碳纤维复合材料对电磁干扰的屏蔽作用

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1992.03.028 北京科技大学学报 第14卷第3期 Vol14 No.3 1992年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 1992 碳纤维复合材料对电磁干扰的屏蔽作用 李华瑞·范晓波·姜荣跃·余宗森· 摘要：测定了暖纤雏/清漆混合涂料及碳纤维预浸带对电磁辐射干扰的屏数效卓。实 验结果表明：()碳纤维在涂层中分布的致密程度对屏蔽效应有重要影响。(2)碳纤维衡 浸带具有良好的屏蔽性能。(3)表面反射是碳纤维屏蔽电磁辐射的主要机制。 关键词：沥者基碳纤维，碳纤维预浸带，电磁干扰屏盛，涂县 Electromagnetic Interference Shielding by Carbon Fibre Composite Li Huarui Fan Xiaobo'Jiang Rongyao'Yu Zongsen' ABSTRACT:The electromagnetic interference shielding effectiveness of CF/ varnish and CF/epoxy prepreg are determinated.The experimental results show:(1)The compactness of CF in the coating has an important influence on shielding effectiveness,(2)The CF/epoxy prepreg is a prospective shielding material,(3)The surface reflection is main mechanism of electromgnetic shi- elding by CF. KEY WORDS:pitch-base carbon fibre,CF/epoxy prepreg,electromagnetic interference shielding,coating 随着微电子技术的发展，环境的电磁污染日益增加，对许多工作场所抗电磁辐射能力提 出了一定的要求1)。通常的建筑材料，例如水泥，对电磁辐射的屏蔽作用很小2)。为了提 高工作场所的抗电磁干扰能力，可采用3种可能的方法：(1)将工作场所围上抗电磁干扰的 材料，例如用金属网；(2)将抗电磁干扰的材料混入建筑材料中去，例如在水泥中混入钢丝 1992-03-21收稿 ·材料物理系(Department of Materials physics) 355

第1 4 卷第 3 期 1 9 9 2 年 5 月 北 京 科 技 大 学 学 报 v ol .1 4 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e i j i n g M : y N o 。 3 1 9 9 2 碳纤维复合材料对 电磁干扰的屏蔽作用 李 华瑞 . 范晓波 ’ 姜 荣跃 ’ 余宗森 ’ 摘 要 : 测定了碳 纤维/ 清漆混 合涂料及碳纤维预浸 带对电磁辐射 干扰的 屏 蔽效率 。 实 验 结果表 明 : ( 1) 碳纤 维在涂层 中分 布的致密程 度对屏蔽效应有重 要影响 。 ( 2) 碳纤 维预 浸带具有 良好的屏蔽性能 。 ( 3) 表面 反射 是碳纤维 屏蔽 电磁辐射的主要机 制 。 关 键词 : 沥青基碳纤 维 , 碳纤维预浸带 , 电 磁干扰 屏 蔽 , 涂层 E l e c t r o m a g n e t i e I n t e r f e r e n c e S h i e l d i n g b y C a r b o n F i b r e C o m P o s i t e L i H “ a r u i ` F a n X i a o b o 奋 J i a n g 刀 o n g y a o 任 Y u 2 0 儿 g s e n . AB S T RA C T : T h e e l e e t r o m a g n e t i e i n t e r f e r e n e e s h i e l d i n g e f f e e t i v e n e s s o f C F / v a r n i s h a n d C F / e p o x y p r e p r e g a r e d e t e r m i n a t e d 。 T h o e x p e r i m e o t a l r e s u l t s s h o w : ( 1) T h e e o m p a e t n e s s o f C F i n t h e e o a t i n g h a s a n i m p o r t a n t i n f l u e n e e o n s h i e l d i n g e f f e e t i v e n e s s , ( 2 ) T h e C F / e p o x y p r e p r e g 1 5 a p r o s p o e t 元v e s h i e l d i n g m a t e r i a l , ( 3 ) T h e s t r f a e e r e f l e e t i o n 1 5 m a i n m e e h a 红i s m o f e l e e t r o m g n e t i e s h i - e l d i n g b y C F 。 K E Y W O R D S : p i t e h 一 b a s e e a r b o n f i b r e , C F / e p o x y p r e p r e g , e l e e t r o m a g n e t i e i n t e r f e r e n e e s h i e l d i n g , e o a t i n g 随着微电子技术的发 展 , 环 境的 电磁 污染 日益增加 , 对 许多工作场所抗电磁 辐 射能力提 出了一定的要 求 〔 ` ’ 。 通常的建筑材料 , 例如水泥 , 对电磁辐 射的屏 蔽作用 很小 ` “ ’ 。 为 了提 高工 作场 所 的抗电磁 干扰能 力 , 可采用 3 种可能 的方法 : ( 1) 将工 作场所 围上 抗电磁干扰的 材料 , 例 如用 金属 网 ; ( 2 ) 将 抗电磁干扰的 材料混人建筑材料 中去 , 例如在水泥中混入钢丝 1 9 9 2 一 0 3 一 2 1 收稿 · 材料物理系 ( n e P a r t m e n t o f M a t e r i a l s P h y s i e s z 3 5 5 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1992. 03. 028

或碳纤维影（8)使用抗电磁干扰的涂料。 考虑到碳纤维的高度化学稳定性以及使用涂料来完成工作场所电磁屏蔽方便易行，本文 研究了将碳纤维短丝与涂料相混合制成抗电磁辐射干扰涂料的可能性。另外碳纤维预浸带做 为一种半成品材料，也是一种可能使用的碳纤维/树脂复合材料，对它的电磁屏蔽性能也进 行了研究。 1实验方法和材料 1.1原料 (1）碳纤维(CF)。本实验采用沥青基碳纤维，用精制煤沥青为原料，经离心纺丝及 1100℃高温碳化而成，直径为13~15μm,电阻率为10-1~10~82cm。 (2)表面镀铜碳纤维(CuCF)。对上述沥青基碳纤维用电镀方法镀铜，镀铜层的厚度 为3~5μm。 （3)碳纤维预浸带(P),也叫碳纤维/环氧预浸料或单向无纬布，其树脂含量为(3？~42) %,单层厚度为0.10~0.20mm。于-18℃保存，其固化温度为121℃，长期置于室内也可固化。 (4)涂料，醇酸清漆 1.2样品制备 将CF及CuCF两种纤维割成长度为0.2~1.0mm的短丝。使纤维短丝与清漆混合制成不 同比例的涂料，分别均匀地涂布在12.0cm×12.5cm的有机玻璃板上。在制备多层涂层样品 时，待所涂布的涂料千燥以后，再用同样配比的涂料涂布新的一层。 制备碳纤维预浸带样品时，将预浸带粘贴在有机玻璃板上。在粘贴多层预浸带样品时， 相邻两层预浸带之间的纤维按正交方式排列。所制备样品的说明见表1。 表1试验用样品 Table 1 Specimens of experiments 每层涂料中纤维 每层涂料中纤维 样品名称 涂层数 样品名称 短丝的量，% 短丝的量，% 涂层数 CF1 5.9 1 CF3A 1,5 1 CF2 5.9 CF3B 3.0 CF3C 5.9 3 CF3D 8,8 CF4 5.9 4 CF3E 11.8 1 CF5 5,9 5 pi 顶浸带 CuCF1 11.8 1 p2 预浸带 CuCF3 11.8 3 P3 预浸带 3 CuCF4 11.8 4 清漆板 0 1 ·计算时考虑到了请漆干燥后失重15% 1.3屏蔽效率的测试 (1)屏蔽效率及其计量单位屏蔽效率是指在一个有电磁场强度的处所，以屏蔽材料 356

或碳纤维 , ( 3 ) 使用 抗电磁干 扰的涂料 。 考虑到碳纤维的高度化学稳 定性以 及使用 涂料来 完成工作场所电磁 屏 蔽方 便易 行 , 本文 研究 了将碳纤维短丝与 涂料相 混合 制成 抗电磁辐射千扰涂料的 可能性 。 另外碳纤维预浸带做 为一种半成品材料 , 也是一种可能 使用 的 碳纤维 /树脂 复合 材料 , 对 它的 电磁 屏蔽性能也进 行了研究 。 1 实验方法和材料 1 。 1 原料 ( 1 ) 碳 纤维 ( C F ) 。 本实验采用 沥 青基碳纤维 , 用 精制煤沥 青为原料 , 经离心纺丝及 1 1 0 0 ℃ 高温碳 化而 成 , 直径为 1 3 ~ 1 5 卜m , 电阻 率为 10 一 ` ~ 1 0 一 “ Q · e m 。 ( 2 ) 表面 镀铜碳纤维 ( C o C F ) 。 对上述沥青墓 碳纤维用电镀方 法镀铜 , 镀铜层的 厚度 为 3 ~ 压卜tn 。 ( 3 ) 碳纤维预 浸带 ( P ) , 也叫碳 纤维 /环氧预浸料或单 向无纬布 , 其树脂含量为 ( 37 ~ 4 2) % ,单层厚度为。 , 10 一 0 . 20 m m 。 于 一 18 ℃保存 , 其固化温度为 1 21 ℃ , 长期 置于室 内也可 固化 。 ( 4 ) 涂料 , 醇酸清 漆 1 . 2 样品制备 将 C F 及 C o C F 两种 纤 维割成长度为 。 。 2 一 1 . o m m 的 短丝 。 使纤 维短丝与 清漆混合制 成不 同比 例的涂 料 , 分别 均匀地涂布 在 1 2 。 oc m x 1 2 . c5 m 的有 机玻 璃板 上 。 在制备多层涂层样品 时 , 待所涂布的涂料干燥以后 , 再用 同样配 比的涂料涂布新的 一层 。 制备碳纤维预浸带样品时 , 将 预浸 带粘贴在有机玻璃 板上 。 在粘贴 多层预浸 带 样品时 , 相 邻两层 预浸带之 间的 纤维按正交方式排列 。 所制备样品 的说 明见 表 1 。 表 1 试 验 用 样 品 T a b l e 1 S P e e i m e n s o f e x p e r i m e n t s 样 品名称 每层涂料中纤维 短 丝的量 , % 徐 层 数 样品 名称 每层 涂 料中纤维 短丝的量 , % 涂 层 数 C F I C F Z C F 3 C C F 4 C F S C u C F I C u C F 3 C u C F 4 5 . 5 . 5 。 5 . 5 。 1 1 . 1 1 。 11 - C F 3 A C F 3 B C F 3 D C F 3 E P 1 P 2 P 3 衰青漆 板 1 1 。 8 预浸 带 预浸带 预浸带 计算时 考虑到了 清漆干燥 后失重 15 % 1 。 3 屏蔽 效率的 洲试 ( l ) 屏蔽效 率及其计 量单位 屏蔽效 率是指在一个有 电磁 场强度的 处所 , 以屏 蔽材料 3 5 6

来降低该处电磁场强度的结果，以分贝(B)为其计量单位。屏蔽效率与屏蔽物体所使用材料 的性质、厚度、形状及电磁波的频率有关。还与电磁干扰源与屏蔽物体的距离以及屏蔽物体 与场强测定装置的距离也有关。因此，做为材 料特性的屏蔽效率的数值，在具体实验条件下， 只有相对的意义。 (2)实验装置如图1所示。 图1中的铜网屏蔽室由双层铜网构成，用 包上铜片的木框架支撑。其体积为：2.5m× 图1电磁干扰屏藏效应的测量装 1一电碰波信号发生器 3.0m×4.0m,铜网上装一铜板（也以木框架支 2一泡磁波场强干扰测量仪 撑，其上开一窗口，窗口尺寸为9cm×11cm。 3一铜网屏蔽室 窗口边上有夹具，平板样品即夹放于此处，将 1一窗口 窗口封严。空窗口及有样品时所测得的场强差 Fig.1 Set-up for mcasuring cleccromagnctic 值即为屏蔽效率。 interference shiclding effectiveness 2实验结果 实测的屏蔽效率数值列于表2。 预浸带贴板及3mm厚铜板的屏蔽效率随电磁被频草的变化如图2所。 表2碳纤维复合材料的屏蔽效率 Table 2 Shielding effectiveness of CF composite materials 效 dB 样品名称 屏 酸 1MHz 10MHz 25MHz 100MHz 300MHz 600MHz 1GHz 1.5GHz CuCF1 0 0 CuCF3 0 0 CuCF4 0 0 0 6 CF1 0 0 0 0 CF2 0 0 0 0 0 CF3C 0 0 0 0 0 0 CF4 0 0 0 0 10 CF5 0 0 0 0 0 12 CF3A 0 0 0 0 0 0 0 2 CF3B 0 .0 0 0 0 2 CF3D 0 0 0 0 0 0 5 CF3E 0 0 0 0 5 P1 16 22 35 P2 13 18 27 必 P3 14 25 27 的 45 清漆板 0 0 0 3mm铜板 20 20 30 28 29 33 357

来降低 该处电磁场 强度的 结果 , 以分贝 ( d B ) 为其计 量单位 。 屏蔽效率 与屏蔽物体所使 用材料 的性 质 、 厚度 、 形 状及 电磁波 的频 率有 关 。 还与 电磁 干扰 源 与 屏蔽物 体 的距离 以 及 屏 蔽物 体 与 场强 测 定装 置的 距离 也有 关 。 因此 , 做 为材 料特性的 屏 蔽效率的数值 , 在具体 实验 条 件下 , 只 有相 对的意 义 。 ( 2 ) 实验装 置如 图 1 所 示 。 图 1 中的铜网 屏蔽室 由双 层 铜 网构 成 , 用 包 上铜 片的 木 框架 支撑 。 其体 积 为 : 2 . 5 m 又 3 . 0 m X 4 。 o m , 铜网 上装一铜板 ( 也 以木框架 支 撑 , 其上 开一窗口 , 窗 口尺 寸为 gc m x 1 1c m 。 窗 口边上 有夹具 , 平板样品 即夹放于 此处 , 将 窗 口封严 。 空 窗 口及有样品时 所测得 的场 强差 F i .g 值即为屏 蔽效 率 。 口 4 图 l 电 磁干 扰圆屏 蔽效应 的测量装 迁 1一电 磁波 信号发 生器 : 一电磁波 场强干 扰测量仪 3 一 铜 网屏 蔽室 4 一窗口 s e t 一 u P f o r m e a s u r i n g e l e e 〔 r o m a g n e t i e 1 n t e r f e r e n e e s h i e l d i n g e f f e e t i v e n e s s 2 实验结果 实测的 屏 蔽效 率数值列于 表 2 。 预浸 带贴 板 及3 m m 厚铜板的 屏蔽效 率 随 电磁波 频 率的变化 如 图 2 所示 。 表 2 碳纤 维复 合材 料 的 屏蔽 效 率 T a b l e 2 S h i e ld i n g e f f e e ri v e n e s s o f C F e o m p o s i t e m a t e r i a l s . . . . , 口. . 州. . . . 口. . 、 _ , 屏 蔽 效 率 , d B 俘 八众 石 称 I M H z 1 0 M H z 2 5M H 名 1 0 0 M H 么 3 0 0 M H z 6 0 0 M H z I G H z l 。 S G H z C u C F I 0 0 0 0 0 0 0 3 C u C F 3 0 0 0 0 0 1 一 4 C u C F 4 0 0 0 0 0 3 一 6 C F I 0 0 0 0 0 0 0 4 C F Z 0 0 0 0 0 0 0 6 C F 3 C 0 0 0 0 0 0 0 8 C F 4 0 0 0 0 0 2 一 1 0 C F S 0 0 0 0 0 2 一 1 2 C F 3 A 0 0 0 0 0 0 0 2 C F 3 B O _ 0 0 0 0 0 0 名 C F 3 D 0 0 0 0 0 0 0 5 C F 3 E 0 0 0 · 0 0 0 0 5 P l 一 一 一 一 1 6 2 2 3 5 一 P Z 一 一 一 1 3 1 8 2 7 3 5 38 P 3 一 一 一 1 4 2 5 2 7 3 5 4 5 清 漆 板 0 0 0 0 0 0 0 0 , - 一一 一 - - - - - - - - - - - 一 - . -一 一 一一 _ _ _ _ _ 一 3m m 铜 板 2 0 一 2 9 3 0 一 2 8 2 9 3 3 一 一 一一 , . ~ ~ ` , 州, ~ . 目店脚 一 3 5 7

50 40 3mmn Cu 20 OP2. Cu 10 0P1 ●P3 100300 600 1000 1500 Frequency/MHz 图2屏蔽效率与频率的关系 Fig.2 Relationship of shielding effectiveness with frequency 3实验结果和分析讨论 (1)屏蔽效率，即电磁波场强的相对衰减主要由两个部分组成：即电磁波能量通过屏 蔽物体时的衰减和屏蔽物体表面对电磁波能量的反射。对于碳纤维材料来说，其直径仅为10 μm左右，因而其表面积与体积的比值，比许多其他屏蔽材料（例如比3mm铜板)要大得多。 实验结果表明，当频率大于1GHz时，厚度仅为0.2mm的预浸带，其屏蔽效率超过了3mm厚 的铜板，这说明，对于碳纤维材料，其表面对电磁辐射的反射在屏蔽效应中起主要作用。 (2)碳纤维/清漆混合涂料的抗电磁辐射屏蔽效率很小，其原因在于混合涂料的涂层中 有大量的空隙可以曳漏电磁辐射的能量，多层涂层可以减少涂层中碳纤维的空隙，对提高屏 蔽效率是有利的。相比之下，排列致密的预浸带给出了相当好的屏蔽效率。 (8)增加碳纤维/清漆混合涂料中碳纤维的含量，对增加屏蔽效应的作用不大，原因在 于在有机玻璃板上（或其它载体上）涂布混合涂料的困难：既难以大幅度的增加混合涂料中 碳纤维的含量（碳纤维含量过多时，在涂层板上形成碳纤维的不均匀堆积），也难以在整个涂 层中碳纤维的分布十分均匀。因此，若碳纤维在样品中总的含量相同时，则多层涂布的效果 比单层涂布要好。 （4)镀铜碳纤维未能给出较好的抗电磁辐射屏蔽效应，有可能是在混合涂层中纤维的 含量过低所致。因为镀铜碳纤维的比重比碳纤维增加了约8倍（按碳纤维直径12μm,镀钥层 厚度4μm计算)，而在混合涂料中加人的质量百分含量仅比碳纤维增加1倍，因而对镀铜碳 纤维的屏蔽效率应做进一步的研究。 4结论 (1)当电磁辐射的频率大于1GHz时，碳纤维预浸带的屏蔽效率优于铜板。 (2)碳纤维是一种有应用前景的电磁辐射屏蔽材料，关键问题是增加碳纤维覆盖表面 的致密程度。 参考文献 1叶中雄等。电磁干扰与防护，世界图书出版社，北京：1989年 2 Jeng Mawchiou,et al,Composites,1989,20(4):379 358

仁、 刃 口 \ 、 ) 〔少 C _ 、 力 { l l I O P Z . CU / ~ 0 P l` ew - ~一甲 - . 尸二 一 r 一叫口a二击。PT 「 r e q : :e r l口 y / M卜j z 图 2 屏蔽效率与频率 的关 系 F 1 9 . 2 R e ] a r i o n s h i P o f s h i e l di n g e f f e e t i v e n e s s w i t h f r e , u e n e y 3 实验结果和分析讨论 ( l ) 屏 蔽效率 , 即 电磁波场 强的相对衰减主要由两 个部分组 成 : 即 电磁波能量通过 屏 蔽物体 时的 衰减和 屏蔽物 体表面对 电磁波能量的 反射 。 对于碳纤维材料来说 , 其直 径仅为 10 “ m 左 右 , 因而其表面积与体积的 比值 , 比许多其他屏蔽材料 (例如 比 3 m m 铜板 ) 要大得多 。 实验 结果 表 明 , 当频率大于 I G H : 时 , 厚度仅为 0 . Zm m 的预浸带 , 其屏蔽 效率 超过 了 3 m m 厚 的铜 板 , 这说 明 , 对于碳 纤维材料 , 其表面对 电磁辐 射的反射在屏 蔽效 应中起主要作 用 。 ( 2 ) 碳纤维 /清漆 混 合涂 料的 抗电磁辐 射屏 蔽效 率很小 , 其原 因在于混合 涂料 的涂 层中 有大量的空隙可以 i曳漏 电磁辐射的能 量 , 多层涂 层可 以减少涂 层中碳 纤 维的空隙 , 对提高 屏 蔽效率是 有利 的 。 相 比之 下 , 排列致密的 预浸带给出 了相当好的屏蔽效率 。 ( 3 ) 增加碳 纤维 /清漆混合涂料中碳 纤维的 含量 , 对增加屏蔽效应的 作用不大 , 原 因在 于在有机玻 璃板上 ( 或其它载体上 ) 涂布混 合涂料的 困难 : 既难以大幅 度的增加混 合涂 料 中 碳纤维 的 含量 ( 碳纤 维含量过多时 , 在涂层板 上形 成碳 纤维的不均 匀堆积 ) , 也 难以在整个涂 层 中碳 纤维的 分布十分均匀 。 因此 , 若碳纤维在样品 中总的 含量相 同时 , 则多层涂布 的效果 比单层涂 布要好 。 ( 4 ) 镀铜碳 纤维 未能 给出较 好的抗电磁 辐射屏 蔽效应 , 有可能是 在混 合涂 层中纤维的 含量过低所致 。 因为镀铜碳纤维的比重 比碳纤维增加 了约 8 倍 ( 按碳纤维直径 1 2 ; m , 镀铜层 厚度 4 o m 计算 ) , 而在混合涂 料中加 人的质量百分 含量仅 比碳 纤维增加 1 倍 , 因而对镀铜碳 纤维的 屏蔽 效率应做 进一步 的研究 。 4 结 论 ( 1 ) 当 电磁辐 射的频率大于 I G H z 时 , 碳 纤维预浸带的 屏蔽效 率优于铜板 。 ( 2 ) 碳纤 维是一种有 应用前景的 电磁辐 射屏蔽材料 , 关键问题是增加 碳纤维覆盖表面 的致密程度 。 参 考 文 献 1 叶中雄等 . 电磁干扰与 防护 , 世 界图书 出版社 , 北京 : 1 9 8 9年 2 J e n g M a w e h i o u , e t a l 。 C o m p o s i t e s , 1 9 8 9 , 2 0 ( 4 ) : 37 9 3 5 8