随着科学技术的发展和城市人口的迅速增长,汽车、电子、通信、计算机及电气设备等大量进入家庭,生产和生活中的电子电气设施越来越多,造成的电磁波辐射正以每年7%~14%的速度递增,电磁波引起的电磁干扰(EMI)问题日益严重。

因此,如何减少电磁辐射强度,防止电磁辐射污染,保护环境,保护人体健康,已经急迫地提到议事日程。电磁屏蔽材料的研发已成为人们关注的重要课题。金属材料是理想的防电磁波辐射的材料,也是目前应用较为广泛的电磁屏蔽材料。新型电磁屏蔽材料的研究正向着高屏蔽效率、低密度的方向发展,用大量塑料代替金属材料成为现代材料的发展趋势。碳纤维强度高、质量轻,并且具有较高的导电性能,可直接用于制备轻质屏蔽材料,但其导电性不及相应的金属材料。镀金属碳纤维不仅具有碳纤维的高强度,而且有类似金属的导电性,是现代高性能屏蔽材料的理想添加体。

本研究组前期曾采用溶液混料法制备了Ni-CF/ABS电磁屏蔽材料,在30~1200MHz频率范围内,其电磁屏蔽效能达到83dB[8]。但是溶液混料法步骤繁琐,只局限于实验室内研究使用,较难应用于实际生产。本文中研究采用单螺杆挤出工艺连接自动造粒设备制备Ni-CF/ABS电磁屏蔽复合材料。该工艺制备成本较低,能实现规模自动化生产,可以弥补国内迫切需求的工艺简单、价格适中、电磁屏蔽效能优良的碳纤维复合材料的空缺。

本文作者首先对碳纤维表面金属化,然后采用单螺杆挤出工艺制备Ni-CF/ABS复合材料,并对复合材料的力学性能和电磁屏蔽性能的影响因素进行研究,为设计高性能碳纤维电磁屏蔽材料提供依据。实验结果显示,Ni-CF/ABS复合材料具有优良的力学性能和突出的电磁屏蔽性能,是一种具有很好发展前景的电磁屏蔽材料。

1 实验部分

1.1 原材料

实验用碳纤维为吉林碳素厂提供的T300型碳纤维,密度为1.75g/cm3,直径为6~8μm,每丝束纤维含12000根单丝;电镀用试剂为分析纯,由天津江天化工技术有限公司提供;ABS由北京燕山石化有限公司提供;钛酸酯由安徽泰昌化工有限公司提供。

1.2 碳纤维的电镀与表面处理

将硫酸镍、硼酸等化学试剂按照一定比例配制成溶液,在适当温度下对碳纤维进行电镀。将电镀好的镀镍碳纤维(Ni-CF)用大量清水反复冲洗,干燥后进行表面处理;之后将Ni-CF放入混和溶液中浸泡30min,烘干。

1.3 复合材料制备

将各种添加剂以一定比例与ABS充分混合。采用单螺杆挤出法将混合后的ABS包覆在Ni-CF表面。单螺杆挤出法即将混和好的ABS粒料从主料口加入,Ni-CF从侧加料口加入,挤出温度220~260℃,包覆好的原料从出料口挤出。将包覆好的原料切成长度适当的粒料,然后将粒料注塑成型加工成标准试样。复合材料中碳纤维的质量分数(Wf)分别为9%、12%、15%,复合材料样品厚度为2mm。

1.4 性能测试

采用SEM对碳纤维电镀前后的形貌进行观察;采用光学显微镜对材料镀层厚度进行观察;弯曲性能参照GB/T9341-2000,采用CSS-44001电子万能试验机测试;电磁屏蔽效能参照QJ2809-96,由中国计量科学研究院测定。测试环境条件:温度为22.5℃;湿度为45%(RH);测试频率范围为30~1200MHz。

2 结果与分析

2.1 碳纤维连续电镀镍生产工艺研究

本研究首先对碳纤维进行表面电镀镍处理,电镀镍工艺采用自行研制的连续电镀生产设备。图1为收集的电镀后碳纤维宏观照片。从图1可以看出,M电镀后的碳纤维表面呈银白色,有金属光泽。电镀生产设备的装置示意图如图2所示。