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电磁屏蔽特种工程塑料制备及应用研究进展
2021年12月28日    阅读量:     新闻来源:中国塑料网 vlevle.com  |  投稿

一、研究背景

当前,人类通信逐渐向以5G 和卫星通信为代表的高频波段(8~30 GHz)发展,一般认为材料屏蔽效能介于 60~90 dB属于高电磁屏蔽材料,航天级电磁屏蔽材料要求达到 70 dB 以上。以法拉第笼为典型代表的传统金属电磁屏蔽材料无法很好地满足对电磁屏蔽材料提出的高频屏蔽、宽频作用和轻质结构等新要求。因此,研究人员基于新材料和新技术开发了其他材质的电磁屏蔽材料中国塑料网vlevle.com

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聚合物基电磁屏蔽复合材料的出现为传统金属屏蔽模式提供了替代选择,通过填料改性和结构设计等手段,实现复合材料电磁屏蔽效能和频段的调控,此外,聚合物基体优异的加工性能和轻量化优势也有效拓宽了电磁屏蔽复合材料的前沿应用。依托特种工程塑料的优异特性和尖端应用,针对电磁屏蔽材料高效能、吸波性和轻量化的应用需求,研究人员针对特种工程塑料基电磁屏蔽材料的制备开展了大量研究工作。


二、电磁屏蔽特种工程塑料理论研究进展

依据电磁屏蔽理论,电磁屏蔽机理可分为反射损耗、吸收损耗和多次反射损耗。

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(1)反射损耗:由于屏蔽体和空气交界面存在波阻抗不匹配造成的,金属材料内部存在能在电磁场中自由移动的载流子,其以反射损耗为主。研究发现界面波阻抗越高,反射损耗越大;屏蔽材料的相对电导率越高、相对磁导率越小、电磁波频率越小,反射损耗越明显。


(2)多次反射损耗:由于电磁波在材料内部传播时遇到不连续界面而造成的, 可以看作反射损耗的特殊形式。研究人员通过对特种工程塑料基体进行表面处理例如喷涂导电填料,能改变材料的波阻抗和导电性,赋予特种工程塑料优异的电磁屏蔽性能,并且以反射损耗为主。


(3)吸收损耗:由电磁波穿过材料时被转化为热能而造成的,研究发现材料电导率越高、磁导率越大、绝对厚度越大、电磁波频率越高,吸收损耗越大。由于磁性 材料的磁饱和现象,外加磁场过大时材料磁导率急剧下降,导致高频环境下磁性材料的电磁屏蔽性能变差,故在高频下一般采用高电导率和高磁导率同时作用的方式进行电磁屏蔽。


电磁屏蔽材料的研发方向

鉴于反射损耗易造成二次电磁污染,在选择性吸波材料的发展驱动下,电磁屏蔽材料的研发主要向高吸收损耗、轻量化结构和特定波段屏蔽发展,通过在特种工程塑料基体中添加填料和结构定向设计的方式可以实现对复合材料电磁屏蔽性能的灵活调控,弥补金属材料单位质量大、加工难度高和屏蔽带宽窄等缺陷。


聚合物导电通路结构

依据聚合物导电通路理论,可分为 3 类聚合物导电通路结构:多层结构、隔离结构和多孔结构。如下图所示:

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(1)多层结构:可通过薄膜叠加和3D打印等方式实现,基体内多界面结构在促进导电通路形成的同时加剧了电磁波在材料内的多次反射损耗,提高了材料的电磁屏蔽性能。


(2)隔离结构:可看作特殊的泡孔结构,通过乳胶法、热压法等方式获得, 可以有效促进电磁波在导电框架内的多次反射、散射和吸收。


(3)多孔结构:可通过泡孔的体积排 阻效应,在基体内形成隔离结构和多界面结构,促进导电通路的构建。


三、填料类型和材料结构对电磁屏蔽特种工程塑料的性能影响

基于特种工程塑料优异的理化特性和特殊的应用领域,研究人员针对电磁屏蔽特种工程塑料进行了大量的研究工作,研究了填料类型和材料结构等因素对导电通路构建和电磁屏蔽作用的影响机理。


3.1 填料类型对电磁屏蔽特种工程塑料的性能影响


目前导电填料主要分为碳系填料、金属填料和磁性氧化物填料。不同类型的填料存在导电性、导磁性、分散性和自身结构的差异,因此其作用频段和作用效果也各不相同,填料的选择与改性是制备电磁屏蔽特种工程塑料的研究重点。


(1)金属系电磁屏蔽材料

以铁(Fe)、镍(Ni)为代表的金属材料具有优异的电导率和磁导率,对高低频磁场的 屏蔽效能十分突出,通常采取表面喷涂处理和填料共混的方式制备电磁屏蔽特种工程塑料。但表面喷涂金属材料引起的材料耐腐蚀性下降,将影响材料使用寿命和服役环境。大量学者通过添加金属填料和填料表面金属化处理等手段,制备高效能、轻量化、耐腐蚀的电磁屏蔽复合材料。


研究人员还采用其他金属材料制备了电磁屏蔽特种工程塑料。例如采用溶液共混法制备银纳米线和炭黑协同杂化聚酰亚胺(PI)基电磁屏蔽复合材料逾渗阈值极低(体积分数小于0.01%),低频下电磁屏蔽效能也随银纳米线含量的增加而增大。通过表面金属化处理也可显著提高填料的导电导磁性能:碳系填料表面镀Ni,再通过熔融共混法制备镀镍碳纤维(Ni@CF)/PEEK复合材料在8-18GHz频段内的电磁屏蔽效能最高可达30dB。


(2)碳系电磁屏蔽材料

碳纤维(CF)具备高模量、低密度和高导电性,众多研究人员将其作为导电填料用于制备电磁屏蔽复合材料。


碳纳米管(CNT)具有较大的比表面积和更好的三维结构,在其长度方向上具备优异的导电和导热性,可以有效促进导电通路的构建。以 CNT 为填料的电磁屏蔽特种工程塑料具备更宽的屏蔽带宽、更高的屏蔽效能以及更低的逾渗阈值。CNT/PEEK 复合材料在 8~30 GHz 具备 70 dB 的屏蔽效能,基本达到航天级电磁屏蔽要求,在轻质、宽频和高效电磁屏蔽材料方面具备极大的应用前景。


石墨烯纳米片(GNPs)因其优异的导电性和高强度也广受关注。研究发现,与随机分散体系相比,将 GNPs 选择性分布在 PPS 表面形成的隔离结构有利于导电网络的构建,可极大地提升 GNPs 有效浓度进而提升电磁屏蔽性能。随着 GNPs 含量的增加,复合材料的电导率和电磁屏蔽效能也随之提高,其中在 X 波段下最高电磁屏蔽效能可达 41dB。


碳系填料团聚问题一直是影响复合材料电磁屏蔽性能提升的关键问题。较好的熔体流动性能有效促进导电填料在基体内部的分散,表面改性的也可改善填料在基体内的分布。


(3)多元体系电磁屏蔽材料

多元体系填料被用于制备具有介电损耗能力和磁损耗能力的电磁屏蔽复合材料。例如通过熔融共混法制得 MWCNT/Fe3O4/PEEK 三元复合体系,利用碳系填料和磁性氧化物填料协同作用提高材料的电导率和磁导率。三元复合材料的电磁屏蔽效能明显高于二元复合材料,Fe3O4 的添加促进了体系的磁损耗,提升了体系的吸收屏蔽效能,在 8-18GHz 频段下,材料的电磁屏蔽效能为 27.2 dB。除碳系填料/金属填料与磁性氧化物填料的组合添加外,研究人员还选用双碳系填料与聚合物基体构建三元复合体系。


大量研究结果指出,多元体系通过发挥介电损耗填料和磁损耗填料的协同作用,可以有效地改善材料电磁屏蔽性能,对制备吸波材料有重要指导意义。


3.2 多维结构对电磁屏蔽特种工程塑料的性能影响

(1)多孔结构电磁屏蔽特种工程塑料:目前,聚合物导电通路结构主要分为多孔结构、多层结构和隔离结构,其中多孔结构可以兼顾多层结构和隔离结构的优势。


如图所示,泡孔的适度生长可以促进导电通路的构建,增强电磁波在基体内的反射、散射和吸收,提升材料吸收损耗和电磁屏蔽效能; 同时,引入泡孔可以有效降低材料密度,实现结构轻量化,在制备高性能电磁屏蔽材料领域具有巨大前景。


目前特种工程塑料多孔结构的构建方法主要有釜压发泡法和化学发泡法、牺牲模板法和高压釜预发泡成型法。


熔体强度是控制泡孔生长、决定泡孔尺寸的关键因素,泡孔密度和泡孔尺寸直接影响导电通路的构建。运用釜压发泡制备复合发泡材料发现,高熔融指数更适合泡孔的生长并促进发泡倍率的提高,屏蔽机理以吸收损耗为主。在相同填料浓度和相同密度下,发泡材料泡孔密度越大、泡孔尺寸越小时,其电磁屏蔽效能越高。填料不仅能构建导电通路,同时还能发挥异相成核作用促进泡孔数量的提高,提高复合体系泡孔密度,进而促进导电通路的形成。微孔结构实现材料的轻量化的同时,还利用体积排阻效应改善导电通路,解决了金属填料造成的材料密度增大等问题。金属填料的自然沉降现象也会造成材料上下表面电导率存在巨大差异。


如图所示,电磁波能够更多地穿透低镍含量表层,到达材料底部时受到高镍含量皮层的反射作用,在体系内发生多次反射损耗,使体系表现出高性能电磁屏蔽效应。在 0.3~3 GHz 频段内,复合材料电磁屏蔽性能高达 100 dB。填料梯度浓度结构与泡孔结构的协同作用可以提升复合体系的电磁屏蔽性能, 这为构建碳系填料梯度浓度结构实现高频段下复合材料的高性能电磁屏蔽提供了理论指导。


由于材料电磁屏蔽性能与压实厚度存在正相关,因此在相同频段下特种工程塑料基发泡复合材料的电磁屏蔽效能低于未发泡材料,但其比电磁屏蔽效能大于未发泡材料。泡孔结构不仅促进了导电填料的取向分布,同时对电磁波的内部多次反射损耗有促进作用,提升了发泡材料吸收损耗在总电磁屏蔽作用中的贡献,是研发轻量化吸波材料的重要思路。


(2)蜂窝结构电磁屏蔽特种工程塑料:在宏观结构方面,蜂窝结构材料能有效促进电磁波的多次反射和吸收,具有优良的电磁屏蔽性能。蜂窝结构可实现材料的轻量化并构建多反射界面,通过 3D 打印还可以实现导电通路的高效可控搭建。美国赫氏集团(Hex)采用 3D 打印工艺成型了蜂窝型 CF/PEKK 复合材料(如下图):该材料具备优异的耐高温特性、耐化学特性、电磁屏蔽性能和轻量化结构,已经应用于航天领域电磁屏蔽。


蜂窝形成的多界面结构极大地改善了电磁波在材料内部的反射和吸收,延长电磁波在材料内传播路径,从而提高复合材料的导电性和电磁屏蔽性能。


四、电磁屏蔽特种工程塑料展望


面对电磁屏蔽材料高效能、吸波性和轻量化的应用需求,研究人员制备了各类电磁屏蔽特种工程塑料,探究了材料结构和导电填料对电磁屏蔽性能的影响,构建了应对不同频段的高性能电磁屏蔽材料。其中,金属填料主要在低频下发挥电磁屏蔽作用,碳系填料主要作用于高频波段,多种填料的协同作用可以有效促进材料导电通路的搭建和电磁屏蔽性能的提高。此外,蜂窝结构和多孔结构的应用促进了电磁屏蔽特种工程塑料的进一步应用,材料结构的改变不仅促进了导电通路的构建,形成了材料内的多反射界面,提升了材料的电磁屏蔽型,而且实现了材料的轻量化设计。


未来,高性能、轻量化电磁屏蔽材料在宇航卫星、运载导弹等国防军工领域具有重大战略需求,通过工艺调控、结构设计,电磁屏蔽特种工程塑料在制备具有特定频段、特定密度和特定屏蔽机理的电磁屏蔽材料方面有重要应用价值。


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