電磁波輻射帶來的電磁干擾問題越來越引起人們重視，其不僅會(huì)危害人體健康，還會(huì)干擾電子設(shè)備的正常運(yùn)行，在一些重要領(lǐng)域造成重大損失。電磁屏蔽指在空間某個(gè)區(qū)域內(nèi)，用以減弱由某些源引起的場(chǎng)強(qiáng)的措施。

? ? ? ??特種工程塑料如何實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽？導(dǎo)電填料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都很重要！電磁輻射廣泛存在

高性能、輕量化電磁屏蔽材料在宇航衛(wèi)星、運(yùn)載導(dǎo)彈等國(guó)防軍工領(lǐng)域具有重大戰(zhàn)略需求，通過配方設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電磁屏蔽特種工程塑料在制備具有特定頻段、特定密度和特定屏蔽機(jī)理的電磁屏蔽材料方面有重要應(yīng)用價(jià)值。
根據(jù)屏蔽效能SE值的大小可以將電磁屏蔽材料劃為四個(gè)類別：
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當(dāng)前，人類通信逐漸向以5G和衛(wèi)星通信為代表的高頻波段（8~30 GHz）發(fā)展，一般認(rèn)為材料屏蔽效能介于60~90 dB屬于高電磁屏蔽材料，航天級(jí)電磁屏蔽材料要求達(dá)到70dB以上，以法拉第籠為典型代表的傳統(tǒng)金屬電磁屏蔽材料無法很好地滿足對(duì)電磁屏蔽材料提出的高頻屏蔽、寬頻作用和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)等新要求。因此，有必要開發(fā)其他材質(zhì)的電磁屏蔽材料。
以聚醚醚酮（PEEK）、聚酰亞胺（PI）等為代表的特種工程塑料因其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐溶劑性和耐輻照性等特性逐漸替代金屬材料，應(yīng)用于航天軍工等特殊領(lǐng)域，例如飛機(jī)油箱材料、艦艇隔熱隔聲材料、火箭整流罩和飛機(jī)燃油泵等裝備?？赏ㄟ^填料改性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等手段，實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽效能和頻段的調(diào)控，其優(yōu)異的加工性能和輕量化優(yōu)勢(shì)也可拓寬應(yīng)用范圍。
? ? ? ??特種工程塑料如何實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽？導(dǎo)電填料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都很重要！火箭整流罩
本文介紹特種工程塑料基電磁屏蔽材料的制備的相關(guān)研究工作，總結(jié)分析了各類制備方法的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了填料改性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)合材料電磁屏蔽性能的影響效應(yīng)。
  • 電磁屏蔽特種工程塑料理論研究
特種工程塑料本身導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性差，幾乎不具備電磁屏蔽性能。需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和添加填料等手段在基體內(nèi)構(gòu)建導(dǎo)電通路，賦予特種工程塑料導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性，在滿足電磁屏蔽要求的前提下替換金屬材料。
依據(jù)電磁屏蔽理論，電磁屏蔽機(jī)理可分為反射損耗、吸收損耗和多次反射損耗。
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吸收損耗是由電磁波穿過材料時(shí)被轉(zhuǎn)化為熱能而造成的，研究發(fā)現(xiàn)材料電導(dǎo)率越高、磁導(dǎo)率越大、絕對(duì)厚度越大、電磁波頻率越高，吸收損耗越大。在高頻下一般采用高電導(dǎo)率和高磁導(dǎo)率同時(shí)作用的方式進(jìn)行電磁屏蔽。由于反射損耗易造成二次電磁污染，電磁屏蔽材料的研發(fā)主要向高吸收損耗、輕量化結(jié)構(gòu)和特定波段屏蔽發(fā)展。
依據(jù)聚合物導(dǎo)電通路理論，可分為3類聚合物導(dǎo)電通路結(jié)構(gòu)：多層結(jié)構(gòu)、隔離結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)。多層結(jié)構(gòu)通過薄膜疊加和3D打印等方式實(shí)現(xiàn)，基體內(nèi)多界面結(jié)構(gòu)在促進(jìn)導(dǎo)電通路形成的同時(shí)加劇了電磁波在材料內(nèi)的多次反射損耗，提高了材料的電磁屏蔽性能。隔離結(jié)構(gòu)可看作特殊的泡孔結(jié)構(gòu)，通過乳膠法、熱壓法等方式獲得，可以有效促進(jìn)電磁波在導(dǎo)電框架內(nèi)的多次反射、散射和吸收。多孔結(jié)構(gòu)則通過泡孔的體積排阻效應(yīng)，在基體內(nèi)形成隔離結(jié)構(gòu)和多界面結(jié)構(gòu)，促進(jìn)導(dǎo)電通路的構(gòu)建。
  • 填料類型對(duì)電磁屏蔽特種工程塑料的性能影響
目前導(dǎo)電填料主要分為碳系填料、金屬填料和磁性氧化物填料。不同類型的填料存在導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、分散性和自身結(jié)構(gòu)的差異，因此其作用頻段和作用效果也各不相同，填料的選擇與改性是制備電磁屏蔽特種工程塑料的研究重點(diǎn)。
1.金屬系電磁屏蔽材料
以鐵（Fe）、鎳（Ni）為代表的金屬材料具有優(yōu)異的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，對(duì)高低頻磁場(chǎng)的屏蔽效能十分突出，通常采取表面噴涂處理和填料共混的方式制備電磁屏蔽特種工程塑料。
? ? ? ??特種工程塑料如何實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽？導(dǎo)電填料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都很重要！金屬鎳
通過在碳纖維/聚醚醚酮（CF/PEEK）復(fù)合材料表面鍍Ni可使復(fù)合材料在0.03~1.5 GHz 頻段下獲得高達(dá) 119 dB 的屏蔽效能，但表面噴涂金屬材料引起的材料耐腐蝕性下降。通過添加金屬填料和填料表面金屬化處理等手段，可制備高效能、輕量化、耐腐蝕的電磁屏蔽復(fù)合材料。
? ? ? ??特種工程塑料如何實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽？導(dǎo)電填料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都很重要！PEEK導(dǎo)電棒材 ?圖源：首塑
研究人員還采用其他金屬材料制備了電磁屏蔽特種工程塑料。采用溶液共混法制備銀納米線和炭黑協(xié)同雜化聚酰亞胺（PI）基電磁屏蔽復(fù)合材料，銀納米線因具有較大長(zhǎng)徑比而使得復(fù)合材料逾滲閾值極低（體積分?jǐn)?shù)小于 0.01%），低頻下電磁屏蔽效能也隨銀納米線含量的增加而增大。
利用層壓方法將鋁箔和不銹鋼纖維引入聚苯硫醚（PPS）復(fù)合材料中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，由于強(qiáng)度更高的不銹鋼纖維可形成更加完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，在相同頻率下具備比鋁箔復(fù)合材料更高的電磁屏蔽性能。
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不銹鋼纖維
通過表面金屬化處理也可顯著提高填料的導(dǎo)電導(dǎo)磁性能。如在碳系填料表面鍍 Ni，再通過熔融共混法制備鍍鎳氧化石墨烯（Ni@GO）/PEEK、鍍鎳碳纖維（Ni@CF）/PEEK 復(fù)合材料。由于CF長(zhǎng)徑比大，在基體內(nèi)比GO更易形成完整導(dǎo)電回路， Ni@CF/PEEK 復(fù)合材料在 8- 18GHz 頻段內(nèi)的電磁屏蔽效能最高可達(dá) 30 dB。
2. 碳系電磁屏蔽材料
碳纖維（CF）、石墨烯具備高導(dǎo)電性，眾多研究人員將其作為導(dǎo)電填料用于制備電磁屏蔽復(fù)合材料。

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碳纖維電磁屏蔽箱 ?圖源：挪恩
PI/納米碳纖維（CNFs）
用原位聚合法制備了納米碳纖維（CNFs）/PI電磁屏蔽復(fù)合材料，當(dāng) CNFs 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5%時(shí)，僅70μm厚的復(fù)合薄膜在8.2~12.4 GHz 頻段內(nèi)電磁屏蔽效能達(dá)12dB，根據(jù)材料的電磁屏蔽性能與材料厚度成正比關(guān)系，適當(dāng)增加材料厚度便能獲得具有優(yōu)異屏蔽性能的電磁屏蔽薄膜。
其中，電導(dǎo)率和電磁屏蔽效能隨著CNFs含量的增加而增加。碳納米管(CNT)具有較大的比表面積和更好的三維結(jié)構(gòu)，在其長(zhǎng)度方向上具備優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，可以有效促進(jìn)導(dǎo)電通路的構(gòu)建。
? ? ? ??特種工程塑料如何實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽？導(dǎo)電填料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都很重要！碳納米管
對(duì)比以導(dǎo)電石墨（D-GO）和CNT作為填料制備PEEK基電磁屏蔽復(fù)合材料，以CNT為填料的電磁屏蔽特種工程塑料具備更寬的屏蔽帶寬、更高的屏蔽效能以及更低的逾滲閾值。CNT/PEEK復(fù)合材料8~30GHz 具備70 dB的屏蔽效能，基本達(dá)到航天級(jí)電磁屏蔽要求，在輕質(zhì)、寬頻和高效電磁屏蔽材料方面具備極大的應(yīng)用前景。
PPS/石墨烯納米片
石墨烯納米片（GNPs）因其優(yōu)異的導(dǎo)電性和高強(qiáng)度也廣受關(guān)注。通過高速混合的方法將 GNPs 包覆于PPS粒料表面，再利用熱壓成型制備GNPs/PPS復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，與隨機(jī)分散體系相比，將GNPs選擇性分布在PPS表面形成的隔離結(jié)構(gòu)有利于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，可極大地提升GNPs有效濃度進(jìn)而提升電磁屏蔽性能。隨著GNPs含量的增加，復(fù)合材料的電導(dǎo)率和電磁屏蔽效能也隨之提高，其中在X波段下最高電磁屏蔽效能可達(dá)41dB。
? ? ? ??特種工程塑料如何實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽？導(dǎo)電填料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都很重要！石墨烯
碳系填料團(tuán)聚問題一直是影響復(fù)合材料電磁屏蔽性能提升的關(guān)鍵問題。較好的熔體流動(dòng)性能有效促進(jìn)導(dǎo)電填料在基體內(nèi)部的分散，表面改性的也可改善填料在基體內(nèi)的分布。利用聚醚砜（PES）包覆多壁碳納米管（MWCNT）改善其分散性能，通過熱壓制得600μm厚的PES@MWCNT/PEEK復(fù)合材料。
? ? ? ??特種工程塑料如何實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽？導(dǎo)電填料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都很重要！多壁碳納米管
研究發(fā)現(xiàn)，隨著填料濃度的升高，材料電磁屏蔽性能也逐漸升高，最高屏蔽效能為 17.52 dB，比電磁屏蔽效能為 12.94 dB·cm3/g。
3. 多元體系電磁屏蔽材料
通過熔融共混法制得 MWCNT/Fe3O4/PEEK 三元復(fù)合體系，利用碳系填料和磁性氧化物填料協(xié)同作用提高材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率。三元復(fù)合材料的電磁屏蔽效能明顯高于二元復(fù)合材料，F(xiàn)e3O4 的添加促進(jìn)了體系的磁損耗，提升了體系的吸收屏蔽效能，在8-18GHz 頻段下，材料的電磁屏蔽效能為 27.2 dB。
? ? ? ??特種工程塑料如何實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽？導(dǎo)電填料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都很重要！四氧化三鐵Fe3O4
通過熱壓法制備石墨烯/鐵氧體/PI復(fù)合吸波材料表明，三元復(fù)合材料的電磁波吸收主要依靠電阻損耗、介電損耗和磁性損耗等機(jī)制的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)，材料的吸波性能隨著材料匹配厚度的提升逐漸提高，且具備較寬的有效吸波頻段。采用原位聚合法制備羥基鐵/MWCNT/PI多元復(fù)合電磁屏蔽材料表明，復(fù)合材料在X波段內(nèi)的電磁屏蔽效能為24dB，且以吸收損耗為主。
除碳系填料/金屬填料與磁性氧化物填料的組合添加外， 研究人員還選用雙碳系填料與聚合物基體構(gòu)建三元復(fù)合體系。如CF/CNT/PEEK三元體系復(fù)合材料性能研究表明，2種碳系填料（CF/CNT）形成的多維度結(jié)構(gòu)可促進(jìn)導(dǎo)電通路的構(gòu)建，從而提升復(fù)合體系的電磁屏蔽性能。
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石墨/碳纖維PEEK棒材
大量研究結(jié)果指出，多元體系通過發(fā)揮介電損耗填料和磁損耗填料的協(xié)同作用，可以有效地改善材料電磁屏蔽性能，對(duì)制備吸波材料有重要指導(dǎo)意義。
  • 多維結(jié)構(gòu)對(duì)電磁屏蔽特種工程塑料的性能影響
1. 多孔結(jié)構(gòu)電磁屏蔽特種工程塑料
目前，聚合物導(dǎo)電通路結(jié)構(gòu)主要分為多孔結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)和隔離結(jié)構(gòu)，其中多孔結(jié)構(gòu)可以兼顧多層結(jié)構(gòu)和隔離結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。泡孔的適度生長(zhǎng)可以促進(jìn)導(dǎo)電通路的構(gòu)建，增強(qiáng)電磁波在基體內(nèi)的反射、散射和吸收，提升材料吸收損耗和電磁屏蔽效能；同時(shí)，引入泡孔可以有效降低材料密度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，在制備高性能電磁屏蔽材料領(lǐng)域具有巨大前景。
? ? ? ??特種工程塑料如何實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽？導(dǎo)電填料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都很重要！泡孔生長(zhǎng)對(duì)導(dǎo)電填料分布的影響
運(yùn)用釜壓發(fā)泡制備PES@MWCNT/PEEK 復(fù)合發(fā)泡材料發(fā)現(xiàn)，高熔融指數(shù)更適合泡孔的生長(zhǎng)并促進(jìn)發(fā)泡倍率的提高。制備的復(fù)合材料在12~18 GHz 頻段下特定屏蔽效能達(dá)16.46 dB·cm3/g，比未發(fā)泡材料高7 dB·cm3/g，屏蔽機(jī)理以吸收損耗為主。在相同填料濃度和相同密度下，發(fā)泡材料泡孔密度越大、泡孔尺寸越小時(shí)，其電磁屏蔽效能越高。
填料不僅能構(gòu)建導(dǎo)電通路，同時(shí)還能發(fā)揮異相成核作用促進(jìn)泡孔數(shù)量的提高，提高復(fù)合體系泡孔密度，進(jìn)而促進(jìn)導(dǎo)電通路的形成。運(yùn)用化學(xué)發(fā)泡法制得CF/CNT/PEEK三元復(fù)合發(fā)泡材料表明，在8~12 GHz頻段下電磁屏蔽效能達(dá)54.68 dB，特定電磁屏蔽效能高達(dá)81.62 dB·cm3/g，且主要以吸收屏蔽為主，2種碳系填料CF/CNT有協(xié)同作用。
微孔結(jié)構(gòu)解決了金屬填料造成的材料密度增大等問題。金屬填料的自然沉降現(xiàn)象被用于制備的鎳粉梯度濃度Ni/PEI復(fù)合發(fā)泡體系，材料上下表面電導(dǎo)率存在巨大差異。在0.3~3 GHz 頻段內(nèi)，復(fù)合材料電磁屏蔽性能高達(dá)100 dB。填料梯度濃度結(jié)構(gòu)與泡孔結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用可以提升復(fù)合體系的電磁屏蔽性能。
由于材料電磁屏蔽性能與壓實(shí)厚度存在正相關(guān)， 因此在相同頻段下特種工程塑料基發(fā)泡復(fù)合材料的電磁屏蔽效能低于未發(fā)泡材料，但其比電磁屏蔽效能大于未發(fā)泡材料。泡孔結(jié)構(gòu)不僅促進(jìn)了導(dǎo)電填料的取向分布，同時(shí)對(duì)電磁波的內(nèi)部多次反射損耗有促進(jìn)作用， 提升了發(fā)泡材料吸收損耗在總電磁屏蔽作用中的貢獻(xiàn)，是研發(fā)輕量化吸波材料的重要思路。
2. 蜂窩結(jié)構(gòu)電磁屏蔽特種工程塑料
在宏觀結(jié)構(gòu)方面，蜂窩結(jié)構(gòu)材料能有效促進(jìn)電磁波的多次反射和吸收。蜂窩結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)材料的輕量化并構(gòu)建多反射界面，通過3D打印還可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電通路的高效可控搭建。美國(guó)赫氏集團(tuán)（Hex）采用3D打印工藝成型了蜂窩型 CF/PEKK復(fù)合材料，該材料具備優(yōu)異的耐高溫特性、耐化學(xué)特性、電磁屏蔽性能和輕量化結(jié)構(gòu)，已經(jīng)應(yīng)用于航天領(lǐng)域電磁屏蔽。
? ? ? ??特種工程塑料如何實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽？導(dǎo)電填料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都很重要！CF/PEKK電磁屏蔽復(fù)合材料??
此外，3D打印PEEK/Ni@CNT復(fù)合材料電磁屏蔽性能大于50 dB，具備一定的應(yīng)用前景。蜂窩結(jié)構(gòu)石墨烯復(fù)合材料電導(dǎo)率達(dá)13.2～40.2 S/m，電磁屏蔽效能為 20～38 dB。蜂窩形成的多界面結(jié)構(gòu)極大地改善了電磁波在材料內(nèi)部的反射和吸收，延長(zhǎng)電磁波在材料內(nèi)傳播路徑，從而提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性和電磁屏蔽性能。
綜上，面對(duì)電磁屏蔽材料高效能、吸波性和輕量化的應(yīng)用需求，研究人員制備了各類電磁屏蔽特種工程塑料。其中，金屬填料主要在低頻下發(fā)揮電磁屏蔽作用，碳系填料主要作用于高頻波段，多種填料的協(xié)同作用可以有效促進(jìn)材料導(dǎo)電通路的搭建和電磁屏蔽性能的提高。此外，蜂窩結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)用促進(jìn)了電磁屏蔽特種工程塑料的進(jìn)一步應(yīng)用，材料結(jié)構(gòu)的改變不僅促進(jìn)了導(dǎo)電通路的構(gòu)建，形成了材料內(nèi)的多反射界面，提升了材料的電磁屏蔽型，而且實(shí)現(xiàn)了材料的輕量化設(shè)計(jì)。
參考資料：電磁屏蔽特種工程塑料制備及應(yīng)用研究進(jìn)展，互聯(lián)網(wǎng)資料。

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作者 li, meiyong

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