隨著電子設(shè)備的廣泛應用，電磁干擾問題日益嚴重，同時設(shè)備的小型化和高性能化對導熱性能提出了更高要求。為此研究兼具電磁屏蔽與導熱性能的復合材料具有重要意義。本文旨在探討復合材料在實現(xiàn)電磁屏蔽與導熱性能協(xié)同優(yōu)化方面的應用，為解決電子設(shè)備在高性能與環(huán)保方面的挑戰(zhàn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

一、研究內(nèi)容與方法

（一）研究內(nèi)容

本研究主要涉及電磁屏蔽與導熱性能協(xié)同優(yōu)化復合材料的制備、仿真分析與實驗驗證。具體包括復合材料的設(shè)計與制備，互聯(lián)網(wǎng)仿真模型的建立與性能分析，以及復合材料的電磁屏蔽和導熱性能測試。旨在通過材料優(yōu)化，實現(xiàn)兩種性能的協(xié)同提升。

（二）研究方法

研究采用互聯(lián)網(wǎng)仿真與實驗研究相結(jié)合的方法。利用專業(yè)仿真軟件進行材料設(shè)計與性能預測；通過實驗制備復合材料，并對其電磁屏蔽和導熱性能進行測試；對比仿真與實驗結(jié)果，優(yōu)化材料配方和制備工藝，以達到預期的性能目標。

二、復合材料設(shè)計與互聯(lián)網(wǎng)仿真

（一）材料選擇與設(shè)計

1.基體材料選擇

基體材料的選擇至關(guān)重要，因為它不僅需要提供機械支撐，還要與填充材料相容，以保持復合材料的整體性能。選擇熱固性樹脂和熱塑性聚合物作為候選基體材料，因為它們具有良好的加工性、耐熱性和化學穩(wěn)定性[]。具體來說，環(huán)氧樹脂和聚酰亞胺（PI）因其優(yōu)異的粘接性和耐熱性而被考慮作為基體材料。

2.填充材料選擇

填充材料的選擇對于電磁屏蔽和導熱性能至關(guān)重要。金屬粉末，如銅粉末、銀粉末和鋁粉末，具有優(yōu)異的導電性和導熱性，能夠有效提升材料的電磁屏蔽效果，同時改善導熱性能。碳基材料如石墨烯、碳納米管和碳纖維，具有輕質(zhì)、高導電性和高導熱性，且能夠增強復合材料的整體性能，適合在輕量化設(shè)計中使用。

3.材料配比設(shè)計

材料配比設(shè)計是復合材料制備的關(guān)鍵步驟，它決定了復合材料的最終性能。采用以下步驟來設(shè)計材料配比：① 確定填充材料的類型和形態(tài)，以及基體材料的種類。② 通過實驗和仿真相結(jié)合的方法，確定填充材料的體積分數(shù)或質(zhì)量分數(shù)。設(shè)計不同比例的填充物（ 5 % 、 10 % 、1 5 % ），以找到最佳的電磁屏蔽與導熱性能平衡點[2]。③ 考慮到加工過程中的分散均勻性和復合材料的機械性能，對填充材料的預處理和混合工藝進行了優(yōu)化。 ④ 通過一系列的實驗，評估不同配比下復合材料的電磁屏蔽效率和導熱系數(shù)，以確定最佳配比。

（二）互聯(lián)網(wǎng)仿真模型建立

1.仿真軟件選擇

針對本研究的需求，選擇了ANSYS電磁仿真軟件（ANSYSElectromagnetic Suite） 和 ANSYSFluent熱流體仿真軟件。ANSYS電磁仿真軟件提供了HFSS和Maxwell等模塊，適用于電磁場仿真；而ANSYSFluent則用于熱傳導和流體動力學的仿真分析[]。

2.仿真模型構(gòu)建

（1）幾何模型建立：使用ANSYSDesignModeler創(chuàng)建復合材料的幾何模型，包括基體和填充材料的形狀、尺寸和分布。假設(shè)復合材料為均勻分布的層狀結(jié)構(gòu)，每層材料的厚度和比例根據(jù)實驗設(shè)計確定。

（2）電磁模型：在HFSS中，設(shè)置電磁波頻率范圍為1GHz至 1 0 G H z ，以覆蓋常見的電磁干擾頻段。模型包括一個發(fā)射天線和一個接收天線，以及位于它們之間的復合材料樣品。

（3）熱模型：在ANSYSFluent中，建立與電磁模型相對應的幾何結(jié)構(gòu)，設(shè)置熱源和邊界條件，模擬材料在特定熱負荷下的熱響應。

3.仿真參數(shù)設(shè)置

仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

（三）電磁屏蔽性能仿真

1.電磁屏蔽機理

電磁屏蔽是指利用導電或?qū)Т挪牧献钃蹼姶挪▊鞑サ囊环N技術(shù)。其機理主要包括三個方面。

反射損耗（RL）：當電磁波遇到屏蔽材料表面時，一部分能量被反射回去，反射損耗與材料的導電性、介電常數(shù)，以及入射波的頻率和角度有關(guān)。

吸收損耗（AL）：電磁波進入屏蔽材料內(nèi)部，由于材料內(nèi)部的導電性或?qū)Т判?，電磁波能量被轉(zhuǎn)化為熱能，從而實現(xiàn)能量的吸收。

多次反射損耗（MR）：在屏蔽材料內(nèi)部，電磁波會在不同界面之間發(fā)生多次反射，每次反射都會有一部分能量被吸收，最終使得電磁波能量衰減。

2.仿真分析方法

在仿真分析中，重點關(guān)注復合材料的屏蔽效能（SE），它是衡量電磁屏蔽性能的關(guān)鍵指標，計算公式為 ，其中， 是入射電場強度， 是透射電場強度[4]。

3.仿真結(jié)果

仿真分析表明，隨著填充材料導電性的提高，復合材料的屏蔽效能增強，尤其在高頻區(qū)域。銅粉末和石墨烯填充的復合材料表現(xiàn)出較高的屏蔽效能，而屏蔽效能在不同頻率下有所差異。當銅粉末的體積分數(shù)為 10 % 時，屏蔽效能提升最顯著，但繼續(xù)增加比例效果減弱。石墨烯在低填充量下就能提供較高的屏蔽效能，即使在 5 % 體積分數(shù)下也表現(xiàn)出良好的屏蔽效果。

（四）導熱性能仿真

1.導熱機理

導熱性能的機理涉及熱能如何在材料內(nèi)部傳遞。在復合材料中，導熱主要通過以下三種方式實現(xiàn)。

電子導熱：在金屬填充材料中，自由電子的運動是主要的導熱機制。電子在材料內(nèi)部的運動和碰撞傳遞熱能。

聲子導熱：在非金屬填充材料和基體材料中，熱能通過聲子（材料晶格振動的量子）的傳遞來實現(xiàn)。聲子導熱依賴于材料的晶格結(jié)構(gòu)和溫度。

界面導熱：復合材料中的界面熱傳導性能對整體熱

導率有顯著影響。界面熱阻越小，熱傳導效率越高。

2.仿真分析方法

分析填充材料對復合材料熱導率的影響，比較不同填充比例下的熱導率變化；研究填充材料的形狀和分布對熱傳導性能的影響，探討如何通過改變填充材料的形態(tài)來優(yōu)化熱導率；評估界面熱阻對整體熱導率的影響，探索降低界面熱阻的方法；分析復合材料在不同溫度下的熱導率變化，了解材料的熱穩(wěn)定性。

3.仿真結(jié)果

仿真分析顯示，填充材料的導電性對復合材料熱導率有顯著影響，尤其在高頻區(qū)域。銅粉末和石墨烯填充的復合材料展現(xiàn)出高熱導率。不同頻率下，熱導率受電子和聲子導熱的影響而有所不同。當銅粉末體積分數(shù)為 1 5 % 時，熱導率提升最明顯，但繼續(xù)增加填充比例，則熱導率提升效果減弱。石墨烯在低填充量下就能提供良好熱導率，這得益于其二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的導電性能。

三、實驗研究與分析

（一）實驗材料與設(shè)備

1.實驗材料

本實驗選用了環(huán)氧樹脂和聚酰亞胺（PI）作為基體材料。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的黏結(jié)性和加工性，適用于多種復合材料的制作；聚酰亞胺（PI）則因其出色的耐熱性，特別適合在高溫環(huán)境下應用。填充材料方面，銅粉末被選中因其卓越的導電性，能夠有效提高復合材料的電磁屏蔽能力。石墨烯、碳納米管和碳纖維均具有優(yōu)良的導電性和導熱性，且石墨烯和碳納米管的輕質(zhì)特性有助于增強復合材料的整體性能。

2.實驗設(shè)備

實驗使用了多種設(shè)備以確保復合材料的制備與性能測試達到預期效果。材料混合設(shè)備包括攪拌機和研磨機，用于將基體材料與填充材料充分混合。成型設(shè)備如壓機和熱壓機，用于將混合物壓制成所需形狀。性能測試設(shè)備如電磁屏蔽測試儀、熱導率測試儀和熱流測試儀等。

（二）復合材料制備

混合：在制備復合材料的過程中，首先將基體材料和填充材料按預定的比例混合[5]。

成型：將混合好的材料倒入模具中，通過加熱或加壓的方式使其成型。

固化：在成型之后，基體材料需要經(jīng)過固化處理。

（三）電磁屏蔽性能測試與分析

電磁屏蔽性能測試的結(jié)果與分析，通過評估屏蔽效能（SE）、屏蔽材料厚度和測試頻率范圍等關(guān)鍵指標，能夠全面了解復合材料的電磁屏蔽性能。測試結(jié)果顯示銅粉末填充的復合材料在 10 % 體積分數(shù)下表現(xiàn)出最佳屏蔽效能，提示填充材料體積分數(shù)對屏蔽效能具有顯著影響。

（四）導熱性能測試與分析

導熱性能測試的結(jié)果與分析，涵蓋了熱導率測試、測試溫度范圍和熱流測試等關(guān)鍵指標。測試結(jié)果表明，銅粉末填充的復合材料在 1 5 % 體積分數(shù)下展現(xiàn)出最佳熱導率，表明填充材料的體積分數(shù)對熱導率具有顯著影響。通過優(yōu)化體積分數(shù)，可以實現(xiàn)最佳的導熱性能。

（五）電磁屏蔽與導熱性能協(xié)同優(yōu)化分析

1.材料配比優(yōu)化

在材料選擇和配比設(shè)計方面，通過仿真和實驗相結(jié)合的方法，對基體材料和填充材料的配比進行優(yōu)化。選取具有高導電性和高熱導率的銅粉末、石墨烯等填充材料，并通過調(diào)整其體積分數(shù)，找到最佳的電磁屏蔽與導熱性能平衡點。實驗結(jié)果顯示，當銅粉末體積分數(shù)為10 % 時，復合材料的屏蔽效能和熱導率都達到了最佳。

2.制備工藝優(yōu)化

在復合材料的制備過程中，優(yōu)化混合、成型和固化等工藝參數(shù)，通過調(diào)整混合設(shè)備的轉(zhuǎn)速、成型設(shè)備的溫度和壓力，以及固化過程中的溫度和時間，能夠提高填充材料的分散均勻性，確保復合材料具有穩(wěn)定的性能。

四、結(jié)束語

本文選擇了環(huán)氧樹脂和聚酰亞胺作為基體材料，以及銅粉末、石墨烯、碳納米管和碳纖維作為填充材料，通過優(yōu)化材料配比和制備工藝，制備了具有良好電磁屏蔽和導熱性能的復合材料。實驗結(jié)果顯示，當銅粉末體積分數(shù)為 10 % 時，復合材料的屏蔽效能和熱導率都達到了最佳。制備工藝的優(yōu)化提高了填充材料的分散均勻性，確保了復合材料具有穩(wěn)定的性能。仿真分析結(jié)果顯示，銅粉末和石墨烯填充的復合材料在 1 0 % 體積分數(shù)下屏蔽效能最佳，而在 1 5 % 體積分數(shù)下熱導率最佳，通過實驗研究和仿真分析，材料配比優(yōu)化是實現(xiàn)電磁屏蔽與導熱性能協(xié)同優(yōu)化的關(guān)鍵；制備工藝優(yōu)化對于確保復合材料的穩(wěn)定的性能至關(guān)重要；仿真分析與實驗研究相結(jié)合的方法可以有效地預測和驗證復合材料的性能。

作者單位：倪濤深圳市利群聯(lián)發(fā)科技有限公司

參考文獻

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[5]劉偉，賈琨，谷建宇，等 . A g / 石墨烯復合薄膜的制備及其導熱和電磁屏蔽性能研究[J].材料導報，2022，（09）：36.