《纺织科技进展》2024年第6期选登：玻纤/碳纤三维编织一体成型多异质界面复合材料电磁屏蔽性能

文献引用格式:谢依娜,权震震.玻纤/碳纤三维编织一体成型多异质界面复合材料电磁屏蔽性能[J].纺织科技进展,2024,46(6):10-15,22.

玻纤/碳纤三维编织一体成型多异质界面复合材料电磁屏蔽性能

谢依娜,权震震*

(东华大学 纺织学院,上海 201620)

基金项目:国家重点研发计划(2023YFB3709602);国家自然科学基金(12202100);中央高校基本科研业务费专项资金(2232023G-01);国家重点研发计划(2022YFB3704500);上海市自然科学基金(23ZR1401900)

第一作者:谢依娜(1999—),女,研究生在读,研究方向为电磁屏蔽复合材料。

*通信作者:权震震,男,副教授,研究方向为纺织复合材料。

摘 要:为减少电磁波在碳纤维复合材料表面反射,减少二次污染,采用玻纤作为阻抗匹配层,为增强复合材料对电磁波的吸收,构造玻纤-碳纤多异质界面,通过多次反射延伸传播路径消耗电磁波;采用三维混杂编织工艺设计并制备3种玻纤/碳纤一体成型多异质界面预制件,再通过真空辅助树脂传递模塑成型技术固化得到复合材料H-G/C、H-G/C/G和H-G/C/G/C,研究分析3种复合材料的电磁屏蔽性能和轴向静态压缩性能。结果表明,3层结构的H-G/C/G 复合材料在频率为12.34GHz时屏蔽效能高达71.14dB,X波段内平均吸收功率系数为0.77,屏蔽机制以吸收为主,抗压缩强度为254.59MPa,复合材料表现出低反射、高屏蔽效能和高抗压缩强度特性。    

关键词:碳纤维;玻璃纤维;三维编织复合材料;低反射;电磁屏蔽

电子信息技术飞速发展,电磁波技术已经广泛应用于军工、交通运输、航空航天等领域[1-2],电子设备的快速普及给人们带来极大的便利,但同时由于无线设备向着智能、高频、密集和多功能化的方向发展,设备在运行过程中产生了大量的人造电磁能量,引发了日益严重的社会问题和环境问题,如电磁干扰、电磁信息泄露以及电磁辐射对人体健康的危害等[3-4]。因此,研究开发“高吸收效能、宽频带、低密度”的结构功能一体化电磁屏蔽体成为研究热点[5-6]。

碳纤维由于具有强的导电性,能够通过介电损耗有效屏蔽电磁波[7],但单一组分碳纤维与自由空间的阻抗匹配度低,电磁波会在表面发生发射,造成对环境的二次污染,因此,很多研究集中于对碳纤维表面进行改性[8-9]。虽然采用原位聚合法[10]、浸涂法[11]、喷涂法[12]和化学镀[13]等方法将吸收型的屏蔽粒子附着在碳纤维织物上能够减少表面反射,但同时会损伤碳纤维织物的力学性能,且耐久性差、能耗高。

玻璃纤维介电性能低,其波阻抗与空气接近,将玻璃纤维与碳纤维混杂可以减少屏蔽复合材料对电磁波的表面反射。蔡洁等[14]在碳纤维织物中引入玻璃纤维,调整织物组织结构,通过改变纬纱中玻璃纤维和碳纤维的排纱方式,有效调节复合材料的介电性能。Hong等[15]将玻璃纤维和碳纤维交织制备了各向同性和各向异性的织物,研究了碳纤维取向和交织对电磁屏蔽性能的影响,结果表明各向同性织物具有偏振选择特性。    

三维编织复合材料采用树脂基固化三维编织预制件制造而成,混杂编织工艺可以将2种或2种以上的纤维编织成预制件,弥补单一组分纤维的不足,三维编织预制件一体成型,结构完整,具有一系列优异的力学性能,如强度高、抗冲击性能好和损伤容限高等[16]。

在此设计并制备了3种混杂层数的玻纤/碳纤三维编织一体成型多异质界面复合材料,研究其电磁屏蔽性能和轴向压缩性能。玻璃纤维作为阻抗匹配层,让更多电磁波进入材料内部,碳纤维作为反射层,通过介电损耗消耗电磁波,碳纤维层与玻璃纤维层交替排列,构造多异质界面来增强内部吸收,使复合材料具有高吸收特性。混杂区域作为过渡层延伸电磁波并对界面处的纤维进行加固,使复合材料轴向抗压缩能力较强,有助于实现结构功能一体化。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器设备

材料:玻璃纤维(聊城市昊润新材料科技公司)、碳纤维(日本东丽公司)、环氧树脂和固化剂(常熟市佳发化学有限公司)。具体性能参数见表1。         

仪器设备:切割机、金相试样磨抛机、真空烘箱、矢量网络分析仪和电子万能试验机,具体相关信息见表2。    

1.2 复合材料制备

为研究不同混杂层数对玻纤/碳纤三维编织复合材料的电磁屏蔽和轴向压缩性能,设计了混杂层数分别为2、3、4的纱线排列图,如图1所示,采用混杂编织工艺在矩形编织机上制备出玻纤/碳纤一体成型三维编织预制件,然后采用真空辅助树脂传递模塑成型技术固化得到复合材料,根据混杂层数将复合材料命名为H-G/C,H-G/C/G 和H-G/C/G/C,复合材料具体参数见表3。   

(a)H-G/C

(b)H-G/C/G         

图1 预制件纱线排列示意图  

1.3 性能测试

1.3.1 电磁屏蔽性能

采用切割机切割后,用金相试样抛磨机打磨平整光滑,样品尺寸分别为22.86mm×10.16mm×(8.3±0.02)mm,使用矢量网络分析仪,采用矩形波导法测试三维编织复合材料的电磁屏蔽性能,测量频段为X波段(8.2~12.4GHz),测试导出数据为S 参数,再根据式(1)~式(6)计算出样品的电磁(EMI)屏蔽效能(SE)。

式中:Pi、Pr 和Pt 分别为入射电磁波、反射电磁波和透射电磁波的功率;S11 和S22 分别为端口1和端口2的反射系数;S12、S21 分别为端口1传到端口2和端口2传到端口1的传输系数;R、A 和T 分别为反射、吸收和透射功率系数;SET 、SEA 和SER 分别为总屏蔽效能、吸收效能和反射效能。

1.3.2 静态压缩性能

采用电子万能试验机对复合材料进行准静态轴向压缩实验,试样长和宽均为10mm,厚度为复合材料原始厚度(8.3±0.02)mm,实验在室温(23 ℃)下进行,并以恒定速度1mm/min加载,获得载荷-时间曲线。

2 结果与讨论

2.1 电磁屏蔽性能

2.1.1 混杂层数对电磁屏蔽性能的影响    

混杂层数为2、3和4的复合材料在X波段的电磁屏蔽总效能如图2所示,H-G/C、H-G/C/G 和H-G/C/G/C在X波段的电磁屏蔽总效能(EMISET )均高于30dB,表明屏蔽效果达到商业要求,且H-G/C/G在频率为12.34GHz时最高可达到71.14dB,相当于可以屏蔽99.99999%的电磁波,表明复合材料内部玻纤-碳纤异质界面的构造有助于电磁波在异质界面处发生多次反射,延伸电磁波在材料内部的传播路径,提高复合材料在内部吸收损耗电磁波的能力。

图2 不同混杂层数复合材料的屏蔽总效能

图3为3种复合材料的平均效能,随着混杂层数的增加,平均EMISET 先增加后减小。H-G/C/G 平均EMISET 最大,达到65.21dB,表明复合材料厚度为(8.3±0.02)mm,异质界面数为2时,屏蔽效果最好。而复合材料内部玻纤-碳纤异质界面数增加到3时H-G/C/G/C的效能降低,归因于厚度相同情况下,异质界面数过多会使电磁波来不及在异质界面处发生多次反射而透过材料,导致屏蔽效果变差。随编织层数的增加,平均EMISEA 先增大后减小,EMISER 变化不明显且其值均在3dB以下,表明3种结构的复合材料的SEA 对SET 的贡献远大于SER 。

图3 不同混杂层数复合材料的平均屏蔽效能

为研究玻纤/碳纤混杂复合材料的屏蔽机制,计算出X 波段内的平均功率系数,如图4所示。3种结构的复合材料透射功率系数低于1×10-3,表明几乎没有电磁波透过屏蔽材料,反射功率系数R 总是低于0吸收功率系数A ,表明玻纤/碳纤混杂复合材料的屏蔽机制以吸收为主导,反射为辅助,这表明玻纤的引入实现阻抗匹配,使更多的电磁波进入材料内部,再由复合材料内部的多异质界面对电磁波进行多次反射,实现对电磁波的高吸收,避免了电磁波的二次污染。随着混杂层数的增加,A 值和R 值分别减小和增大,保持屏蔽材料的厚度一致,在碳纤和玻纤的根数相同的情况下,随着异质界面的增多,吸收功率系数减小归因于混杂层数增多,各层的厚度减小,电磁波在各层之间的吸收损耗减少,故混杂层数越多,吸收功率系数减小。HG/C的A 值高达0.94,是出色的高吸收材料。    

图4 不同混杂层数复合材料的平均功率系数

2.1.2 电磁波入射方向对电磁屏蔽性能的影响

进一步研究电磁波从不同方向入射对复合材料电磁屏蔽性能的影响,如图5所示,对H-G/C 和H-G/C/G/C来说,“12”表示电磁波从阻抗匹配层(GF层)入射,“21”表示电磁波从反射层(CF层)入射;对于3层结构的H-G/C/G复材,“12”和“21”均表示从GF层入射,区别在于“12”方向入射的GF层的排纱图多一列玻纤。

图5 电磁波从不同方向入射到复合材料表面示意

为了详细说明吸收和反射效能对总屏蔽效能的贡献,图6为SER/SET 和SEA/SET 的比例百分率。无论电磁波从哪个方向入射,所有样品的吸收效能比例远大于反射效能比例,表明吸收效能对SET 的贡献占主导。3种结构的复材,电磁波从“12”方向入射时的SEA/SET 百分比总是高于从“21”方向入射时的值,只是H-G/C和H-G/C/G/C 的吸收效能比例在2个方向的差异较大,这归因于电磁波从“12”方向入射到阻抗值接近于空气的玻璃纤维层,反射电磁波较少,更多的电磁波进入材料的内部,通过异质界面处的多次反射及碳纤维本身的介电损耗被吸收。而电磁波从“21”方向入射到碳纤维层时,由于碳纤维是高反射性材料,电磁波会在其表面反射到自由空间中,进入材料内部的电磁波减少,内部的吸收损耗减小,故此方向的吸收比例较小。而H-G/C/G的吸收比例在2个方向的差异较小,这归因于无论从哪个方向入射,电磁波都入射到玻纤层,“12”方向入射时玻纤层的厚度略高,其吸收比例也略高,表明阻抗匹配层厚度越高,吸收比例随之增加。    

图6 复合材料不同入射方向的SER/SET 和SEA/SET

电磁波从不同方向入射对3种混杂复合材料的功率系数的影响如图7所示,R-12和A-12分别表示电磁波从“12”方向入射的反射功率系数和吸收功率系数,R-21和A-21分别表示电磁波从“21”方向入射的反射功率系数和吸收功率系数。从“12”方向入射时H-G/C和H-G/C/G/C表现出高吸收特性,从“21”方向入射时材料表现出高反射的性质,即这2种结构的复合材料表现出独特的不对称导电结构。对H-G/C/G而言,从2个方向入射的A 值总是大于R 值,均表现出高吸收特性,是对称的高吸收电磁屏蔽材料。采用混杂工艺制备的多异质界面复合材料在电磁波从“12”方向入射时均表现出高吸收特性。

(a)H-G/C

(b)H-G/C/G

(c)H-G/C/G/C    

图7 复合材料不同入射方向的功率系数

2.2 静态压缩性能

力学性能是电磁屏蔽材料实际应用的重要指标,多层结构的复合材料轴向受到载荷时异质界面处易发生分层现象,测试轴向压缩性能研究混杂区域对复合材料力学性能的影响。复合材料的载荷-位移曲线如图8所示,3个样品的曲线破坏过程大致一样,样品失效前载荷随位移增大而增大。混杂层数为2、3和4的复合材料对应的峰值载荷依次是23.5、21.37、15.28kN,即峰值载荷随混杂层数的增加而降低,H-G/C/G和H-G/C/G/C相较于H-G/C,峰值载荷分别降低了9.06%和34.98%。

图8 复合材料的载荷-位移曲线

复合材料的应力-应变曲线如图9所示,由图9可知复合材料表现出明显的脆性变形特征,弹性变形阶段应力在很小的应变下迅速增大,此过程应力和应变为线性关系,此过程复合材料呈现出弹性变形,直至应力达到最大值,复合材料伴随着发生塑性变形,此后因复合材料树脂基体继续开裂,应力快速释放并随应变增加而迅速减小,释放完后因玻纤/碳纤增强体支撑应力小幅增大后持续缓慢减小进入较长的平台阶段,复合材料持续变形,更多纤维随之脱粘。

图9 复合材料的应力-应变曲线

图10对比了3种混杂复合材料的抗压缩强度,随着混杂层数从2增加到4,3种复合材料对应的抗压缩强度分别是266.88、254.59、188.74MPa,即抗压缩强度随着混杂层数的增加而降低,H-G/C/G 和H-G/C/G/C相较于H-G/C,抗压缩强度分别降低了4.61 %和29.28%,表明随着异质界面的增多,材料的力学性能下降。    

图10 复合材料的抗压缩强度

为深入研究复合材料的破坏机理,对复合材料的破坏形貌(图11)进行观察,可以发现混杂复合材料的破坏形貌主要有3种形式:整体变形、树脂开裂和界面脱粘。3种复合材料的碳纤维面和玻璃纤维面均有明显的树脂开裂;轴向面有明显的纤维脱粘现象,且HG/C/G/C表现更为突出;面外因界面脱粘导致呈现出明显裂纹,但不存在异质界面处分层的缺陷,表明层内混杂设计制备的三维编织一体成型多异质界面复合材料具有良好的抗分层能力。

图11 复合材料的静态压缩破坏形貌

3 结 论

采用三维混杂编织技术设计制备了3种玻纤/碳纤三维编织一体成型多异质界面复合材料,电磁屏蔽总效能在X 波段均在30dB 以上,H-G/C/G 在频率为12.34GHz时最高可达到71.14dB,表明三维混杂编织设计可实现优异的电磁屏蔽效果。电磁屏蔽总效能随异质界面数的增加先增大后减小,构造适当数量的异质界面可提高屏蔽性能,异质界面数为2的H-G/C/G平均EMISET 高达65.21dB,吸收比例SEA/SET 高达98.25%,电磁波在异质界面处发生多次反射,通过延伸其传播路径以增强内部吸收。电磁波从玻纤层入射时吸收功率系数A 值总是大于反射功率系数R 值,复合材料的屏蔽机制以吸收为主,反射为辅,引入玻纤实现阻抗匹配使混杂复合材料表现出低反射特性,避免电磁波发生二次污染。复合材料轴向压缩后破坏形式为整体变形、树脂开裂和界面脱粘,无明显分层。抗压缩强度随混杂层数的增加而降低,H-G/C达到266.88MPa。通过构造玻纤-碳纤多异质界面,并通过混杂设计对界面处的纤维加固,复合材料表现出低反射、高屏蔽效能和高抗压缩强度特性,可实现结构功能一体化。    

参考文献见《纺织科技进展》2024年第6期。

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