加載荷從基體向增強材料傳遞的紐帶,對復合材料的宏觀性能起著極為重要的作用[9-10]。鈦酸酯是一種常用的、有效的偶聯劑和表面處理劑,可以提高纖維與基體間的界面結合強度,優化復合材料的宏觀性能[11-13]。因此,本實驗采用鈦酸酯作為偶聯劑對纖維進行表面處理,并與未使用偶聯劑的復合材料的力學性能進行對比。

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圖5(a)是未鍍鎳碳纖維(CF)以及不使用和使用偶聯劑處理的鍍鎳碳纖維(Ni-CF)分別與ABS復合制得的復合材料(分別簡寫為CF/ABS、Ni-CF/ABS、Ni-CF-T/ABS)的拉伸強度和拉伸模量(碳纖維質量分數為12%)。從圖5(a)可以看出,經鈦酸酯偶聯劑處理過的Ni-CF-T/ABS的拉伸強度和拉伸模量均比其他2種復合材料高,分別為41MPa和7GPa。CF/ABS和Ni-CF/ABS的拉伸強度相差不多,為27MPa左右;拉伸模量分別為6GPa和6.5GPa。Ni-CF/ABS的拉伸性能略高于CF/ABS。 copyright 123456

圖5(b)是CF/ABS、Ni-CF/ABS及Ni-CF-T/ABS的彎曲強度和彎曲模量。由圖5(b)可以看出,Ni-CF-T/ABS的彎曲強度和彎曲模量最高,分別為61.4MPa和4.8GPa。CF/ABS的彎曲強度和彎曲模量最低,分別為45MPa和3.2GPa。Ni-CF/ABS的彎曲強度和彎曲模量介于前二者之間,為54.6MPa和4GPa。

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由上述拉伸和彎曲性能的測試結果可以看出,碳纖維與ABS復合材料的力學性能最低,鍍鎳碳纖維復合材料居中,經鈦酸酯處理后的鍍鎳碳纖維復合材料力學性能最高,拉伸強度和彎曲強度分別比處理前提高了52%和12.5%。可能的原因如下:其一,由于單根碳纖維直徑很小,相互之間存在較大的靜電吸附力,影響注塑工藝中纖維的分散,致使碳纖維復合材料的整體力學性能較低。鍍鎳碳纖維由于每根纖維表面包覆有金屬,絲束內部纖維間靜電吸附力減弱,在同樣的注塑條件下,鍍鎳碳纖維分散情況明顯好于未鍍鎳碳纖維。其二,復合材料制備過程中單螺桿等設備對纖維具有一定的損傷,導致纖維強度受到一定的影響。纖維鍍鎳后,金屬鎳層對纖維具有一定的保護作用,減弱纖維的損傷,因而鍍鎳碳纖維復合材料力學性能優于未鍍鎳碳纖維復合材料。鈦酸酯偶聯劑是一種纖維表面處理劑,偶聯處理有助于纖維在基體中的分散,并且提高復合材料的均勻性及界面結合力,使該復合材料具有最高的力學性能。因此下文的研究中均使用鈦酸酯偶聯劑對鍍鎳碳纖維進行處理。 123456

2.4 纖維金屬化對電磁屏蔽性能的影響 123456

根據Schelkunoff電磁屏蔽理論,材料的電磁屏蔽效能SE由吸收損耗A、反射損耗R和內部反射損耗B組成。當A大于10dB時,B可以忽略,則屏蔽效能是A和R之和,用公式表示為：

其中:μr為材料相對銅的磁導率;σr為材料相對銅的電導率;f為電磁波的頻率;t為材料厚度。因此,當材料厚度t和入射電磁波頻率f一定時,材料的電磁屏蔽效能主要與σr和μr有關。纖維表面金屬化后,σr和μr值增大,復合材料屏蔽效能增加。圖6是復合材料在30~1200MHz頻率范圍內的電磁屏蔽效能曲線。由圖6可以看出,Wf=12%時,CF/ABS的屏蔽值在50dB左右,而Ni-CF-T/ABS的屏蔽值均在73dB以上,最高可達114dB。在500~1000MHz范圍內,碳纖維鍍鎳對電磁屏蔽性能的增強作用尤為顯著,屏蔽值提高60dB。可見,纖維表面金屬化可明顯提高材料的電磁屏蔽性能。同時,110dB的屏蔽值超過國外同類產品。

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2.5 纖維含量對電磁屏蔽性能的影響

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纖維含量不但對復合材料的力學性能有影響,而且對復合材料的導電性能和電磁屏蔽性能也有很大影響。為了降低復合材料的成本,在滿足電磁屏蔽效能的條件下應盡可能降低碳纖維的用量,因此,研究碳纖維的含量對復合材料電磁屏蔽效能的影響具有重要意義。由圖6可以看出,當纖維質量分數為9%時,復合材料的屏蔽值為40~50dB;纖維質量分數為15%時,屏蔽值為50~60dB;而當纖維質量分數為12%時,屏蔽值均在73dB以上,最高達到114dB。材料的屏蔽性能受纖維含量及纖維分散程度等因素影響。纖維含量越高,材料的導電性能越好,材料的屏蔽性能也就越高。但是,當纖維含量高于一定數值時,纖維將很難在基體中均勻分散,纖維在基體中得不到均勻分散會引起材料的導電性能下降,進而降低材料的電磁屏蔽性能。在現有實驗設備及成型條件下,纖維質量分數高于12%時,纖維在基體中分散困難,因而復合材料在纖維質量分數為12%時屏蔽性能達到最高。

3 結論 本文來自123

(1)自行研制了碳纖維連續電鍍鎳生產線,由該生產線生產的鍍鎳碳纖維表面鍍層連續均勻,厚度可控。 本文來自123

(2)由鈦酸酯偶聯劑處理過的纖維所制備的復合材料的拉伸、彎曲性能顯著提高,拉伸和彎曲強度分別達到41MPa和61.4MPa,分別比處理前提高了52%和12.5%。

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(3)纖維表面金屬化可以提高纖維增強ABS復合材料的電磁屏蔽性能,在500~1000MHz范圍內復合材料電磁屏蔽效能值最高。

(4)纖維含量對復合材料的屏蔽性能有很大影響。當纖維質量分數為12%時,復合材料屏蔽效能最佳。

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來源：慧聰網