碳纳米管-纤维素复合纸的研制及其电磁屏蔽性能研究

摘要

随着第三次工业革命飞速的席卷全球，自然科学得到全面进步，电子、电气技术不断突破。电子、电气设备在服务人类生活的时候，也产生着电磁干扰（EMI）。电磁能量对人体、电子设备都会产生不可估量的损害，所以对电磁波危害的防护迫在眉睫。碳纳米管(CNTs)具有优秀的力学和电磁学特性，独有的一维中空的管状结构使其有很大的长径比，作为吸波材料具有质量轻、电性能好、吸波频带广等优点。碳纳米管可以作为效果良好的吸波和电磁屏蔽材料，而碳纳米管的优秀机械性能使其成为良好的复合材料添加物。
　　本研究使用化学气相沉积法合成的晶须状的碳纳米管，将其与纸纤维复合后通过真空抽滤法制成一种复合纸。这种复合纸兼具柔性、导电性，并且形状、电阻可控，复合纸中纸纤维和碳纳米管能完美的结合成导电性良好的三维网络，具有良好的电磁屏蔽效能。本课题综合、全面的探索了碳纳米管复合纸的电磁屏蔽性能和屏蔽原理。同时，基于屏蔽原理的分析对碳纳米管复合纸进行了有针对性的改性研究，旨在提高碳纳米管复合纸的电磁屏蔽性能。采用电子显微镜、XRD、拉曼光谱、TGA对碳纳米管进行检测，结果显示晶须状碳纳米管管形呈直线，且管径均匀。石墨化后的碳纳米管较石墨化前纯度、结晶度均明显提高，对碳纳米管的介电常数和磁导率进行测试，结果显示碳纳米管的介电损耗角正切较高为0.28~0.44rad，磁导率和磁损耗角正切均较低，说明碳纳米管主要依靠电损耗对电磁波进行衰减。碳纳米管复合纸的电磁屏蔽方式主要是反射损耗和吸收损耗，两种损耗方式均与复合纸的导电性能成正相关关系。在175MHz~1500MHz频率范围内对复合纸的电磁屏蔽性能进行表征。研究结果显示，经石墨化处理后的碳纳米管作为复合纸导电剂时，其电磁屏蔽性能优于石墨化前的碳纳米管、炭黑、石墨、短切碳纤维等导电剂。当复合纸中碳纳米管含量从20wt％提高到71wt%时，复合纸的体积电阻率从5.41Ω·cm下降为到0.466Ω·cm，电磁屏蔽效能从17dB增加到44dB。碳纳米管含量为50wt%的复合纸从一层叠加到四层的过程中，屏蔽效能从32dB增加到48dB。通过掺杂磁性的CeO2改性碳纳米管复合纸的综合电磁屏蔽性能，随着CeO2掺杂量从0.1g增加0.5g，复合纸的导电性能持续下降，而屏蔽效能呈现先升高后下降的走势，在掺杂量为0.2g时复合纸的屏蔽效能的达到最大，较未掺杂时提高4dB。通过炭化改性复合纸，可提高纸纤维的导电性从而使复合纸的屏蔽效能提高约4dB。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 电磁波污染

1.3 电磁屏蔽

1.4 碳纳米管

1.5 碳纳米管-纤维素复合材料研究进展

1.6 课题研究目的和内容

第二章 实验设备和研究方法

2.1 实验材料与设备

2.2 测试方法

第三章 碳纳米管的检测表征

3.1 碳纳米管的微观结构表征

3.2 碳纳米管的XRD图谱

3.3 碳纳米管的拉曼图谱

3.4 碳纳米管的热重分析表征

3.5 碳纳米管的电磁性能表征

3.6 本章小结

第四章 碳纳米管-纤维素复合纸的制备与表征

4.1 引言

4.2 碳纳米管的分散

4.3 碳纳米管-纤维素复合纸的制备方法

4.4 碳纳米管-纤维素复合纸的表征

4.5 本章小结

第五章 碳纳米管-纤维素复合纸的电磁屏蔽性能研究

5.1 引言

5.2 不同导电剂复合纸的性能对比

5.3 碳纳米管含量对复合纸性能影响

5.4 总加载质量对碳纳米管复合纸性能的影响

5.5 多层碳纳米管复合纸叠加的性能研究

5.6 本章小结

第六章 碳纳米管-纤维素复合纸的改性研究

6.1 引言

6.2 稀土掺杂改性碳纳米管复合纸

6.3 炭化改性碳纳米管复合纸

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果