吳瑜，周勝，陳毅

(1.東華大學(xué)，上海201620;2.揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)，江蘇揚(yáng)州225009)

電磁波向空中發(fā)射或泄露的現(xiàn)象稱為電磁輻射[1]，它已成為繼水、空氣、噪聲之后的第四大環(huán)境污染[2]。大量的調(diào)查和試驗(yàn)結(jié)果表明，電磁輻射除了干擾廣播、電視、通訊等設(shè)備的正常工作之外，較強(qiáng)的電磁輻射更會(huì)直接危害人體的健康[3]。對(duì)電磁輻射的有效防護(hù)手段之一是采用電磁屏蔽材料對(duì)電磁波進(jìn)行屏蔽，碳纖維由于具有密度小、強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好和導(dǎo)電性能良好等優(yōu)點(diǎn)，已成為電磁屏蔽材料和吸波材料研究的熱點(diǎn)[4－7]。本文選取碳長(zhǎng)絲束平行排列復(fù)合片、碳長(zhǎng)絲束織物和短切碳長(zhǎng)絲束復(fù)合材料三種不同類型碳纖維集合體，測(cè)試其在0.05～2.0GHz內(nèi)的電磁波屏蔽效能并研究其影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)材料及測(cè)試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用200tex/3000F的碳長(zhǎng)絲束，由南通森友碳纖維有限公司提供。實(shí)測(cè)單絲的平均直徑7.65μm，密度為1.44g·cm－3，電阻率為4.4×10－2Ω·m，碳長(zhǎng)絲束的線電阻為1.57Ω·cm－1。試驗(yàn)材料為碳長(zhǎng)絲束平行排列復(fù)合片、碳長(zhǎng)絲束織物和短切碳長(zhǎng)絲束復(fù)合材料。

1.1.1 碳長(zhǎng)絲束平行排列復(fù)合片

試樣的制備方法是將碳纖維長(zhǎng)絲束伸直、平行地以一定間隔地固定放置在發(fā)泡聚氯乙烯薄片(簡(jiǎn)稱發(fā)泡PVC片)使之成平行排列狀。

碳長(zhǎng)絲束平行排列復(fù)合片由碳長(zhǎng)絲束和高聚物PVC發(fā)泡片組成，發(fā)泡PVC片的尺寸為300mm×300mm×1.66mm，柔軟有彈性，類似于織物。碳長(zhǎng)絲束的行間距為d，試樣編號(hào)與結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。由于發(fā)泡PVC片對(duì)電磁輻射的吸收或屏蔽效能極小，可忽略[8，9]。

表1 各試樣編號(hào)及結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1.2 碳長(zhǎng)絲織物

碳長(zhǎng)絲織物的織造在半自動(dòng)小樣機(jī)上完成，經(jīng)緯紗均采用經(jīng)適當(dāng)預(yù)處理的碳長(zhǎng)絲紗;碳長(zhǎng)絲針織物的織造在針織手動(dòng)橫機(jī)上完成，同樣是采用經(jīng)過(guò)適當(dāng)預(yù)處理的碳長(zhǎng)絲紗作為原料。

碳長(zhǎng)絲束織物尺寸均為300mm×300mm，碳長(zhǎng)絲束機(jī)織物與針織物的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 織物試樣編號(hào)及結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1.3 短切碳長(zhǎng)絲束復(fù)合材料

將碳長(zhǎng)絲束剪成一定長(zhǎng)度的短切碳長(zhǎng)絲束，以環(huán)氧樹(shù)脂為基體，聚酰胺為固化劑，制備出不同長(zhǎng)度短切碳長(zhǎng)絲束復(fù)合材料。

1.2 測(cè)試方法

儀器設(shè)備主要由電磁波信號(hào)發(fā)生器、自建測(cè)試臺(tái)、頻譜分析儀和計(jì)算機(jī)組成，其連接配置見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

測(cè)試樣品放在發(fā)射天線與接收探頭之間，通過(guò)頻譜分析儀讀取衰減分貝值。本研究測(cè)定的指標(biāo)為屏蔽效率SE，ASTM D4935平面材料電磁波屏蔽效能標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法[10]所定義。依據(jù)國(guó)家電子行業(yè)軍用標(biāo)準(zhǔn)《SJ 20524-1995材料屏蔽效能的測(cè)量方法》的規(guī)定進(jìn)行[11]。采用掃頻方式進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量范圍為0.05～2GHz，掃描間隔帶寬為0.01GHz。測(cè)量采取:

式中，p1為測(cè)試臺(tái)中不放置材料時(shí)頻譜分析儀讀數(shù)(dBm);p2為測(cè)試臺(tái)中放置紡織材料時(shí)頻譜分析儀讀數(shù)(dBm);P1為測(cè)試臺(tái)中不放置材料時(shí)的分析儀的接收功率;P2是測(cè)試臺(tái)中放置紡織材料時(shí)的分析儀的接收功率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 碳長(zhǎng)絲束平行排列對(duì)電磁波屏蔽效能影響

碳長(zhǎng)絲束以平行的方式分別以10mm、5mm和2mm為間距排列在厚度為H的PVC發(fā)泡片上作為P1、P2、P3試樣，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 平行排列各間距屏蔽效能對(duì)比

從圖中看到，在0.05～0.6GHz頻率范圍內(nèi)，復(fù)合片的屏蔽曲線變化趨勢(shì)相同，并隨著間距的減小，即碳纖維質(zhì)量的增加，屏蔽效能峰值依次增大，顯然是因?yàn)樘祭w維含量的增加，在入射電磁波的作用下，纖維表面產(chǎn)生更多的趨膚電流[12]，從而通過(guò)歐姆損耗將電磁波能量轉(zhuǎn)化為更多熱能而消耗掉[13];在0.6～1.4GHz頻率范圍內(nèi)各曲線吸波效果均較差，但也有間距減小，吸波曲線上抬的趨勢(shì);在1.7～2.0GHz里P1和P2因?yàn)榉宓某霈F(xiàn)而優(yōu)于間距最小的P3試樣。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是因?yàn)轭l率選擇效應(yīng)[14]，對(duì)每一個(gè)試樣而言，一束纖維與另一束纖維之間是等距的，相對(duì)于電磁波在微波頻段內(nèi)的波長(zhǎng)，它必然只對(duì)應(yīng)著一個(gè)頻率，在這個(gè)頻率下，電磁波的相位相消達(dá)到最大值，反射衰減程度最大，而對(duì)其他頻率的作用則明顯減小，從而顯示出一定的頻率選擇性[15]。某一間距對(duì)應(yīng)一個(gè)可以產(chǎn)生最大反射衰減的頻率，對(duì)于不同的頻率，能使相位相消產(chǎn)生最大值的間距d也有所不同。

2.2 碳長(zhǎng)絲織物

對(duì)不同密度的碳長(zhǎng)絲束平紋機(jī)織物與平紋針織物，分別測(cè)試其屏蔽效能，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同密度碳長(zhǎng)絲束織物屏蔽效能對(duì)比

從圖3中可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)密度增大時(shí)，碳長(zhǎng)絲束針織物和機(jī)織物的屏蔽效能均增大。其原因在于，當(dāng)密度增大時(shí)，碳纖維含量增加，長(zhǎng)絲與長(zhǎng)絲間的聯(lián)系緊密，因纖維表面趨膚電流而產(chǎn)生的渦流損耗增加[16]，通過(guò)漫反射而損失的電磁波增加，故隨著密度的增大，碳長(zhǎng)絲織物的屏蔽效能在整體上呈上升趨勢(shì)。

分別比較機(jī)織物與針織物在不同頻率下的屏蔽效果發(fā)現(xiàn)，在0.05～1.0GHz范圍內(nèi)，針織物的屏蔽效果遠(yuǎn)不如機(jī)織物，原因在于，機(jī)織物為長(zhǎng)絲經(jīng)緯交織，長(zhǎng)絲與長(zhǎng)絲間孔隙小，而針織物為線圈穿套而成，織物孔隙要大于機(jī)織物，故會(huì)透射大量的電磁波，故屏蔽效能會(huì)低于機(jī)織物;在1.4～2.0GH針織物的屏蔽效能呈線性上升趨勢(shì)且優(yōu)于機(jī)織物，其原因在于機(jī)織物長(zhǎng)絲與長(zhǎng)絲之間聯(lián)系緊密，從而使其導(dǎo)電具有連續(xù)性，在高頻電場(chǎng)下，纖維表面產(chǎn)生趨膚電流進(jìn)面使整個(gè)織物平面形成強(qiáng)反射體，反射掉大部分電磁波。

2.3 短切碳長(zhǎng)絲束復(fù)合材料

試驗(yàn)所制短切碳長(zhǎng)絲束復(fù)合材料尺寸為300mm×300mm×4mm，研究選定碳纖維含量最佳比為0.7%，制得的短切長(zhǎng)度分別為2mm、6mm、10mm的復(fù)合材料的屏蔽效能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同長(zhǎng)度短切碳長(zhǎng)絲束復(fù)合材料屏蔽效能對(duì)比

從圖中發(fā)現(xiàn)，3種長(zhǎng)度的碳長(zhǎng)絲束復(fù)合材料在所測(cè)頻率范圍內(nèi)的屏蔽效能曲線形狀一致，在0.4GHz和1.9GHz處有明顯的峰值。試樣整體屏蔽效能由高到低對(duì)應(yīng)的碳長(zhǎng)絲束長(zhǎng)度依次為10mm、2mm、6mm。這是因?yàn)槎糖刑祭w維作為偶極子在電磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生極化耗散電流，在周圍基體作用下，耗散電流被衰減，從而使電磁波能量轉(zhuǎn)換為其它形式的能量[17]。短切碳纖維在復(fù)合材料中分布不均勻時(shí)，各諧振子之間成為相對(duì)獨(dú)立的電偶極子[18]，各偶極對(duì)電磁波吸收疊加結(jié)果使得屏蔽效能加強(qiáng)，并且一定含量短切碳纖維復(fù)合材料，必定存在一個(gè)長(zhǎng)度最佳值，使其屏蔽效果最佳。

2.4 綜合分析

試驗(yàn)選取的三種類型的碳纖維集合體材料分別為碳長(zhǎng)絲束平行排列復(fù)合片、碳長(zhǎng)絲束織物和短切碳長(zhǎng)絲束復(fù)合材料，試樣尺寸均為300mm×300mm，厚度有所不同。就整體屏蔽效果而言，在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，碳長(zhǎng)絲束平行排列復(fù)合片在不同頻段內(nèi)的屏蔽效能值差異最大，碳長(zhǎng)絲束織物次之，短切碳長(zhǎng)絲束復(fù)合材料曲線最為平緩。這是因?yàn)?，碳長(zhǎng)絲束平行排列是有規(guī)律地定向排列，頻率選擇效應(yīng)明顯，故存在一個(gè)或幾個(gè)使得屏蔽效能最佳的頻率值，而在其它頻率處屏蔽效果差;就峰值而言，碳長(zhǎng)絲束平行排列復(fù)合片間距為2mm的P3試樣在0.4GHz處達(dá)到19.15dB，碳長(zhǎng)絲束機(jī)織物密度較大的2#試樣在1.1GHz處達(dá)到18.01dB，針織物密度較大的2#試樣在2.0GHz處達(dá)到24.33dB，短切碳長(zhǎng)絲復(fù)合材料長(zhǎng)度為10mm的試樣在2.0GHz達(dá)到14.33dB?？梢?jiàn)短切碳長(zhǎng)絲束復(fù)合材料的屏蔽效能值雖然在所測(cè)試頻段整體差異小，但是值過(guò)低;碳長(zhǎng)絲束平行排列復(fù)合片在所測(cè)試頻率兩端屏蔽效果優(yōu)異;碳長(zhǎng)絲束機(jī)織物在所測(cè)試頻率中段和后段屏蔽效果較好，針織物在后段屏蔽效果優(yōu)異。

3 結(jié)論

本文選取三種類型的碳纖維集合體材料，即碳長(zhǎng)絲束平行排列復(fù)合片、碳長(zhǎng)束織物和短切碳長(zhǎng)絲束復(fù)合材料作為研究對(duì)象，測(cè)試其在0.05～2.0GHz內(nèi)的屏蔽效能，分析其對(duì)電磁波的衰減機(jī)理，得出如下結(jié)論。

(1)短切碳長(zhǎng)絲束的長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合材料的屏蔽效能影響較大，碳長(zhǎng)絲束長(zhǎng)度為10mm的試樣屏蔽效果最佳，2mm次之，6mm最差。不同長(zhǎng)度的短切碳長(zhǎng)絲束復(fù)合材料在所測(cè)頻率范圍內(nèi)的屏蔽效能值較其它類型試樣差異最小，但是屏蔽效能值不高，同針織物密度較大的2#試樣在2.0GHz處達(dá)到24.33dB相比，短切碳長(zhǎng)絲束長(zhǎng)度為10mm的試樣在2.0GHz處的峰值僅為14.33dB。

(2)碳長(zhǎng)絲束束間距對(duì)碳長(zhǎng)絲束平行排列復(fù)合片的屏蔽效能影響較大，間距越小，屏蔽效能峰值越高，間距為2mm的P3試樣在所測(cè)頻率范圍兩端屏蔽效果優(yōu)異，峰值均超過(guò)17dB，在中端屏蔽效果很差，這是由于規(guī)律定向排列的碳長(zhǎng)絲束的頻率選擇效應(yīng)導(dǎo)致的。

(3)密度對(duì)碳長(zhǎng)絲束織物的屏蔽效能影響較大，密度越大，屏蔽效能值越高。碳長(zhǎng)絲束機(jī)織物在所測(cè)頻率范圍內(nèi)屏蔽效果差異較大，在0.05～1.1GHz內(nèi)的屏蔽效能較針織物好;碳長(zhǎng)絲束針織物在所測(cè)頻率范圍內(nèi)屏蔽效能呈整體上升趨勢(shì)，在1.1～2.0GHz內(nèi)的屏蔽效能平均值為17.03dB，屏蔽效果優(yōu)異。

[1]YURYAKRAVTSOV.Propagation of electromagnetic waves in weakly anisotropic media:Theory and applications[J].Optica Applicata，2010，40(4):975－978.

[2]SHI F J，ZHENG D J.Study on electromagnetic shielding effectiveness of metal fiber blended fabric[J].Wool Textile Journal，2006，11(2):43－44.

[3]JAEKEL B W.EMC and functional safety－Challenges and standards:England，4371689[P].2007-02-13.

[4]CHENG K B，LEE M L，RAMAKRISHNA S，et al.Electromagnetic shieldingeffectivenessofstainless steel/Polyester woven fabrics[J].Textile Research Journal，2001，71(1):42－49.

[5]FOLGUERAS，LUIZA D C，NOHARA E L.Dielectric microwave absorbing material processed by impregnation of carbon fiber fabric with polyaniline[J].Materials Research，2007，10(1):95－96.

[6]CUN Y C，CHENG H C.Anisotropic microwave absorbing properties of oriented SiC short fiber sheets[J].Materials＆Design，2010，31(6):3140.

[7]CHUNG D D L.Electromagnetic interference shielding effectiveness of carbon materials[J].Carbon，2001，39(1):279－281.

[8]J S HORVATH.Expanded Polystyrene(EPVC)geofoam:An introduction to material behavior[J].Geotextiles and Geomembranes，1994，13(4):263－265.

[9]杜騁，楊軍.聚苯乙烯泡沫(EPVC)的特性及應(yīng)用分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2001，4(03):138－139.

[10]ASTM D4935美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)目錄[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[11]SJ20524 1995材料的屏蔽效能測(cè)試方法[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

[12]張玉民，戚伯云.電磁學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社，2000.

[13]步文博，徐潔，丘泰，等.吸波材料的基礎(chǔ)研究及微波損耗機(jī)理的探討[J].材料導(dǎo)報(bào)，2001，12(05):14.

[14]趙乃勤，曹婷，郭偉凱.碳纖維(碳?xì)?/樹(shù)脂復(fù)合吸波材料的研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2003，20(5):63－67.

[15]王海洋.周期結(jié)構(gòu)材料力學(xué)和電磁動(dòng)態(tài)特性研究[D].大連:大連理工大學(xué)，2007.

[16]趙明良，唐佃花.有關(guān)紡織的電磁輻射和電磁屏蔽研究[J].紡織服裝技術(shù)，2008，29(3):9－18，26.

[17]DOIT，HASHIMOTO O.An experimental study on wideband wave absorber using periodically－arranged short carbon fibers[J].Electronics and Communications in Japan，2010，93(3):16－17.

[18]陳仁松，何彬，王紅霞.碳納米管8～12GHz電磁波衰減實(shí)驗(yàn)研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2007，32(03):129－130.