一种抑制辐射的纤维 袁源学习翻译

一种抑制辐射的纤维 袁源学习翻译

Electrodeposited carbon fiber and epoxy based sandwich

architectures suppress electromagnetic radiation by

absorptionRani Rohini , Suryasarathi Bose*

of Mataials Engineering Indian fjistilute of Science. Bangabre, India

Ni功能化碳纤维(CF)通过简便的电沉积技术。在CF表面(Ni-CF)上均匀且稳定地

沉积Ni。米用Ni- CF和CF的双层夹层结构体现在环氧树脂基体中。总屏蔽效果

高达- 50 dB。强大的EM波吸收器，频率为^5GHz (-40dB)。

关键词

EM I屏蔽

吸收

环氧

碳纤维

电

1.介绍

任何里磁王扰会中断，阻碍，或电子和的劣化或限制有效运作的里气设

备可以被称为"电磁干扰"(EMI)。作为电磁环境的密度由干数字化 而继续

Ml是由电磁场引起的干扰，其阻碍电气或电子设备的适当性能。

EMI屏蔽是指材料对电磁辐射的反射和/或吸附，从而起到防止辐射穿 过

材料的屏蔽的作用。目的是避免EM I影响敏感电子产品，从而保持其 性

能山L，』21，_［^1，』40。EM波可以通过三种机制衰减，即反射，吸

收和多次反射。通过反射机制，由于阻抗的不匹配，入射的EM波从屏 蔽

表面反射。在吸收机制中，当入射的EM波由于阻抗匹配而进入屏蔽 材料

时被抑制并且损失其能量。多重反射是由于材料［内EM波的反射造 成的

5, 6］。

在过去，金属作为EM I屏蔽是优选的，但它们是致密且非柔性的，具有

更大的氧化敏感性并且需要能暈密集的处理方法。金属EM屏蔽可以从 铜，

锌，铝等获得。相比之下，聚合物或聚合物混合物具有耐腐蚀性， 重量

轻，易于加工［_0，M，M，f1Q］］。。但聚合物不具备抑制EM 波 的

能力，导电聚合物是例外1Q。此外，聚合物复合材料作为屏蔽材料 是优

选的选择，因为定制的特性在宽带频率范围内更容易实现所需的 EM抑制。

从文献中可以看出，基于聚合物复合材料的EM I屏蔽材料可 以以各种形

式获得，例如薄涂层，粘合剂，柔性薄膜，织物，薄外壳等 ［12, 101，M，

上QU现在，在碳纤维，碳纳米管，氧化石墨烯，碳纳 来纤维等碳基材料

填充的聚合物复合材料领域进行了大量的研究工作， 以获得优异的电磁

波抑制［M，H，M，M，M，I2Q，12, 1211］。 已有多项研究表明CF可

用作有效的E Ml屏蔽材料。由于其固有的石墨 结构，C F 显示出高导电性

和导热性丨241。已知CF改善聚合物的电学， 机械和热和E Ml屏蔽性能。

黄等人。使用发泡和未发泡的PBT/ CF复 合材料，结果表明，在30%CF负

载下，发泡复合材料的屏蔽效果为-QQ

ds (SE)。这种行为归因于CF的随机取向［M，IM , 127, M , 29］o Park等。

［迦］。研究了发泡和固体聚丙烯/碳纤维(PP- C F )复合材料， 用于EMl

屏蔽应用。观察到，对于10vol%CF，发泡P P - CF 复合材料表 现出24.9dB

的SE，这对应于8 1.AGHz频率范围内99.7%o的EM波阻 塞。Lu及其同事

准备了超薄，柔韧的多层CF，并将其整合到P C基质 中。该复合材料在

V .^V - !9>G H z的频率范围内表现出优异的3V9dBEM I 屏蔽效能［3］。

Tzeng等。［3。。研究了用于E Ml屏蔽应用的Cu和Ni 涂层碳纤维/ ABS

复合材料。沉积目的采用无电技术。他们观察到，与 Cu相比，Ni表现出

与CF表面更好的粘附性，并最终表现出增强的EMI 屏蔽能力。

在目前的工作中，已经努力通过在其表面上电沉积磁性颗粒(这里是镍) 来

增强CF复合材料的E Ml屏蔽效果。这项工作的目的是彻底分析和优 化功

能化CF 的形态，最适合实现EM 波的优异吸收。该方法的另一个 优点是

CF织物的完整性是完整的，我们不需要牺牲由于纤维破坏引起 的性能。

我们通过改娈电流和沉积时间来优化Ni沉积的CF (Ni- CF)

的形态。使用各种表征技术彻底分析功能化CF.扫描电子显微镜用干评 估

CF表面的形态。获得X射线衍射图以证实表面上存在N-。振动样品 磁强

计用干分析N-CF 的磁性行为。进行热重分析以了解环氧/ N-CF 复合材料

的热稳定性。进行CF和N。CF表.面的电导率测暈。在对Ni 沉积CF进行

全面评估后，我们在环氧树脂基体中制备了 N。CF和CF 的双层夹层结构。

有助于吸收EM波，而第2层是裸CF表面。还

氧复合材料用2层CF编织垫作为对照样品。相对于对照环氧树脂/ CF

复合材料，这种2层结构在EMl SE中表现出200%的增量。

2。实验细节

2.1。物料

本研究中使用的碳纤维是直径为5|j m的双向编织PAN，购自Hindustan

Technical Fabrics。环氧树脂（双酚表氯醇，E POL AM 8052）和基 干

胺固化剂（2,2-二甲基4,4_methylene双（环己胺））惠赠由蔼技术 （法国）

提供。商业上采购氯化镍（II）六水合物，硼酸，溶剂。

22。电化学沉积设置

电化学沉积在室温下在环境条件下进行。为此，首先，用0.5g Nice 6HO

和去离子水制备金属盐溶液。加入硼酸（H3BO3）以维持溶液的pH。将

0.5g金属盐和0.5g硼酸（1:1比例）溶解在100ml水中。该溶液用作电 沉积

的电解质。CF垫用作阴极，铂网用作阳极（惰性电极）。方案1 描述了电

沉积过程的实验装置;方案0显示使用的实验室规模设置。该 技术在工业上

是可行的和可扩展的。

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方案1。实验室规模电沉积设置的示意图。

2.3 o 夹层复合材料制造

在这项工作中，我们的目的是实现EM波的最大吸收并提供有效的EMl 屏

蔽效率。夹层复合材料用两层制备，第1层为Ni官能化CF （Ni- CF），

第2层为CF，环氧树脂为基质。使用真空辅助树脂传递模塑（VARTM）

技术制备复合材料，树脂/填料比为50:50 （重量）。样品在120C下固 化，

后固化在20C下进行。使用2-层CF /环氧复合材料作为对照样品。 图1显示

了采用VARTM 设置的环氧树脂复合材料的制造。为了制造夹 层结构，

放置一层CF垫（层2，接着放置一层Ni- CF （层2）。这些 层覆盖着剥离

层和流动介质，使树脂均勻且容易地流入纤维。然后真空 袋与在边缘处

的硅真空带铺设，以确保有效的真空。通过入口注入树脂 并使用泵产生

真空。真空有助于避免在最终成品复合材料上形成任何空 隙或皱纹。复

合材料中存在这种缺陷会降低复合材料的机械性能。将具 有VARTM 设

置的复合材料保持在烘箱中以在120C下固化，然后在 20C下进行后固化。

固化后，测量样品厚度为0.4mm。对复合材料进行 轻微抛光以进行不同

的实验。

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2下载全尺寸图片图1。制造的碳纤维使用VARTM技术复合材料。

2.4 0描述

使用ESEMQuanta200, FEI扫描电子显微镜（SEM）表征各种Ni沉积 的

CF表面的形态特征。使用具有Cu靶的X- Pert PRO X射线衍射仪分 析结

构，并使用图案分析图案。NETZSCHSTA409热重分析仪（TGA） 用于

研究在空气中30 1200C的温度范围内官能化CF的降解。 Lakeshore

Vibrat ing Sample Magnetametat 用干研究功能化 CF 的磁性

行为。表面导电性使用4-探针法在Agi lent探针台上测量层压材料。使 用

矢量网络分析仪(VNA)在室温下在12-18GHZ的频率范围内分析薄 层压板

的EMI屏蔽行为。当暴露于18GHZ EM波时，使用IR分析仪获 得层压板的

热扫描。

3。结果和讨论

3A o 功能化碳纤维的显微分析

为了观察镍沉积的CF的微观结构，使用ESEMQuanta200FEI扫描电 子显

微镜获得显微照片。图2a- e显示在不同电流但恒定沉积时间的CF 表面上

的电沉积Ni的SEM显微照片(放大倍数x 10000)。图2a显示 了未涂覆的CF

的裸露表面，没有表面缺陷。图2 (be)示出了在30 分钟的恒定沉积时间下，

在不同的施加电流，即30mA，60mA，90mA 和80mA下，Ni颗粒在CF表

面上的沉积。我们观察到随着施加电流的 增加，电沉积Ni在整个CF表面

上更均勻。在60mA下观察到均勻沉积 的球形Ni颗粒。在90mA时，Ni颗

粒明显粗化，沉积不均勻。在150 mA 的较高电流下，Ni的生长速率增加，

并且在CF上形成Ni的微锥［ 33］。 在更高的电流，我们观察到氧气放出，

其是不利的镍CF的特性，因为 这增加了氧脆丨3, 3。因此，根据上述观察，

将施加的60mA电流指 定为功能化所需的最佳电流CF.为了进一步讨论，

我们将这种功能化的 C F 称为Ni- C F @ 60mA30min。我们还用Fe和Co盐

进行了电沉积，这 些都在支持信息中讨论。根据Fe-CF和CoCF的SEM显

微照片(图 S1和S2)，我们观察到这些磁性颗粒的沉积在各种施加的电流值

(30 150mA)下是不均勻的。这种微结构可能无法在绐定的频率范围内 提

供一致的EMl屏蔽行为。图S3和S4显示了在5- 15GHz的频率范围 内测量

的Co CF @ 60mA30min和Ni- CF @ 60mA30min的总屏蔽效果 从图2很明

显，Co在CF纤维上的不均勻沉积在较高频率下产生不均勻 的EMl屏蔽响

应，与Ni-CF@60mA30min不同，从应用的观点来看，

这种材料是不可取的。因此，我们的研究主要集中在Ni官能化CF.

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图2。Ni沉积的CF （a） OmA的SEM显 微 照 片 :（ b） 30毫安；（c） 60毫安；

（d） 90毫安；（e）在30分钟的恒定沉积时间下150mA。

获得Ni- CF@ 60mA30min的XRD图案以确认Ni的存在并进一步评估沉 积

的N-的相结构。图3示出了在20值44.6,52.0和76.6处存在三个特 征峰，其对

应于（111）， （200）和（220）的来勒指数，如X R D 图中 所示。从

JCPDS参考，因为我们可以分配结构面心立方丨33, 3J。没 有额外的峰，

这表明在电沉积过程中没有形成Ni氧化物。这对于实现 高饱和磁化是重

要的,可进一步提高复合材料的E Ml屏蔽效能。

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N!i (111)

Ni (200)

Ni (220)

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图30 a） Ni- CF @ 60mA30mins 的 XRD 曲线；b） Ni- CF @ 60mA30mins 的

TGA; c） Ni- CF @ 60mA30mins 的磁滞回线。

讲行热分析以讲一步证实在制备NnCF 期间不存在任何杂质，例如Ni 氧

化物或氢氧化物。图3b显示了 Ni- CF @ 60mA30分钟的热降解曲线。 该

实验在30 1200C的温度范围内在空气中以10C/ min的加热速率讲 行。从曲

线可以清楚地看出，由于CF结构的分解，在650C下存在降 解。

为了解Ni- CF在EMI屏蔽机理中的关键作用，研究功能化CF的磁导率 和

电导率是关键。众所周知，磁性颗粒通过各种机制增强了对输入EM 辐射

的吸收，并且主要通过反射提高了导电表面的屏蔽。振动样品磁强 辻

（VSM）用于研究在10000G的外部施加电场下的官能化CF的MH曲 线。

图3c显示室温下Ni- CF @ 60mA30mins样品的磁性。碳纤维在外部 磁场

存在下不显示任何磁响应，并且本质上是顺磁性的［ 3。发现Ni- CF @

60mA30mins的饱和磁化强度（M S）值在10000G外场下为7.55emu / g。

虽然Ni-CF的M S值远小于Ni颗粒的M S值。［ 37,它在复合材料样品 中的

存在将提供磁偶极子，其可以与进入的EM辐射相互作用并有助于 衰减它。

MH曲线表现出小的矫顽力和保持力。根据磁滞曲线，矫顽力 （H。）和

剩余磁力分别测量为151G和05 emu / g。导电性是另一个决 定EMI屏蔽行

为的重要参数。从Van der Pauw方法计算纯CF和Ni- CF @ 60mA30mins

的电导率值。该方法提供CF表面的平均表面电阻率 它也适用干各向异性

表面。从结果可以清楚地看出，电导率值的变化可

以忽略不计。发现CF和Ni-CF的电导率约为V4S /m。它还表明不会

形成Ni氧化物或氢氧化物，这会抑制Ni- CF的电性能。

4。夹层复合结构分析

在仔细和彻底地评估CF和Ni- CF之后，如前所述制造了 2层复合材料。

检查复合材料的形态，电学，热学和EMl屏蔽行为。图4a-b显示了 Ep/CF

和 Ep/Ni-CF/CF 复合结构的 SEM显微照片。 ED / Ni- CF / CF 的SEM显

微照片由干在CF上的Ni沉积而表现出粗糙或不平坦的表面，

而Ep/CF 显示出光滑的表面。这种Ep/Ni-CF/CF复合材料的混合

结构可以提供表面以阻止EM辐射并屏蔽器件的故障。

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图4。Ep/CF和Ep/Ni-CF/CF复合材料的SEM显微照片。

如前所述，对于绐定的屏蔽材料，重要的是分析其电和磁行为，因为屏

蔽能力取决于电/磁偶极王的存在。如图5所示，在室温下使用VSM获

得Ep/ N- CF / CF复合材料的MH磁滞曲线。在10000G的外部施加电

场下发现饱和磁化强度(M s)为4emu/g。与官能化CF相比，M s值降

低，即Ni- CF@ 60mA30mins，由于非浸渍-功能性CF编织垫中的磁性

环氧树脂。矫顽力(H。并且E p/Ni C F /C F 的剩余磁化强度分别测量 为130G

和1.3emu/ g。E p/ N i CF / CF 复合结构中Ni的存在将与进入 的EM辐射相

互作用并进一步衰减。使用四探针法分析Ep/ CF和Ep/ Ni-CF/CF的电学行

为。将样品切成方形(13x 13cm 2 )并在四个角用 探针制成电触点。该方法

优选用于降低接触电阻的影响。Van der P auw 关系用于确定表面电导率。

我们观察到环氧复合材料的电导率值有微小 变化。发现Ep / CF和E p/ Ni-

CF /CF的表面电导率分别为1和1.S / cm,这足以确保有效的EMI屏蔽。这也

表明，由干电沉积过程，导电

网络没有受到阻碍。

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图5。Ep/Ni-CF/CF复合材料的MH磁滞曲线。

使 用 2 端 口 Rhodes和Schwarz矢量网络分析仪在室温下在3- 3GHz 的频

率范围内测量E Ml屏蔽效果。使用穿过端口 1和 2的 VNA测量散 射参数。

将环氧树脂复合材料切成矩形以适合波导。在实际测量之前执

行短路开路(S O L T )校准。从等式(1),我们知道S E M a l是吸收(S E A ), 反射

(S E R ) 和 多 次 反 射 (S E U )的总和。由干样品厚度大干趋肤深度， 因此多

次反射可忽略不计。从方程式(2)， (3)我们分别计算了从散 射参数得到的

SE A和SE R方 案 2显 示 了 EM 屏蔽测量的实验装置。

(1) SETotal=SER+SEA+SEM

(2) SEA=10< Iog10(1-S112S212)

(3) SER = 1x Iog10(11-S112)

fielder cable

M U

2-port VNA

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方案2。 EM屏蔽实验设置。

图6a显示了用CF和Ni- CF增强的环氧复合材料的总屏蔽效果(SE 总和)。 E P

/ CF复合体表明SE 总的- 20 dB值在12GHz，而E P /镍CF / CF在 SE表现出

几乎70%的增量总值，并将其结果为- 41分贝以相同的频率。 在10GHz的较

高频率下，Ep/ CF再次显示出- 20dB的屏蔽效果，而对 于Ep/Ni-CF/CF SE，

总共发现-45dB。我们进一步研究了有效EMI屏 蔽行为所涉及的机制。图6l>

c分别示出了作为频率的函数的SE A和SE R

图。从凰6b可以清楚地看出CF与Ni的功能化显着提高了 Ep/ CF复 合材料

的吸收能力。Ep/CF 复合材料显示最大SE A值为- 15dB，而Ep / Ni- CF /

CF表现出高迖- 40dB。这可归因于包含Ni和CF的混合结构 形成。Ni-CF

表面提供阻抗匹配，有助于吸收入射EM方式并进一步降 低其沿厚度的能

量。因此，它提供了 Ep/Ni-CF/CF复合材料的优异 吸收性能。尽管SER&

有显着变化，但由于在导电材料存在下反射占主 导地位。但是我们从复

合材料的电响应中观察到，电导率值只有轻微变 化，因此SER并没有太大

改变。对于Ep/Ni-CF/CF复合材料，发现 SE R约为-TldB，而Ep/CF在5

GHz时显示SER - 7dB （ 参 见 图 6c）。 这些材料可用作优异的EM吸收

剂。

n

-?0

12 13 14 15 1? 17 IS

Frequency (GHz)

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图6。a） SE总数;b SE吸收和;c）环 氧 复 合 材 料 的 SE反射作为Ku波段中频率

的函数。

从以上讨论可以清楚地看出，吸收机制在Ep/ Ni- CF / CF的EMI屏蔽 行为

中占主导地位。因此，当暴露于高频EM辐射时研究材料的热响应 变得重

要。方案3显示了用于测量EM辐射影响下层压板的热响应的实 验装置。

对于该分析，将环氧树脂复合材料暴露于18GHz频率10分钟， 然后使用

红外扫描仪捕获这些复合材料的热响应。图7.显示暴露于高频 E M 波8分

钟后捕获的Ep / CF和E p/ Ni-CF/CF的热扫描。我们观 察到材料内没有明

显的温度升高。Ep/CF显示平均温度为28°C，而 E p/Ni- C F / C F 显示温度

为30C。

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方案3。在高频EM波的影响下使用IR热分析仪获得的复合材料的热扫描。

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图 7 。（ a） Ep/CF的热扫描；（b）暴 露 于 1 8 GHz的EM辐射时的Ep/ N- CF /

CF.

此外，我们进行了这些复合材料的热隆解研究，这从应用的角度来看是

重要的。采用TGA在30 80CTC的温度范围内研究了复合材料的热降解 曲线。

图8显示了 Ep/ CF和E p /Ni- C F / C F 复合材料的热分解行为。 E p /C F 和

Ep/Ni-C F / C F 的T G A 扫描显示两步降解。步骤1降解（如 图8所 示 ） 在

250和40Q C 之间表明环氧基质的分解:而对应于450 600 的温度范围内的重

量损失的步骤2对应干碳纤维的降解开始。在两个样 品中均未观察到额外

的降解，这表明在复合材料的加工过程中，N 颗粒 不会反应产生氧化物

或氢氧化物。发现在800C 下E p / C F 和E p/N- C F /C F 的残留重量百分比分

别为45%和50%。

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图8。环氧树脂复合材料的T GA曲线随温度变化。

5。结论

在这里，我们已经清楚地展示了通过使用薄，重量轻且易于制造和集成

环氧树脂/ CF基夹层结构来抑制EM辐射的策略。通过电沉积，在工业 上

可扩展的策略，将Ni沉积到CF上以制造功能性环氧树脂/ CF夹层结 构。

通过改变施加的电流（30 150mA）和时间来优化该策略。对电沉积 的CF

进行了彻底的表征，并测试了层压板的电学，热学和磁学性质。 采用CF

和N沉积CF制备2层环氧树脂复合材料，具有- 50 dB的优异 屏蔽效能，并

减弱了入射辐射主要靠吸收。这种轻质结构可用于电池外

壳和汽车的其他里王元性