炭黑、聚苯胺及其填充材料的制备和电磁特性

摘要

针对炭黑填充连续聚合物基体吸波平板吸收频段窄、吸收性能差等缺点以及新型导电高分子填料的进一步开发需求，本论文利用“孤岛模型”理论并采用浇铸成型法制备出非连续导电介质平板吸波材料，在强磁场条件下用盐酸掺杂的方法制备了新型导电吸收剂聚苯胺粉末，提出“低反射层+高屏蔽层+低反射层”三层屏蔽结构，并借助TEM、SEM、XRD、TGA、FT-IR、同轴电磁参数测试法和电磁波反射损耗测试等现代材料检测技术对吸收剂和复合平板进行了深入分析。 结果表明N234炭黑有较高的介电常数实部和虚部，有利于电磁波的吸收。高温处理炭黑其导电性能和损耗角正切在高频段有所提高。纳米铁催化炭黑与原炭黑相比，导电性能明显提高，介电常数却有一定程度降低且损耗角正切随频率的增加而降低，这与未催化炭黑的正好相反。 聚苯胺具有很好的掺杂特性，通过化学氧化原位掺杂方法可以简单有效地制备出导电性能和电磁性能优良的掺杂态聚苯胺。通过与硅橡胶复合形成的复合材料具有优良的导电性能和屏蔽效能，当掺杂态聚苯胺在硅橡胶基体中的含量达到100质量份数时，体积电阻率达到9.070×100Ω·cm，电磁屏蔽效能在小于1.5GHz频段内达到-17～-19.3dB，可以作为性能优良的电子封装材料。除此之外，本文还首次在10T强磁场的作用下聚合掺杂导电聚苯胺。实验表明，在没有强磁场作用下掺杂聚苯胺颗粒呈现礁石状，而强磁场作用下的原位聚合聚苯胺颗粒呈现直径大约50nm的棒状，但其复合材料的电阻率与没有强磁场相比高出3个数量级；本征态聚苯胺在强磁场下再掺杂得到20～30nm的球状颗粒，其复合材料电阻率却降低1个数量级。分析认为这主要由于强磁场对聚苯胺晶粒的取向作用以及强磁场对聚合掺杂过程的影响所致。 CB/ABS热压连续导电介质的体电阻率随炭黑含量的增加而降低，在15-20wt﹪时出现渗滤现象，而当超过20wt﹪时导电性能增加较为缓慢，炭黑含量达到30wt﹪时，体积电阻率达到最低值，约为103Ω·cm；其屏蔽效能随炭黑含量的增加而增加，单层连续导电介质平板的有效吸收频段较窄，随炭黑含量的增加只是吸收峰值呈增加的趋势，当炭黑含量为20wt﹪，体电阻率约为105Ω·cm，复合平板的吸收峰值达到最佳，超过20wt﹪后吸收峰值有所降低。不同钛酸酯偶联剂含量改性炭黑填料对CB/ABS连续导电介质的电磁特性有着明显不同的影响。当炭黑填料被2wt﹪偶联剂改性后，其导电介质的导电性能和屏蔽效能明显提高，而10wt﹪偶联剂含量却降低了导电介质的导电性能和屏蔽效能。10wt﹪偶联剂含量使吸波效能在不同炭黑含量显示出不同的趋势：当炭黑含量较小(5﹪和10﹪)时，偶联剂加入降低了连续导电介质的吸收峰值；当炭黑含量较大(20﹪和30﹪)时，偶联剂却使得吸收衰减峰值有所改善，有效频段也相应有所拓宽。通过混合介质的有效介电常数和反射损耗公式计算得到的CB/ABS连续导电介质的吸波性能与实验测试值非常接近。说明混合介质的有效介电常数和反射损耗公式在计算连续导电介质的吸波性能时有很好的实用性。 通过“孤立”导电介质制备的非连续导电介质平板结构吸波材料与热压连续导电介质相比其反射损耗有较大提高。随着试样中“孤立”大颗粒炭黑含量以及试样厚度的增加，非连续导电介质对电磁波的反射损耗也增加。当炭黑含量达到30wt﹪时，试样的反射损耗在8.5～18GHz宽频范围内都超过-10dB，在15～18GHz均高于-15dB。当试样厚度达到20mm时，其反射损耗在8～18GHz频率范围内超过-15dB。“低反射层+高屏蔽层+低反射层”夹层屏蔽结构其屏蔽效能在130～1500MHz频率范围内达到-20～-40dB。

目录

文摘

英文文摘

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1绪论

1.1电磁辐射的危害及防护

1.2树脂基屏蔽和吸波材料的研究现状

1.3电磁波与导电介质相互作用原理

1.4本论文研究目的、内容及其研究方案

2炭黑、聚苯胺结构及电磁性能表征

3炭黑/ABS连续导电介质电磁特性研究

4聚苯胺/硅橡胶复合材料的电磁特性

5炭黑/ABS复合夹层结构屏蔽性能研究

6炭黑/ABS非连续导电介质吸波性能研究

结论

参考文献

附录A EFFECTIVE_PERMITTIVITY.M文件

附录B ABSORBING.M文件

附录C试验所用主要原材料

附录D试验所用主要设备

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢