碳纖維連續鍍鎳生產工藝及其屏蔽復合材料

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。
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。

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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。
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。

1 實驗部分

1.1 原材料

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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
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
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
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。

2 結果與分析

2.1 碳纖維連續電鍍鎳生產工藝研究
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。



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。 內容來自123456



2.3 表面處理對力學性能的影響
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。
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。



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
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。 123456




2.5 纖維含量對電磁屏蔽性能的影響
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。

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3 結論

(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。
(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%。
(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。