罗 霞 俞科静 钱 坤

（江南大学生态纺织教育部重点实验室，无锡 214122）

0 引言

最早研究和使用的典型电磁屏蔽材料主要是块体金属材料，但其结构质量大且耐腐蚀性差制约了它的应用，近年来，泡沫型电磁屏蔽材料得到了大家的广泛关注［1－2］。碳泡沫是一种由无定型碳或石墨组成的具有三维网状结构的轻质多孔材料，表现出较高的化学稳定性、孔隙率，较大的比表面积、导电率，较低的导热率，较强的结构强度。有研究表明碳泡沫作为一种新型的电磁屏蔽材料具有质量轻、吸收频带宽、强度较高的特点［3－4］。碳纤维作为一种强度高质量轻，导电性能优良的高性能纤维，作为填料使用时，既可以赋予材料特殊的电磁屏蔽特性，还可以提高材料的力学性能［5－6］。 因此，本研究选择酚醛树脂为前躯体，利用碳纤维为填充材料，制备出电磁屏蔽效能及力学性能优异的复合材料，以期满足更高的要求。

1 实验

1.1 原料

碳纤维，长度3 mm，直径7 μm，盐城市爱丽维纤维制品有限公司；可发性酚醛树脂，苏州美克思科技发展有限公司；Tween80，分析纯，阿拉丁试剂有限公司；正戊烷、硅油：化学纯，国药集团化学试剂有限公司；苯酚磺酸，化学纯，南京大唐化工有限责任公司。

1.2 仪器与设备

电热鼓风干燥箱，W1A–4S型，南京沃环科技实业有限公司；万能材料试验机，3385H型，美国Instron公司；扫描电子显微镜（SEM），SU1510型，日本Hitachi公司；管式炉，GSL1600X，合肥科晶材料技术有限公司；矢量网络分析仪，M5242A，安捷伦科技有限公司。

1.3 碳纤维／酚醛树脂的制备

碳纤维于丙酮溶液中浸泡12 h，去除表面的杂质后烘干，再以1wt%、3wt%、5wt%的比例加入酚醛树脂中，以3 000 r／min的速度搅拌均匀，再加入苯酚磺酸、正戊烷、Tween80和硅油，搅拌均匀后，放入模具中75℃发泡2 h制备出碳纤维改性的酚醛泡沫，各种原料的用量为酚醛树脂100 g、苯酚磺酸7 g、正戊烷5 g、Tween80 2 g、硅油 1 g。

1.4 碳纤维／酚醛树脂基碳泡沫的制备

将制备好的碳纤维／酚醛泡沫于丙酮溶液中浸泡24 h，去除残留的正戊烷，Tween80和硅油等杂质。再将样品烘干后放入马弗炉中，在氮气的氛围下高温碳化，以5℃／min的速率加热到300℃，保持20 min，再以2℃／min的速率加热至500℃，保持2h。得到碳化后的碳纤维添加酚醛树脂基碳泡沫。

1.5 测试方法

（1）微观形貌，使用日本日立公司SU 1510型扫描电子显微镜观察泡孔的分布、孔径、闭合情况等，探究碳纤维对泡沫基体的形貌影响。

（2）电磁屏蔽性能分析，使用安捷伦M5242A矢量网络分析仪对碳泡沫的电磁屏蔽效能进行测试，探究碳纤维的含量对碳泡沫的电磁屏蔽效能的影响规律。

（3）压缩性能分析，使用根据ASTM D1621—2010标准，使用万能材料试验机对碳纤维／酚醛树脂基碳泡沫进行压缩性能测试，压缩速率为0.5 mm／min，试样尺寸为 50.8 mm×50.8 mm×25.4 mm。

（4）弯曲性能分析，根据GB／T8812.1—2007， 使用万能材料试验机对试样进行弯曲性能测试，试样尺寸为80 mm×10 mm×4 mm，测试速率为2 mm／min。

2 结果分析

2.1 碳纤维／酚醛树脂基碳泡沫的泡孔结构

图1为纯酚醛泡沫的泡孔结构图。

图1 泡沫基体的泡孔结构图Fig.1 Images of the cell structure of the foam matrix

纯泡沫的泡孔分布不均匀，泡孔直径在200～300μm 范围内，平均孔径为210 μm，1wt%、3wt%、5wt%碳纤维改性酚醛泡沫的平均泡孔直径分别为180、150和165 μm。随着碳纤维的加入，泡孔直径呈先下降后上升的趋势。由分布图可以看出，当碳纤维含量为3wt%时，泡孔分布均匀，形状呈圆形，当碳纤维含量为5wt%时，泡孔分布变得不均匀，有极大与极小泡孔存在。产生这一现象的原因是，当纤维含量较少时，纤维可以基体中起异相成核的作用，减小泡孔形成所需要的自由能，促使形成小而均匀的泡孔。随着纤维含量的增加，过量的纤维在树脂基体中无法均匀分散。纤维在基体中缠结、团聚，对泡孔产生挤压致使部分泡孔形状不均匀，局部泡孔直径变大。同时纤维的缠结导致部分区域树脂含量减少，体系发泡不良，泡孔结构变差［7］。

图2 泡沫基体的孔径分布图Fig.2 Images of the cell size distribution of the foam matrix

图3 为碳纤维／碳泡沫泡孔结构示意图，可以看出一根碳纤维可以贯穿若干个泡孔，使得原本单一的泡孔结构在碳纤维的轴向形成一个整体的结构。在纤维受力破坏时，泡孔壁先与纤维脱胶分离，而后较薄弱的泡孔壁再破裂，对泡沫基体的力学性能产生积极的影响。

图3 泡孔截面图 300×Fig.3 Cell cross section of 300 times

2.2 电磁屏蔽效能分析

按照Schelkunoff电磁屏蔽理论，屏蔽效果（Shiel⁃ding Effectiveness，SE）是电磁波能量的吸收损耗（SEA）、内部反射损耗（SEM）与表面的反射损耗（SER）的和。一般用屏蔽效能来定量评价屏蔽体的性能，表示为空间某点上未加屏蔽时的电场强E0（或磁场强度H0）与加屏蔽后该点的电场强度E1（或磁场强度H1）的比值，即：

式中，ur为材料的相对于真空的磁导率，σr为材料相对于理想铜的电导率，f为电磁波的频率；t为屏蔽层厚度。

图4（a）为厚度为5 mm的不同样品在8～12 GHz范围内的电磁屏蔽曲线。纯碳泡沫的电磁屏蔽效能约为18 dB，这是由于酚醛树脂经过高温碳化后，表面的小分子被去除，剩余的碳骨架结构具有较高的导电性，从而表现出一定的电磁屏蔽效能。随着碳纤维含量的增加，碳泡沫的电磁屏蔽效能逐渐增加，1wt%、3wt%、5wt%碳纤维改性碳泡沫的总电磁屏蔽性能分别达到23、31 和35 dB。 根据渗流效应（Percolation theary），向复合材料中加入导电填料，当填料的含量达到一定值时，导电填料能够在基体中形成有效的导电网络，导电网络越多，材料的导电性能越好。向基体中加入碳纤维后，碳纤维在基体中形成导电网络，使碳泡沫的电导率σr提高，从而使复合材料与空气界面之间的阻抗不匹配特性及材料本身的损耗特性提高，进而提高了碳泡沫的电磁屏蔽效能。

图4显示了不同的碳泡沫样品在9 GHz时的SE，SEA和SER，可看出SE和SEA随着碳纤维含量的增加表现出逐渐增加的趋势，而SER基本保持不变。可见在碳泡沫的电磁屏蔽过程当中，吸收损耗占主导作用。

图4 碳泡沫样品的电磁屏蔽效能Fig.4 EMI SE of the carbon foams

2.3 压缩性能分析

不同含量碳纤维对碳泡沫压缩性能的影响见图4。未添加碳纤维的碳泡沫的压缩强度和模量分别是2.75和9.10 MPa；碳纤维含量为3wt%时，压缩强度和模量分别为4.41 和13.41 MPa，比纯泡沫提高了60