1、 1 毕业设计文献综述 纺织工程 聚乳酸 /导电高聚物复合纤维膜电磁屏蔽性能研究 一、前言部分 随着现代电子工业的高速发展 , 以及各种商用和家用电子产品数量的急剧增加 , 尤其是随着电子线路和元件的微型化、集成化、轻量化和数字化 , 导致日常使用的电子产品易受外界电磁波干扰（即 EMI）而出现误动、图像障碍以及声音障碍等。同时 , 这些电子产品本身也向外发射电磁波 , 从而形成了电磁波公害的问题。如国外曾发生电子游戏机妨碍警察通讯袖珍电子计算机造成民航导航装置发生误动 , 以及电脑控制的流水生产互失控、机械手乱动作伤人 等事件 , 重则导致机毁人亡。为此 , 世界上一些经济发达国家及有关国际
2、组织先后制订了防止电磁干扰的各种法规 , 以限制电子公害的发展。其中较著名的法规包括国际无线电抗干扰特别委员会颁布的CISPR国际标准美国联邦通讯委员会的 FCC规定 , 德国的 VDE法规 , 以及英国、加拿大和日本等国的规定等。在已经实施有关法规的国家中 , 凡电磁波干扰的控制达不到标准的电子电气产品不允许出厂和进口。另一方面 , 电子产品的壳体材料已由大量的塑料或类似的高分子材料取代了原来的金属或其它有效屏蔽材料。例如 1980年金属壳体的使用量占 60%, 塑料只占 40%。而 1986年金属材料所占的比例降至 35%, 塑料则达到 65%，塑料壳体以每年 10%的速度递增而且其所占比
3、例仍在继续上升。由于普通塑料材料对电磁波几乎不能吸收和反射 , 毫无防护能力。因此 , 电磁屏蔽材料的开发与应用变得十分迫切 1。 变得十分迫切。 二、主题部分 2.1 聚吡咯 1977 年 , Shirakawa 等发现含交替单键和双键的聚乙炔经过碘掺杂后 , 其电性能不仅由绝缘体 (10 - 9 S/ cm) 转变为金属导体 (103 S/ cm) ,而且伴随着掺杂过程 ,其薄膜颜 色也由银灰转变为含有金属光泽的金黄色。从此 ,打破了聚合物都是绝缘体的观念 ,标志着新一代功能材料 本征型导电聚合物的诞生 。导电聚合物由于其独特的电磁学性能而受到国内外极大的关注。目前 ,最典型的电磁导电聚合
4、物有 PPy、聚苯胺 ( PANI) 、聚苯乙炔 ( PPA) 、聚噻吩 ( PTh)和聚对苯撑乙烯 ( PPP) 等 ,都可广泛用于纳米复合材料的导电基。而在这些导电聚合物中 , PPy 由于具有较高的电导率、耐环境稳定性好、易于氧化合成等优点 ,用其制备的多功能型复合材料可以2 广泛应用于各种电子器件 ,如二次电池、电磁 干扰、二极管、化学生物传感器、导电复合材料等 ,具有潜在的应用价值和广阔的应用前景。掺杂态的本征型导电聚合物的电磁性能和力学性能均不是很突出 ,纯 PPy 很难溶于常用的有机溶剂 ,为了改善 PPy 的这些性能 ,导电聚合物 / 纳米复合材料引起了人们极大的兴趣 ,因为其
5、产生导电聚合物不具备的新的物理化学性能 ,以及使导电、导热、力学性能、加工性能等得到改善 ,还可集高分子自身的导电性和纳米级别颗粒的功能于一体。这种复合材料具有很广阔的应用前景 ,将会迅速成为纳米复合材料领域的研究热点 2。 2.2 静电纺丝法 2.2.1 原理 静电纺丝是通过在聚合物溶液中施加外加电场来制造聚合物纤维的纺丝技术 (即聚合物喷射静电拉伸纺丝法 ) ,是一种制造超细纤维的重要方法。该方法与传统的方法明显不同 ,首先将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电 ,带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管的Taylor 锥顶点被加速。当电场力足够大时 ,聚合物液滴可克服表面张力形成喷射
6、细流。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化 ,最终落在接收装置上 ,形成类似非织造布状的纤维毡 (如图 1 所示 ) 。静电纺丝能使纤维变成纳米级的原因主要是在强电场作用下 ,流体从 Taylor 锥中被顶出 ,形成射流 ,直径变小 3。 图 1 静电纺丝原理图 2.2.2 影响因素 影响静电纺丝过程的因素主要有两个方面 ,一为溶液性质 ,包括粘度、电导率、表面张力等 ;二为纺丝设备参数 ,例如毛细管中的流体静压、毛细管尖的电位以及尖端和收集装置之间的距离3。除此之外还包括温度、湿度、纺丝室的气流速度等一些环境参数的影响 4 。 2.3 电磁屏蔽材料国内外研究进展 目前 ,国外发达国家电磁屏蔽材料发
7、展很快 ,特别是美国、英国、日本等已经形成生产各种类别和系列规格的屏蔽材料产业 ,至上世纪 80年代末 ,美国生产屏蔽材料的公司就已超过 25家 ,年销售额以每年 50%的增长率增长。国内在电磁屏蔽材料领域相对滞后 ,开发应用的品种较少 ,屏蔽性3 能低 ,未能形成产品的系列化和产业化。研究较多限于频率 1GHz以上的屏蔽材料 ,而 10kHz 1GHz范围内屏蔽材料的研究起步较晚 ,仅有少数研究单位进行研究 ,至今国内使用的高档屏蔽材料主要依靠国外进口 5。统计表明 ,在美国使用电磁屏蔽涂料方法占各种屏蔽方法的 80 %以上。目前 ,国外开发重点为填充型复合材料 6. 电磁屏蔽主要用来防止高
8、频电磁场的影响 , 从而有效 地控制电磁波从某一区域向另一区域进行辐射传播。其基本原理是 : 采用低电阻的导体材料 , 并利用电磁波在屏蔽导体表面的反射和在导体内部的吸收以及传输过程的损耗而产生屏蔽作用 , 通常用屏蔽效果 (S E ) 表示 7。 电磁波能量的衰减程度的大小表示了屏蔽效应的好坏 ,它以分贝值 (dB) 来表示 ,分贝值越大 ,则衰减的效果越好 6。 目前按所使用的主要有以下几种电磁屏蔽材料： （一） 高分子导电涂料 目前研究较多的是掺合型导电涂料 ,主要由高分子聚合物、稀释剂、添加剂以及导电性填料组成 ,即把导电微粒如金属粉末金、银、铜 、镍等和非金属粉末碳、石墨、云母片等掺
9、入到高分子聚合物 ,如丙烯酸树脂、环氧树脂、聚氨酯和乙烯基树脂等 ,并使其具有导电性。高分子导电涂料包括银系、碳系、铜系、镍系等。 Cheng - Hsiung Peng等 8在 Ag纳米微粒上沉积尖晶石铁酸盐 Ni0. 5 Zn0. 5 Fe2O4 ,形成了以 Ag作为核心以 NiZn铁酸盐作为包覆层结构的纳米粒子粉体 ,把这种纳米粒子粉体填充到树脂聚亚安酯中形成了高频电磁波的吸收体 ,当频率为 9GHz时 ,反射损耗超过了 - 25dB。 Magali 9研制的填充了羟基铁和铁酸盐粉末 的涂料 ,当频率在 8 16GHz,其反射损耗达 - 40dB。吴行等 10采用微米镍粉、氧化锌晶须、
10、SiC、锆钛酸铅、 Ni -zN软磁铁氧体作为填料 ,制备出宽频的高吸收低反射涂料 ,在 10kHz 1GHz频段 SE达 40dB。 (二 )发泡金属 发泡金属是由金属骨架和连通的空洞组成的多孔材料 , 材料主要是发泡金属镍和发泡金属铜镍 , 其材料结构上的特点使之具有良好的反射和吸收电磁波的能力 11。文献 12对发泡金属镍的电磁屏蔽性能进行了研究 ,试验表明 ,发泡金属的孔径越小屏蔽性能越好。在 14kHz 10MHz范围内 , SE 77dB; 在 10 500MHz内 , SE达 90dB。凤仪等 13采用粉末冶金发泡法制备闭孔泡沫铝 ,通过调整发泡剂含量、发泡温度、粘度、保温时间等
11、手段 ,制得孔隙率可调 ,孔洞分布均匀的闭孔泡沫铝样品 ,并测试了不同孔隙率和孔径的泡沫铝样品的电磁屏蔽性能。结果表明 :在100 1000MHz内 , SE在 60 90dB之间 ,且随着孔隙率、孔径的增加 ,泡沫铝的电磁屏蔽性能呈下降趋势。 4 (三 )表面敷层薄膜屏蔽材料 这类材料是使塑料等绝缘体的表面附着一层导电层 , 从而达到屏蔽的目的 , 属于以反射损耗为主的屏蔽材料 。常用的制备方法包括化学镀金、真空喷镀、溅射、金属熔射以及贴金属箔等14。化学镀金是采用非电解电镀法把金属 Ni、 Fe- Ni6或 Cu/Ni 15等镀到 ABS 等工程塑料表面。该方法是目前塑料表面金属化用得最多
12、、效果最好的一种方法 , 也是目前唯一不受壳体材料形状及大小限制且能获得厚度均匀导电层的方法。真空镀是采用 PVD技术使金属气化 ,然后在基材表面形成金属镀层 ,国内外在这方面的公开交流的资料不多。目前真空镀 Al在 30 1000MHz时 , SE可达 50 70dB5。国内吉林大学张丽芳等 16研 究了磁控溅射法在塑料基片 H IPS沉积 Cu /Ni薄膜的工艺 ,在 10 106kHz范围内 ,铜层为 1. 0 4. 0 m时 , SE为 80 110dB,试验发现薄膜的屏蔽主要取决于反射衰减 ,吸收衰减很小 ,并认为多的反射面数可以获得高屏蔽效果。美国E.Savrun 等人 17用溅射
13、的方法在 ZnS上沉积一层 WSi2. 0. 7 m的薄膜 ,在 400MHz 18GHz的屏蔽性能效果良好 ,其中在 2GHz屏蔽效能可达 53dB。 2000年中科院李秀荣等 18采用阴极磁控溅射法在普通厚玻璃上制备用于高频电磁屏蔽的 ITO透明导电膜 ,研究了膜层的结晶程度和晶粒大小对膜层性能的影响 ,结果表明方块电阻在 5 40 /范围内 ,在 8 18GHz高频范围内电磁波的反射率达 88.5%。溅射镀金是在真空容器中将氩离子用高能量冲击到金属上使金属气化 ,然后在塑料织物等的表面形成金属薄膜 19。溅射镀金也能适用于各种塑料 ,与真空镀金法相比 ,其镀层金属与塑料的粘附力一般要更强
14、一些 ,但是其设备费用高昂 ,也同样存在真空镀金法所存在的优缺点。金属熔射法是将金属在电弧高温下瞬间熔融后立即用高压空气将熔融金属吹成雾状喷到塑料表面上。将金属 Zn经电弧高温 熔化后用高速气流将其以极细的颗粒状粉末吹到塑料表面 ,形成一层极薄的金属层 , 厚度约 50 m,具有良好的导电性 ,体电阻率可达 10- 2 cm 以下 ,屏蔽效果约为60120dB。金属熔射法的缺点是镀 Zn层与塑料之间的粘附力较差 ,镀层容易脱落 ,需要特殊的熔射装置。贴金属箔复合屏蔽材料是将金属箔或复合金属箔 20,21等与塑料薄板、薄片或薄膜先用粘接剂粘合在一起 , 再用层压法压制成型 , 可制作软质和硬质的
15、屏蔽材料。金属箔可以贴在表面 , 也可贴在两层塑料之间。其优点是方法简单易行、粘接强度高、不易部分脱落 , 而 且导电性能良好 , 屏蔽效果可达 70dB 以上 , 但是对于复杂形状则施工操作非常困难。 (四 )纤维织物类复合材料 电磁屏蔽纤维织物材料在 20世纪 80年代主要采用的是普通布化学镀金属化合物织物、普通布电镀金属化合物织物、普通化纤络合铜纤维织物、碳纤维与普通纤维混纺织物及金属纤维无纺布等。至 90年代则主要采用导电纤维加成电化学织物。上述这些纤维织物 , 由于诸多因素的制约 , 5 还存在着许多技术缺陷怕揉搓、拉伸、洗涤或屏蔽性能不持久等。碳纤维由于具有比重小、比强度高、导电性
16、良好等特点正受到从事电磁屏蔽复合材料研 究人员的重视。普通的碳纤维可以借助特殊的工艺处理方法 , 通过改善碳纤维的电磁性能而使屏蔽效能得到进一步的提高。这些方法包括在碳纤维表面包覆金属、镀覆 SiC、沉积石墨碳粒 , 以及将碳纤维原料与其他的成分混合制成复合碳纤维等 ,其中碳纤维表面沉积或镀覆碳粒或 SiC膜是碳纤维电磁改性的常用方法。 三、 总结部分 电磁屏蔽导电复合材料是现代电子工业发展所必需的功能性防护材料 , 国外十分重 视这类材料的研究和开发 , 并取得了不少研究成果 , 各种类别的屏敝材料均占有一定的应 用领域 , 对防治电子公害、确保电子产品和设备 安全可靠的工作起到了重要的作用
17、。表面 导电材料和导电复合材料是目前普遍采用并具有广阔发展前景的两种电磁屏蔽材料 , 它 们不仅具有较好的屏蔽效果 , 而且工艺简便 , 成本低廉。尽管我国在这方面的研究起步较 晚 , 但随着电子工业的迅猛发展和电子产品使用普及率的显著提高 , 而且为了提高电子产 品在国际市场的竞争能力 , 我们必须加强电磁屏蔽导电复合材料的研究和开发 , 不断开拓 其应用领域 , 这必将产生显著的社会效益和经济效益。 四、参考文献 1杜仕国电磁屏蔽材料的现状与发展 J.化工新型材料 ,1995,4:002 2王育萍，童国秀，赫斌，梁孝锡，陈柯宇 .聚吡咯 /Ba_(0.9)Nd_(0.1)Fe_(11.5)
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