摘要：为了提高碳纤维镀镍工艺的生产效率以及对填充复合型电磁屏蔽材料的开发,使用自行研发的碳纤维(CF)连续电镀镍生产设备生产镀镍碳纤维(Ni-CF),并制备了镀镍碳纤维增强丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)复合材料(Ni-CF/ABS),研究了偶联剂对复合材料力学性能的影响,以及纤维金属化及纤维含量对复合材料电磁屏蔽性能的影响。结果表明,偶联剂使复合材料具有更好的力学性能,拉伸和弯曲强度分别达到41MPa和61.4MPa。纤维质量分数为12%时,复合材料达到最佳的电磁屏蔽效能。
关键词：碳纤维;电镀;复合材料;力学性能;电磁屏蔽
中图分类号：TB332 文献标志码：A
文章编号：1000-3851(2010)05-0019-05
随着科学技术的发展和城市人口的迅速增长,汽车、电子、通信、计算机及电气设备等大量进入家庭,生产和生活中的电子电气设施越来越多,造成的电磁波辐射正以每年7%~14%的速度递增,电磁波引起的电磁干扰(EMI)问题日益严重。
因此,如何减少电磁辐射强度,防止电磁辐射污染,保护环境,保护人体健康,已经急迫地提到议事日程。电磁屏蔽材料的研发已成为人们关注的重要课题。金属材料是理想的防电磁波辐射的材料,也是目前应用较为广泛的电磁屏蔽材料。新型电磁屏蔽材料的研究正向着高屏蔽效率、低密度的方向发展,用大量塑料代替金属材料成为现代材料的发展趋势。碳纤维强度高、质量轻,并且具有较高的导电性能,可直接用于制备轻质屏蔽材料,但其导电性不及相应的金属材料。镀金属碳纤维不仅具有碳纤维的高强度,而且有类似金属的导电性,是现代高性能屏蔽材料的理想添加体。
本研究组前期曾采用溶液混料法制备了Ni-CF/ABS电磁屏蔽材料,在30~1200MHz频率范围内,其电磁屏蔽效能达到83dB[8]。但是溶液混料法步骤繁琐,只局限于实验室内研究使用,较难应用于实际生产。本文中研究采用单螺杆挤出工艺连接自动造粒设备制备Ni-CF/ABS电磁屏蔽复合材料。该工艺制备成本较低,能实现规模自动化生产,可以弥补国内迫切需求的工艺简单、价格适中、电磁屏蔽效能优良的碳纤维复合材料的空缺。
本文作者首先对碳纤维表面金属化,然后采用单螺杆挤出工艺制备Ni-CF/ABS复合材料,并对复合材料的力学性能和电磁屏蔽性能的影响因素进行研究,为设计高性能碳纤维电磁屏蔽材料提供依据。实验结果显示,Ni-CF/ABS复合材料具有优良的力学性能和突出的电磁屏蔽性能,是一种具有很好发展前景的电磁屏蔽材料。
1 实验部分
1.1 原材料
实验用碳纤维为吉林碳素厂提供的T300型碳纤维,密度为1.75g/cm3,直径为6~8μm,每丝束纤维含12000根单丝;电镀用试剂为分析纯,由天津江天化工技术有限公司提供;ABS由北京燕山石化有限公司提供;钛酸酯由安徽泰昌化工有限公司提供。
1.2 碳纤维的电镀与表面处理
将硫酸镍、硼酸等化学试剂按照一定比例配制成溶液,在适当温度下对碳纤维进行电镀。将电镀好的镀镍碳纤维(Ni-CF)用大量清水反复冲洗,干燥后进行表面处理;之后将Ni-CF放入混和溶液中浸泡30min,烘干。
1.3 复合材料制备
将各种添加剂以一定比例与ABS充分混合。采用单螺杆挤出法将混合后的ABS包覆在Ni-CF表面。单螺杆挤出法即将混和好的ABS粒料从主料口加入,Ni-CF从侧加料口加入,挤出温度220~260℃,包覆好的原料从出料口挤出。将包覆好的原料切成长度适当的粒料,然后将粒料注塑成型加工成标准试样。复合材料中碳纤维的质量分数(Wf)分别为9%、12%、15%,复合材料样品厚度为2mm。
1.4 性能测试
采用SEM对碳纤维电镀前后的形貌进行观察;采用光学显微镜对材料镀层厚度进行观察;弯曲性能参照GB/T9341-2000,采用CSS-44001电子万能试验机测试;电磁屏蔽效能参照QJ2809-96,由中国计量科学研究院测定。测试环境条件:温度为22.5℃;湿度为45%(RH);测试频率范围为30~1200MHz。
2 结果与分析
2.1 碳纤维连续电镀镍生产工艺研究
2.2 电镀前后碳纤维形貌
2.3 表面处理对力学性能的影响
界面是复合材料的重要组成部分,起着连接增强材料与基体的桥梁作用,是外加载荷从基体向增强材料传递的纽带,对复合材料的宏观性能起着极为重要的作用[9-10]。钛酸酯是一种常用的、有效的偶联剂和表面处理剂,可以提高纤维与基体间的界面结合强度,优化复合材料的宏观性能[11-13]。因此,本实验采用钛酸酯作为偶联剂对纤维进行表面处理,并与未使用偶联剂的复合材料的力学性能进行对比。
由上述拉伸和弯曲性能的测试结果可以看出,碳纤维与ABS复合材料的力学性能最低,镀镍碳纤维复合材料居中,经钛酸酯处理后的镀镍碳纤维复合材料力学性能最高,拉伸强度和弯曲强度分别比处理前提高了52%和12.5%。可能的原因如下:其一,由于单根碳纤维直径很小,相互之间存在较大的静电吸附力,影响注塑工艺中纤维的分散,致使碳纤维复合材料的整体力学性能较低。镀镍碳纤维由于每根纤维表面包覆有金属,丝束内部纤维间静电吸附力减弱,在同样的注塑条件下,镀镍碳纤维分散情况明显好于未镀镍碳纤维。其二,复合材料制备过程中单螺杆等设备对纤维具有一定的损伤,导致纤维强度受到一定的影响。纤维镀镍后,金属镍层对纤维具有一定的保护作用,减弱纤维的损伤,因而镀镍碳纤维复合材料力学性能优于未镀镍碳纤维复合材料。钛酸酯偶联剂是一种纤维表面处理剂,偶联处理有助于纤维在基体中的分散,并且提高复合材料的均匀性及界面结合力,使该复合材料具有最高的力学性能。因此下文的研究中均使用钛酸酯偶联剂对镀镍碳纤维进行处理。
2.4 纤维金属化对电磁屏蔽性能的影响
根据Schelkunoff电磁屏蔽理论,材料的电磁屏蔽效能SE由吸收损耗A、反射损耗R和内部反射损耗B组成。当A大于10dB时,B可以忽略,则屏蔽效能是A和R之和,用公式表示为：
其中:μr为材料相对铜的磁导率;σr为材料相对铜的电导率;f为电磁波的频率;t为材料厚度。因此,当材料厚度t和入射电磁波频率f一定时,材料的电磁屏蔽效能主要与σr和μr有关。纤维表面金属化后,σr和μr值增大,复合材料屏蔽效能增加。可以看出,Wf=12%时,CF/ABS的屏蔽值在50dB左右,而Ni-CF-T/ABS的屏蔽值均在73dB以上,最高可达114dB。在500~1000MHz范围内,碳纤维镀镍对电磁屏蔽性能的增强作用尤为显著,屏蔽值提高60dB。可见,纤维表面金属化可明显提高材料的电磁屏蔽性能。同时,110dB的屏蔽值超过国外同类产品。
2.5 纤维含量对电磁屏蔽性能的影响
纤维含量不但对复合材料的力学性能有影响,而且对复合材料的导电性能和电磁屏蔽性能也有很大影响。为了降低复合材料的成本,在满足电磁屏蔽效能的条件下应尽可能降低碳纤维的用量,因此,研究碳纤维的含量对复合材料电磁屏蔽效能的影响具有重要意义。由图6可以看出,当纤维质量分数为9%时,复合材料的屏蔽值为40~50dB;纤维质量分数为15%时,屏蔽值为50~60dB;而当纤维质量分数为12%时,屏蔽值均在73dB以上,最高达到114dB。材料的屏蔽性能受纤维含量及纤维分散程度等因素影响。纤维含量越高,材料的导电性能越好,材料的屏蔽性能也就越高。但是,当纤维含量高于一定数值时,纤维将很难在基体中均匀分散,纤维在基体中得不到均匀分散会引起材料的导电性能下降,进而降低材料的电磁屏蔽性能。在现有实验设备及成型条件下,纤维质量分数高于12%时,纤维在基体中分散困难,因而复合材料在纤维质量分数为12%时屏蔽性能达到最高。
3 结论
(1)自行研制了碳纤维连续电镀镍生产线,由该生产线生产的镀镍碳纤维表面镀层连续均匀,厚度可控。
(2)由钛酸酯偶联剂处理过的纤维所制备的复合材料的拉伸、弯曲性能显著提高,拉伸和弯曲强度分别达到41MPa和61.4MPa,分别比处理前提高了52%和12.5%。
(3)纤维表面金属化可以提高纤维增强ABS复合材料的电磁屏蔽性能,在500~1000MHz范围内复合材料电磁屏蔽效能值最高。
(4)纤维含量对复合材料的屏蔽性能有很大影响。当纤维质量分数为12%时,复合材料屏蔽效能最佳。