不同碳纤维集合体材料电磁屏蔽性能的实验研究

吴瑜，周胜，陈毅

(1.东华大学，上海201620;2.扬州职业大学，江苏扬州225009)

电磁波向空中发射或泄露的现象称为电磁辐射[1]，它已成为继水、空气、噪声之后的第四大环境污染[2]。大量的调查和试验结果表明，电磁辐射除了干扰广播、电视、通讯等设备的正常工作之外，较强的电磁辐射更会直接危害人体的健康[3]。对电磁辐射的有效防护手段之一是采用电磁屏蔽材料对电磁波进行屏蔽，碳纤维由于具有密度小、强度高、化学稳定性好和导电性能良好等优点，已成为电磁屏蔽材料和吸波材料研究的热点[4－7]。本文选取碳长丝束平行排列复合片、碳长丝束织物和短切碳长丝束复合材料三种不同类型碳纤维集合体，测试其在0.05～2.0GHz内的电磁波屏蔽效能并研究其影响因素。

1 实验材料及测试方法

1.1 实验材料

试验采用200tex/3000F的碳长丝束，由南通森友碳纤维有限公司提供。实测单丝的平均直径7.65μm，密度为1.44g·cm－3，电阻率为4.4×10－2Ω·m，碳长丝束的线电阻为1.57Ω·cm－1。试验材料为碳长丝束平行排列复合片、碳长丝束织物和短切碳长丝束复合材料。

1.1.1 碳长丝束平行排列复合片

试样的制备方法是将碳纤维长丝束伸直、平行地以一定间隔地固定放置在发泡聚氯乙烯薄片(简称发泡PVC片)使之成平行排列状。

碳长丝束平行排列复合片由碳长丝束和高聚物PVC发泡片组成，发泡PVC片的尺寸为300mm×300mm×1.66mm，柔软有弹性，类似于织物。碳长丝束的行间距为d，试样编号与结构参数见表1。由于发泡PVC片对电磁辐射的吸收或屏蔽效能极小，可忽略[8，9]。

表1 各试样编号及结构参数

1.1.2 碳长丝织物

碳长丝织物的织造在半自动小样机上完成，经纬纱均采用经适当预处理的碳长丝纱;碳长丝针织物的织造在针织手动横机上完成，同样是采用经过适当预处理的碳长丝纱作为原料。

碳长丝束织物尺寸均为300mm×300mm，碳长丝束机织物与针织物的相关参数见表2。

表2 织物试样编号及结构参数

1.1.3 短切碳长丝束复合材料

将碳长丝束剪成一定长度的短切碳长丝束，以环氧树脂为基体，聚酰胺为固化剂，制备出不同长度短切碳长丝束复合材料。

1.2 测试方法

仪器设备主要由电磁波信号发生器、自建测试台、频谱分析仪和计算机组成，其连接配置见图1。

图1 测试系统构成

测试样品放在发射天线与接收探头之间，通过频谱分析仪读取衰减分贝值。本研究测定的指标为屏蔽效率SE，ASTM D4935平面材料电磁波屏蔽效能标准测试方法[10]所定义。依据国家电子行业军用标准《SJ 20524-1995材料屏蔽效能的测量方法》的规定进行[11]。采用扫频方式进行测试，测量范围为0.05～2GHz，扫描间隔带宽为0.01GHz。测量采取:

式中，p1为测试台中不放置材料时频谱分析仪读数(dBm);p2为测试台中放置纺织材料时频谱分析仪读数(dBm);P1为测试台中不放置材料时的分析仪的接收功率;P2是测试台中放置纺织材料时的分析仪的接收功率。

2 实验结果与分析

2.1 碳长丝束平行排列对电磁波屏蔽效能影响

碳长丝束以平行的方式分别以10mm、5mm和2mm为间距排列在厚度为H的PVC发泡片上作为P1、P2、P3试样，测试结果见图2。

图2 平行排列各间距屏蔽效能对比

从图中看到，在0.05～0.6GHz频率范围内，复合片的屏蔽曲线变化趋势相同，并随着间距的减小，即碳纤维质量的增加，屏蔽效能峰值依次增大，显然是因为碳纤维含量的增加，在入射电磁波的作用下，纤维表面产生更多的趋肤电流[12]，从而通过欧姆损耗将电磁波能量转化为更多热能而消耗掉[13];在0.6～1.4GHz频率范围内各曲线吸波效果均较差，但也有间距减小，吸波曲线上抬的趋势;在1.7～2.0GHz里P1和P2因为峰的出现而优于间距最小的P3试样。这种现象的出现是因为频率选择效应[14]，对每一个试样而言，一束纤维与另一束纤维之间是等距的，相对于电磁波在微波频段内的波长，它必然只对应着一个频率，在这个频率下，电磁波的相位相消达到最大值，反射衰减程度最大，而对其他频率的作用则明显减小，从而显示出一定的频率选择性[15]。某一间距对应一个可以产生最大反射衰减的频率，对于不同的频率，能使相位相消产生最大值的间距d也有所不同。

2.2 碳长丝织物

对不同密度的碳长丝束平纹机织物与平纹针织物，分别测试其屏蔽效能，测试结果见图3。

图3 不同密度碳长丝束织物屏蔽效能对比

从图3中可发现，当密度增大时，碳长丝束针织物和机织物的屏蔽效能均增大。其原因在于，当密度增大时，碳纤维含量增加，长丝与长丝间的联系紧密，因纤维表面趋肤电流而产生的涡流损耗增加[16]，通过漫反射而损失的电磁波增加，故随着密度的增大，碳长丝织物的屏蔽效能在整体上呈上升趋势。

分别比较机织物与针织物在不同频率下的屏蔽效果发现，在0.05～1.0GHz范围内，针织物的屏蔽效果远不如机织物，原因在于，机织物为长丝经纬交织，长丝与长丝间孔隙小，而针织物为线圈穿套而成，织物孔隙要大于机织物，故会透射大量的电磁波，故屏蔽效能会低于机织物;在1.4～2.0GH针织物的屏蔽效能呈线性上升趋势且优于机织物，其原因在于机织物长丝与长丝之间联系紧密，从而使其导电具有连续性，在高频电场下，纤维表面产生趋肤电流进面使整个织物平面形成强反射体，反射掉大部分电磁波。

2.3 短切碳长丝束复合材料

试验所制短切碳长丝束复合材料尺寸为300mm×300mm×4mm，研究选定碳纤维含量最佳比为0.7%，制得的短切长度分别为2mm、6mm、10mm的复合材料的屏蔽效能测试结果见图4。

图4 不同长度短切碳长丝束复合材料屏蔽效能对比

从图中发现，3种长度的碳长丝束复合材料在所测频率范围内的屏蔽效能曲线形状一致，在0.4GHz和1.9GHz处有明显的峰值。试样整体屏蔽效能由高到低对应的碳长丝束长度依次为10mm、2mm、6mm。这是因为短切碳纤维作为偶极子在电磁场的作用下会产生极化耗散电流，在周围基体作用下，耗散电流被衰减，从而使电磁波能量转换为其它形式的能量[17]。短切碳纤维在复合材料中分布不均匀时，各谐振子之间成为相对独立的电偶极子[18]，各偶极对电磁波吸收叠加结果使得屏蔽效能加强，并且一定含量短切碳纤维复合材料，必定存在一个长度最佳值，使其屏蔽效果最佳。

2.4 综合分析

试验选取的三种类型的碳纤维集合体材料分别为碳长丝束平行排列复合片、碳长丝束织物和短切碳长丝束复合材料，试样尺寸均为300mm×300mm，厚度有所不同。就整体屏蔽效果而言，在所测频率范围内，碳长丝束平行排列复合片在不同频段内的屏蔽效能值差异最大，碳长丝束织物次之，短切碳长丝束复合材料曲线最为平缓。这是因为，碳长丝束平行排列是有规律地定向排列，频率选择效应明显，故存在一个或几个使得屏蔽效能最佳的频率值，而在其它频率处屏蔽效果差;就峰值而言，碳长丝束平行排列复合片间距为2mm的P3试样在0.4GHz处达到19.15dB，碳长丝束机织物密度较大的2#试样在1.1GHz处达到18.01dB，针织物密度较大的2#试样在2.0GHz处达到24.33dB，短切碳长丝复合材料长度为10mm的试样在2.0GHz达到14.33dB。可见短切碳长丝束复合材料的屏蔽效能值虽然在所测试频段整体差异小，但是值过低;碳长丝束平行排列复合片在所测试频率两端屏蔽效果优异;碳长丝束机织物在所测试频率中段和后段屏蔽效果较好，针织物在后段屏蔽效果优异。

3 结论

本文选取三种类型的碳纤维集合体材料，即碳长丝束平行排列复合片、碳长束织物和短切碳长丝束复合材料作为研究对象，测试其在0.05～2.0GHz内的屏蔽效能，分析其对电磁波的衰减机理，得出如下结论。

(1)短切碳长丝束的长度对复合材料的屏蔽效能影响较大，碳长丝束长度为10mm的试样屏蔽效果最佳，2mm次之，6mm最差。不同长度的短切碳长丝束复合材料在所测频率范围内的屏蔽效能值较其它类型试样差异最小，但是屏蔽效能值不高，同针织物密度较大的2#试样在2.0GHz处达到24.33dB相比，短切碳长丝束长度为10mm的试样在2.0GHz处的峰值仅为14.33dB。

(2)碳长丝束束间距对碳长丝束平行排列复合片的屏蔽效能影响较大，间距越小，屏蔽效能峰值越高，间距为2mm的P3试样在所测频率范围两端屏蔽效果优异，峰值均超过17dB，在中端屏蔽效果很差，这是由于规律定向排列的碳长丝束的频率选择效应导致的。

(3)密度对碳长丝束织物的屏蔽效能影响较大，密度越大，屏蔽效能值越高。碳长丝束机织物在所测频率范围内屏蔽效果差异较大，在0.05～1.1GHz内的屏蔽效能较针织物好;碳长丝束针织物在所测频率范围内屏蔽效能呈整体上升趋势，在1.1～2.0GHz内的屏蔽效能平均值为17.03dB，屏蔽效果优异。

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