应用ℱ一文读懂碳纤维在电磁屏蔽领域的应用研究

随着科技的进步，电子、电器和通讯设备在人们生活中越来越重要，由这些设备向外发射的电磁波也越来越密集。电磁波传播方向垂直于电场和磁场构成的平面，有效地传递能量和动量。

   

我们把电磁波向空中发射或泄露的这种现象称为电磁辐射，它已经成为除水、空气、噪声之外的第四大环境污染。电磁辐射产生的辐射源，除了自然界中的太阳、雷电等天然辐射源之外，人类所制造的电子、电器和通讯设备同样也会产生电磁辐射，因此，电磁屏蔽材料的研究与开发逐渐成为人们日益关注的问题。

碳纤维具有良好的电磁屏蔽性能，也是一种高性能增强纤维。同时碳纤维具备优异的电、热传导性，阻燃性能良好，热膨胀系数极低，并且还有低辐射线吸收性、非磁性和不磁化、极好的振动阻尼性、抗疲劳和抗蠕变性能。

碳纤维具有电磁屏蔽能力的主要原因是它具有较好的导电性能。碳纤维常见的体积电阻率在(0.8~1.8)×10^{- 3}Ω·cm 之间，并且电导率会随着热处理温度的升高而增大。因此，碳纤维在经过高温石墨化处理之后，可以成为电磁波的优良反射材料。目前国内在碳纤维方面的研究还是主要集中在其复合材料的力学性能上，在电磁屏蔽领域的研究相对不多。

所谓电磁屏蔽就是利用导电或导磁材料将电磁辐射限制在某一规定的空间范围内。屏蔽一般有两个目的，一是限制内部辐射的电磁能量泄漏出该内部区域，二是防止外来的辐射干扰进入某一区域。电磁屏蔽按其屏蔽原理可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽，其实质都是研究电磁场在各种具体问题的局部空间如何分布的问题。

根据Schelkunoff电磁屏蔽理论，电磁波在经过传播到达屏蔽材料的表面时，会出现三种不同的衰减机理：其中之一是在入射表面所进行的反射衰减；二是电磁波材料吸收的未被反射而进入屏蔽体的电磁波所产生的衰减；三是电磁波在屏蔽体内部进行多次反射所造成的衰减，如下图所示。

电磁波在屏蔽体中传播与损耗

屏蔽材料对空间某点的屏蔽效果通常用屏蔽效能来表示，即

SE = 20 log(E0/ E)

式中SE是屏蔽效能，为屏蔽材料对电磁信号的衰减值，单位为dB，E0是无屏蔽材料时该点场强，E是有屏蔽体之后该点场强。

根据SE值的大小可以将电磁屏蔽材料划为四个类别，具体如下。一般情况下，在30~1000MHz频率范围内，用作常规电子器材电磁屏蔽的材料，若其SE值达到35dB可认为具有有效屏蔽作用。

电磁屏蔽材料分类方法有很多，主要有铁磁材料与金属良导体材料、表层导电型屏蔽材料和填充型屏蔽复合材料。其中填充型屏蔽复合材料是由电绝缘性较好的基体和具有优良导电性能的导电填料及其它助剂所组成的电磁屏蔽材料制品，碳纤维就属于这种。

当碳纤维的排布方向与入射电场平行时，由于碳纤维本身是一种优良的导电性的电损耗材料，碳纤维中此时会产生较大的传导电流，对入射的电场产生强反射，具有接近于金属的反射效果；另一种情况是当碳纤维的排布方向与入射电场垂直时，碳纤维在这时作为雷达波的损耗介质；而当碳纤维的排布方向与入射电场的夹角不确定时，由于反射电场与入射电场不相平行，反射电场会产生一个与入射电场垂直的反射电场分量，从而起到一定的消波作用。

目前对于短碳纤维在基体当中的吸波机理的研究有着两种不同的看法，一种是认为短切碳纤维作为偶极子在电磁屏蔽过程中起到了吸波的作用，因为作为偶极子的短切碳纤维由于基体存在于其周围，电磁场的作用下产生的极化耗散电流被衰减，将雷达波转换成了其他形式的能量。

另一种则认为短切碳纤维在吸波材料中的存在形式是半波谐振子。在短切碳纤维的近区存在的似稳感应场能够激起耗散电流，而周围基体的作用会衰减耗散电流，将雷达波转换为以热能为主的其他形式的能量。

目前短切碳纤维主要应用的形式是通过将导电填料和树脂进行共混，然后采用塑料加工工艺，例如挤出成型，注塑成型等工艺得到填充型电磁屏蔽材料。在这方面，国内外都有很多的研究。

短切碳纤维的长度能够影响到电磁屏蔽材料的吸波性能，且短切碳纤维的长度和填充量之间有着直接关系。

研究发现短切碳纤维的长径比与材料的电磁屏蔽性能成正比。在短切碳纤维长度较短时，由于电流沿纤维长度方向流动的时间太短，产生的电导较小，以致复介电常数和损耗较小；而当短切碳纤维太长时，由于碳纤维本身的良导电性材料会产生较强的反射，此时的电磁屏蔽材料也不会产生较大的复介电常数，因此连续碳纤维无法作为吸波纤维应用到电磁屏蔽材料中，只有当电磁屏蔽材料中含有特定的含量和长度的短切碳纤维才能具有良好的复介电常数和频响特性。并且短切碳纤维的长度在2~4mm时较为合适，此外可以通过调整纤维的含量和长度来改变复合材料的电磁参数及衰减量，并且短切碳纤维的不同长度范围的在介质中对应着不同的最佳填充量，当短切纤维的长度和传输波长的1/2近似时可以得到较好的电磁屏蔽性能。

复合材料中短切碳纤维的含量存在一个峰值，可以使得屏蔽材料获得最优异的电磁屏蔽性能。研究表明，复合材料的介电常数的实部和虚部随着短切碳纤维含量的增加而增大；而当短切碳纤维的含量增加到一个特定的数值之后，介电常数值反而会下降。

根据电磁波理论，电磁波在碳纤维导体表面产生涡流时，随着其频率的增加，分布在导线截面上的电流将会越来越向导线的表面集中，从而产生一种趋肤效应现象。一般认为，趋肤效应越明显，产生的涡流损耗越大，通过这种形式能够损耗掉部分电磁波能量。除了固有的涡流损耗外，当电磁波在碳纤维之间进行传播时，还会因为经散射发生类似相位对消现象从而引起在每束碳纤维之间传递的部分电磁波的损耗增加。

国内的一些团队深入研究了碳纤维的排布方式对于碳纤维集 合体的电磁屏蔽性能的影响，并且取得了一定的成果。研究表明碳长丝束的束间距对于平行排列的碳长丝束复合材料的屏蔽效能会产生较大影响: 随着碳长丝束的间距缩小，其屏蔽效能的峰值就会越高，当碳长丝束的间距为2mm时，复合材料在所测频率范围内的屏蔽效果较好，测得的峰值均超过了17dB，材料在所测的频率范围中端屏蔽效果较差，这是由于当碳长丝束经过定向排列后具有了频率选择效应。

通过对碳纤维表面进行改性可以提高碳纤维的电磁屏蔽性能，其方法主要包括表面活化、表面沉积、表面镀金属以及截面异形化。通过对连续碳纤维表面活化增加碳纤维树脂基复合材料的多次反射，从而提高碳纤维复合材料的屏蔽效能，并且对碳纤维表面进行活化后并没有对碳纤维本身的力学性质产生较大影响，是较为有效的改性方法。此外研究表明：SiC涂层对碳纤维的电磁参数的影响很大，在一定程度上SiC涂层可以减小复合材料的介电损耗角正切值以及介电常数，并且使复合材料的电磁波吸收率增加。此外还原氧化石墨烯 (rGO)对碳纤维(CF) 进行表面改性，并采用溶剂热法将 rGO与纳米Fe3O4粒子结合制备石墨烯基铁氧体杂化材料(rGO-Fe3O4)，提高阻抗匹配，达到提高CF复合材料电磁屏蔽性能的目的。

在碳纤维织物方面的研究目前主要侧重于碳纤维织物的编织方式以及厚度方面。研究结果表明，高复合材料的SE值可以通过增加碳纤维织物的层数来得到有效的提高，当碳纤维织物的层数从一层增加到三层时，复合材料的电磁屏蔽效能可以由50dB提高到70dB，而采用交叠方式组合的三层碳纤维织物复合材料，其SE值可以达到l00dB之高，相较于普通的三层织物，其屏蔽效能高出了30dB。碳纤维织物中碳纤维的填充量仅需要普通碳纤维填充的复合材料的一半就可以达到相同的电磁屏蔽效果。复合材料的密度对碳长丝束织物的屏蔽效能影响较大，随着复合材料密度的增大，其屏蔽效能值逐渐升高。此外利用碳纤维毡的特殊孔洞结构，在其表面进行金属镀层后，复合材料能够在较宽的频率范围内有良好的电磁屏蔽效果，并且不需要很大的碳纤维填充量。

碳纤维具备优良电磁屏蔽性能的同时还具有高比强度、高比模量的特点，本身质量又轻，因此国外已将碳纤维复合材料大量用于隐形飞机等飞行器上，并且通过对碳纤维进行改性来减少对电磁波的反射，提高其吸波性能。而国内碳纤维电磁屏蔽的技术相对还不成熟，多数学者的主要研究方面集中在碳纤维作为填料的树脂基复合材料上，同时对碳纤维排布方式对电磁屏蔽特性的影响有比较系统的研究。相比于短切碳纤维和连续长丝束，碳纤维织物的电磁屏蔽性能会是一个热门研究方向。