一种具有宽带电磁屏蔽性能的导电硅橡胶的研究

摘要

导电橡胶作为复合导电高分子材料中的一种，是以橡胶弹性体为基体加上导电填料制成，既保留了基体橡胶的弹性，又具有导电填料的导电性。由于材料可以在很大范围内根据使用要求调节材料的电学和力学性能，质量轻、易加工成型、成本低、技术成熟等优点，因而近些年来得到了迅速的发展，已成为一种新型功能材料，广泛地用于航天、飞机制造和机械制造业、医学，电气及电子工业。近些年，随着电子工业的发展，导电橡胶又开始广泛应用于制作橡胶开关、接点橡胶、压力传感器、燃烧电线芯材和电磁波屏蔽密封材料等，成为支撑高科技产品基础的重要功能材料。 近些年来，随着电子工业的发展，电磁波屏蔽密封材料需求不断扩大。据美国橡胶密封件市场的调查统计，抗电磁干扰用屏蔽橡胶是密封件市场中发展最快的一部分，越来越多的被用于电子与通讯设备及装置上。从2003年开始，年增长率已达35.2％。在英国，现今从事电磁干扰屏蔽橡胶密封件生产的两个最大专业厂商是Dunlop精密橡胶公司和JamesWalker橡胶公司。近年来，这两家公司针对航空和国防军工部门等对电子仪器、通讯、电信设备性能的苛刻要求，开发出一系列新的高功能导电橡胶。而且，抗电磁干扰屏蔽导电橡胶也已应用于高度完整的商用电子，计算机、通讯、医疗设备。其中，电磁相容性EMC和EMI的电磁防护被认为是至关重要的两个因素，其典型的应用领域是通讯设备、微波无线电设备和计算机控制系统的电磁屏蔽。日本月星化成子公司——土屋橡胶公司也已将抗电磁干扰屏蔽橡胶实用化，并已在医疗电子设备上进行试验。 在我国，还没有相对成熟的屏蔽橡胶产品，主要还停留在抗静电材料领域。因此，拟通过本项目的研究，推动该领域材料在国内的技术进步。 本项目的研究主要分为以下几个方面： 首先是对基体橡胶的硫化体系进行研究。通过对不同牌号硫化剂在不同硫化温度下的硫化曲线测定，确定合理的硫化剂牌号及硫化工艺参数。结合力学性能（主要包括拉伸强度、断裂伸长率、硬度和压缩永久变形等）和热空气老化性能等的试验，研究不同的硫化体系及硫化工艺与材料性能的关系，在此基础上进行配方的筛选和优化。研究发现，三种牌号的双2，5硫化剂在相同硫化温度下表现出不同的硫化特性，以有机硅做载体的双2，5因有效成份含量的降低而活性相对缓和，为最佳的硫化剂。从温度的影响看，硫化温度越高，硫化剂的活性越大，结合力学性能参数，确定165℃为最佳的硫化温度。 第二，研究了不同导电填料在基体橡胶中的分布规律。利用微观分析方法——电镜来研究导电填料在基体橡胶中的分散，并对导电机理进行了探讨，发现金属填料在有机硅橡胶中的分布是随机的。通过材料配方设计，分别选择铁粉、镍粉和银粉等不同填料分别添加60％、70％和80％等添加量制备成硫化胶，结合力学性能、电性能等性能参数确定合适的导电填料。研究发现，不同的导电填料添加的导电橡胶电性能有很大差别，银粉添加的导电橡胶体积电阻率较低，其次是镍粉和铁粉。也就是说，填料的电导率越高，添加的导电橡胶电性能越好。 第三，提出了采用导电填料的复合体系，以满足电性能、力学性能以及电磁屏蔽性能的要求。从复合体系的扫描电镜照片看，添加的导电填料形状越不规则相互接触的几率越高，有利于导电网络的形成。通过对导电填料的表面处理前后硫化胶的电性能、力学性能以及耐环境性能（主要包括：高温贮存、低温贮存、湿热试验、盐雾试验和霉菌试验等）对比发现，表面处理前后材料的拉伸强度和断裂伸长率均相差不多，硬度有一定程度的增加，电性能更加稳定，耐环境性能提高。 最后，主要阐述了导电橡胶材料的应用。重点研究了导电密封条制品的研制情况。提出了采用普通橡胶和导电橡胶复合结构，解决了导电橡胶密封性差的问题，获得了兼具密封安全性和宽带电磁屏蔽性能的制品。通过导电密封条制品模具结构设计和成型工艺研究，使得利用简单生产设备制造复杂制品成为可能，并经过了多台套产品的生产验证。淋雨性能考核试验、浸水性能考核试验以及外壳防水性能试验等密封性能考核试验全面考核了导电密封条的密封安全性；电磁兼容性能考核试验结果证明了产品良好的电磁屏蔽性能。 本项目的研制从2003年开始立项，由国防科工委出资对导电橡胶进行研究。项目名称《特种导电密封材料的研制》，项目编号：MKPT-03-080。此后，又对该项目进行了深入研究。由上海市科委出资对形成的技术进行了再开发，项目名称《特种导电硅橡胶的研究》，项目编号：05zd52006。在项目研制过程中，应用于三个型号的武器系统中，具体参见附件三用户使用报告。另外，申请国内发明专利1项，专利名称《一种具有电磁屏蔽性能的导电硅橡胶及其制造方法》，专利公开号：CN101050307。另外，在项目研制过程中，还形成测试企业标准一项，企业标准名称：《非金属材料体积电阻率测试方法》，标准编号：Q/AKAD47-2006。 经过近五年的研究，形成的技术已基本成熟，但还需要做一些工作。比如如何通过改善工艺减少导电填料的添加量，从而降低成本，进而扩大到民用领域。