碳纖維連續(xù)鍍鎳生產(chǎn)工藝及其屏蔽復(fù)合材料

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和城市人口的迅速增長(zhǎng),汽車、電子、通信、計(jì)算機(jī)及電氣設(shè)備等大量進(jìn)入家庭,生產(chǎn)和生活中的電子電氣設(shè)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(yán)重。
因此,如何減少電磁輻射強(qiáng)度,防止電磁輻射污染,保護(hù)環(huán)境,保護(hù)人體健康,已經(jīng)急迫地提到議事日程。電磁屏蔽材料的研發(fā)已成為人們關(guān)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(yīng)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(fā)展,用大量塑料代替金屬材料成為現(xiàn)代材料的發(fā)展趨勢(shì)。碳纖維強(qiáng)度高、質(zhì)量輕,并且具有較高的導(dǎo)電性能,可直接用于制備輕質(zhì)屏蔽材料,但其導(dǎo)電性不及相應(yīng)的金屬材料。鍍金屬碳纖維不僅具有碳纖維的高強(qiáng)度,而且有類似金屬的導(dǎo)電性,是現(xiàn)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(nèi),其電磁屏蔽效能達(dá)到83dB[8]。但是溶液混料法步驟繁瑣,只局限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究使用,較難應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。本文中研究采用單螺桿擠出工藝連接自動(dòng)造粒設(shè)備制備Ni-CF/ABS電磁屏蔽復(fù)合材料。該工藝制備成本較低,能實(shí)現(xiàn)規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn),可以彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)迫切需求的工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格適中、電磁屏蔽效能優(yōu)良的碳纖維復(fù)合材料的空缺。
本文作者首先對(duì)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(fù)合材料,并對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能和電磁屏蔽性能的影響因素進(jìn)行研究,為設(shè)計(jì)高性能碳纖維電磁屏蔽材料提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,Ni-CF/ABS復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能和突出的電磁屏蔽性能,是一種具有很好發(fā)展前景的電磁屏蔽材料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

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實(shí)驗(yàn)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(shù)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(xué)試劑按照一定比例配制成溶液,在適當(dāng)溫度下對(duì)碳纖維進(jìn)行電鍍。將電鍍好的鍍鎳碳纖維(Ni-CF)用大量清水反復(fù)沖洗,干燥后進(jìn)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(fù)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(cè)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(zhǎng)度適當(dāng)?shù)牧Ａ?然后將粒料注塑成型加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣。復(fù)合材料中碳纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Wf)分別為9%、12%、15%,復(fù)合材料樣品厚度為2mm。

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1.4 性能測(cè)試
采用SEM對(duì)碳纖維電鍍前后的形貌進(jìn)行觀察;采用光學(xué)顯微鏡對(duì)材料鍍層厚度進(jìn)行觀察;彎曲性能參照GB/T9341-2000,采用CSS-44001電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試;電磁屏蔽效能參照QJ2809-96,由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院測(cè)定。測(cè)試環(huán)境條件:溫度為22.5℃;濕度為45%(RH);測(cè)試頻率范圍為30~1200MHz。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳纖維連續(xù)電鍍鎳生產(chǎn)工藝研究
本研究首先對(duì)碳纖維進(jìn)行表面電鍍鎳處理,電鍍鎳工藝采用自行研制的連續(xù)電鍍生產(chǎn)設(shè)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(chǎn)設(shè)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(duì)比圖3(a)和3(b)可知,電鍍后碳纖維表面鍍鎳層均勻、連續(xù),同時(shí)鍍鎳層表面粗糙,有利于提高碳纖維與ABS之間的界面結(jié)合。圖4為鍍鎳碳纖維鑲嵌試樣的橫截面光學(xué)顯微鏡照片。鍍層厚度均勻,經(jīng)過尺寸標(biāo)定計(jì)算鍍層厚度約為1.5μm。 內(nèi)容來自123456



2.3 表面處理對(duì)力學(xué)性能的影響
界面是復(fù)合材料的重要組成部分,起著連接增強(qiáng)材料與基體的橋梁作用,是外加載荷從基體向增強(qiáng)材料傳遞的紐帶,對(duì)復(fù)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(lián)劑和表面處理劑,可以提高纖維與基體間的界面結(jié)合強(qiáng)度,優(yōu)化復(fù)合材料的宏觀性能[11-13]。因此,本實(shí)驗(yàn)采用鈦酸酯作為偶聯(lián)劑對(duì)纖維進(jìn)行表面處理,并與未使用偶聯(lián)劑的復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比。
圖5(a)是未鍍鎳碳纖維(CF)以及不使用和使用偶聯(lián)劑處理的鍍鎳碳纖維(Ni-CF)分別與ABS復(fù)合制得的復(fù)合材料(分別簡(jiǎn)寫為CF/ABS、Ni-CF/ABS、Ni-CF-T/ABS)的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量(碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%)。從圖5(a)可以看出,經(jīng)鈦酸酯偶聯(lián)劑處理過的Ni-CF-T/ABS的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量均比其他2種復(fù)合材料高,分別為41MPa和7GPa。CF/ABS和Ni-CF/ABS的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度和彎曲模量。由圖5(b)可以看出,Ni-CF-T/ABS的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量最高,分別為61.4MPa和4.8GPa。CF/ABS的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量最低,分別為45MPa和3.2GPa。Ni-CF/ABS的彎曲強(qiáng)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(cè)試結(jié)果可以看出,碳纖維與ABS復(fù)合材料的力學(xué)性能最低,鍍鎳碳纖維復(fù)合材料居中,經(jīng)鈦酸酯處理后的鍍鎳碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能最高,拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別比處理前提高了52%和12.5%?？赡艿脑蛉缦?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(fù)合材料的整體力學(xué)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(nèi)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(fù)合材料制備過程中單螺桿等設(shè)備對(duì)纖維具有一定的損傷,導(dǎo)致纖維強(qiáng)度受到一定的影響。纖維鍍鎳后,金屬鎳層對(duì)纖維具有一定的保護(hù)作用,減弱纖維的損傷,因而鍍鎳碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)于未鍍鎳碳纖維復(fù)合材料。鈦酸酯偶聯(lián)劑是一種纖維表面處理劑,偶聯(lián)處理有助于纖維在基體中的分散,并且提高復(fù)合材料的均勻性及界面結(jié)合力,使該復(fù)合材料具有最高的力學(xué)性能。因此下文的研究中均使用鈦酸酯偶聯(lián)劑對(duì)鍍鎳碳纖維進(jìn)行處理。 123456
2.4 纖維金屬化對(duì)電磁屏蔽性能的影響
根據(jù)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(nèi)部反射損耗B組成。當(dāng)A大于10dB時(shí),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(duì)銅的磁導(dǎo)率;σr為材料相對(duì)銅的電導(dǎo)率;f為電磁波的頻率;t為材料厚度。因此,當(dāng)材料厚度t和入射電磁波頻率f一定時(shí),材料的電磁屏蔽效能主要與σr和μr有關(guān)。纖維表面金屬化后,σr和μr值增大,復(fù)合材料屏蔽效能增加。圖6是復(fù)合材料在30~1200MHz頻率范圍內(nèi)的電磁屏蔽效能曲線。由圖6可以看出,Wf=12%時(shí),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(dá)114dB。在500~1000MHz范圍內(nèi),碳纖維鍍鎳對(duì)電磁屏蔽性能的增強(qiáng)作用尤為顯著,屏蔽值提高60dB?？梢?纖維表面金屬化可明顯提高材料的電磁屏蔽性能。同時(shí),110dB的屏蔽值超過國(guó)外同類產(chǎn)品。 123456




2.5 纖維含量對(duì)電磁屏蔽性能的影響
纖維含量不但對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有影響,而且對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)電性能和電磁屏蔽性能也有很大影響。為了降低復(fù)合材料的成本,在滿足電磁屏蔽效能的條件下應(yīng)盡可能降低碳纖維的用量,因此,研究碳纖維的含量對(duì)復(fù)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(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時(shí),復(fù)合材料的屏蔽值為40~50dB;纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),屏蔽值為50~60dB;而當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí),屏蔽值均在73dB以上,最高達(dá)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(dǎo)電性能越好,材料的屏蔽性能也就越高。但是,當(dāng)纖維含量高于一定數(shù)值時(shí),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(huì)引起材料的導(dǎo)電性能下降,進(jìn)而降低材料的電磁屏蔽性能。在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備及成型條件下,纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于12%時(shí),纖維在基體中分散困難,因而復(fù)合材料在纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)屏蔽性能達(dá)到最高。

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3 結(jié)論

(1)自行研制了碳纖維連續(xù)電鍍鎳生產(chǎn)線,由該生產(chǎn)線生產(chǎn)的鍍鎳碳纖維表面鍍層連續(xù)均勻,厚度可控。
(2)由鈦酸酯偶聯(lián)劑處理過的纖維所制備的復(fù)合材料的拉伸、彎曲性能顯著提高,拉伸和彎曲強(qiáng)度分別達(dá)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(qiáng)ABS復(fù)合材料的電磁屏蔽性能,在500~1000MHz范圍內(nèi)復(fù)合材料電磁屏蔽效能值最高。
(4)纖維含量對(duì)復(fù)合材料的屏蔽性能有很大影響。當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí),復(fù)合材料屏蔽效能最佳。