金属纤维填充聚合物复合材料的导电性能和电磁屏蔽性能

金属纤维填充聚合物复合材料的导电性能和电磁屏蔽性能
金属纤维填充聚合物复合材料的导电性能和电磁屏蔽性能*
谭松庭章明秋容敏智曾汉民
摘要：以不锈钢纤维作为填料，分别与ABS和PP两种聚合物复合制得了电磁屏蔽用导电性高分子复合材料。

通过研究复合材料导电性能和电磁屏蔽性能与纤维含量的关系，发现结晶性的PP基体比无定形ABS基体所需的纤维临界填充量低，同时SSF/PP的屏蔽效果高于SSF/ABS复合材料；此外，结果还表明这类复合材料对电磁波的屏蔽效果以吸收损耗为主，反射损耗量较小。

关键词：金属纤维；聚合物；复合材料；电磁屏蔽
中图分类号：O631 文献标识码：A 文章编号：1001-4381(1999)12-00-0 Electroconductivity and Electromagnetic Interference Shielding Effectiveness of Metal Fiber Filled Polymer Composites
TAN Song-ting,ZHANG Ming-qiu,RONG Min-zhi,ZENG Han-min (Laboratory of Polymer Composites and Functional Materials,The Ministry of Education of China,Zhongshan University,Guangzhou 510275,China)
TAN Song-ting
(School of Chemstry and Chemical Engneering,Xiangtan University,Xiangtan
411105,China)
ZHANG Ming-qiu,RONG Min-zhi,ZENG Han-min
(Material Science Institute,Zhongshan University,Guangzhou 510275,China) Abstract：Electrical conductive polymer composites consisting of acryloniotrile-butadiene-styrene copolymer (ABS), polypropylene (PP) and stainless steel fiber (SSF) were prepared, respectively. Based on an investigation of the electroconductive and electromagnetic interference shielding properties of the composites as a function of filler concentration, it is found that SSF/PP system exhibit lower percolation threshold and higher shielding effectiveness in comparison with SSF/ABS composite. Absorbing attenuation makes more contribution to the shielding effect of the composites than the loss due to reflection.
Key words：metal fiber;polymer;composite;electromagnetic interference shielding
金属纤维填充聚合物复合材料不但具有导电、导热等功能，并且作为电磁屏蔽材料和吸波材料具有广泛的应用前景［1，2］；而在电磁屏蔽研究领域，由于反射易造成系统内部干扰等不利影响，已由过去的高反射调整为高吸收低反射［3］，这与导电性高分子复合材料的电磁屏蔽特性相符，因此本工作利用拉拔技术生产的具有直径小、导电性好等特点不锈钢纤维(SSF)，将其与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)或聚丙烯(PP)基体复合，制得电磁屏蔽用高分子复合材料。

在此基础上研究了复合材料的导电性能和电磁屏蔽性能，并对相关的结构
与性能关系进行了探讨，同时揭示了常用的屏蔽效果估算方法与实际测量之间的差别。

1 实验方法
将直径为8μm的不锈钢长纤维束剪成长度为5～8mm的短纤维，按一定配比与ABS或PP树脂一起加入到XSS-300型转矩流变仪中，在200℃和32r/min 的螺杆转速下混炼10min后出料；将混合料破碎后放入模具内，于马弗炉内升到指定温度，在平扳硫化机上热压成型，待冷却至50℃退模，得到的试样片可用于导电性能和电磁屏蔽性能测量。

试样电阻率的测量：当试样电阻≥106Ω时，采用ZC-43型超高阻计测量；当试样电阻在102～106Ω之间时，采用DT-830型数字式万用表测量；当试样电阻＜102Ω时，采用四点法用SW-2型数字微欧计测量。

电磁屏蔽效果的测量采用同轴传输线装置测量。

2 结果与讨论
2.1 金属纤维填充聚合物复合材料的导电性能
图1是不锈钢纤维/聚合物复合材料中纤维含量与体积电阻率的关系。

从图上看，当金属纤维填充量较小时，金属纤维间由于不能形成导电网络，复合材料体积电阻率与基体的接近。

当金属纤维含量继续增加，导电网络一旦形成，复合材料体积电阻率突降十个数量级之多，出现与颗粒填料相同的渗滤现象［1］。

对于不锈钢纤维填充ABS体系，在纤维含量达到4vol%～5vol%时可以使材料的体积电阻率从1015Ωcm突降到104Ωcm以下，而用同种不锈钢纤维填充结晶性的PP基体时，出现上述电阻率转变所需的纤维临界填充量在1vol%左右。

造成这种差别主要有两方面的原因：一方面ABS比PP表面张力大，ABS与金属纤维有强的相互作用，包裹纤维更紧密，纤维间接触电阻较大，造成在相同纤维含量时SSF/ABS复合材料比SSF/PP复合材料的体积电阻率大；另一方面，PP是结晶性聚合物，受PP结晶的的影响，金属纤维在非晶区富集较多而容易形成导电网络。

所以，当不锈钢纤维填充量较低时，SSF/PP复合材料的体积电阻率率先产生突降。

当导电网络形成后，继续增加金属纤维的含量，体积电阻率的变化较为平缓。

图 1 复合材料体积电阻率与不锈钢纤维含量的关系
Fig.1 Composites volume resistivity as a
function of SSF content
2.2 金属纤维/聚合物复合材料的电磁屏蔽性能
图2是不同含量的不锈钢纤维填充PP或ABS所得的复合材料板(3mm厚)在不同频率下的实测屏蔽效果。

从图中可看出，对SSF/PP复合材料，当SSF含量为1vol%时，由于导电网络刚形成，材料的体积电阻率还较大(ρ>103Ωcm)，对电磁波的屏蔽能力很低(在0～10dB以内)；当SSF含量达到2vol%或3vol%时，导电网络已经形成，材料对电磁波有一定屏蔽能力，并且随频率升高而增加。

在1500MHz时分别达到25dB和32dB。

由于上一节所述的原因，在金属纤维含量相同的条件下，SSF/PP复合材料的导电性比SSF/ABS复合材料的导电性要好，屏蔽效果也更好。

从图上看，对于SSF/PP复合材料，当不锈钢纤维含量为3vol%时，在1400MHz可达到30dB的屏蔽效果；而对于SSF/ABS复合材料，当纤维含量达到7vol%时，屏蔽效果还不到30dB。

不过，若采用母料法复合工艺，可有效地改善纤维在基体中的分散，降低纤维的填充量，这部分内容将另文报导。

图 2 不同纤维含量时SSF/PP (a) 和SSF/ABS；(b) 复合材料的屏蔽效果Fig.2 Shielding effectiveness of (a) SSF/PP and (b) SSF/ABS composites
with different fiber fraction
根据电磁屏蔽的基本原理，要使材料具有屏蔽电磁波的能力，其中一个办法是必须使材料成为导电体。

这样当电磁波遇到这种材料时，就会产生反射、吸收和折射等作用，从而起消耗电磁波能量的作用，其屏蔽效果(SE)可用下式估算［4～5］：
SE＝R+A+B (1)
式中：R为电磁波能量的反射损耗，A为电磁波能量的吸收损耗，B为电磁波能量在屏蔽材料中的内部反射损耗。

在(1)式中，反射损耗分以下三种情况：对于低阻抗源(磁场源)：
R＝20lg{［1.173(μ
r /fσ
r
)1／2/D］＋0.0535D(fσ
r
/μ
r
)1／2＋0．354} (2)
对于高阻抗源(电场源)：
R=362-20lg［(μ
r f3／σ
r
)1／2D］(3)
对于平面波辐射源：
R=168-10lg(fμ
r /σ
r
) (4)
吸收损耗
(5)
内部反射
B=20lg［1－w－A／10（cos0.23A-jsin0.23A）］(6) 式(6)中：
(7)
m=0.3015D(fσ
r /μ
r
)1／2(8)
以上各个表达式是在辐射源为一“点源”的前提下推导出来的，式中D(cm)
为该“点源”与屏蔽体的距离。

μ
r 为磁导率，σ
r
为屏蔽材料对铜的相对电导率
(铜的电导率σ
c
=5.8×105/Ω.cm)，f为频率(Hz)，d为屏蔽材料的厚度(cm)。

式(7)中除低频低阻抗场外，一般情况下可取近似值w1，当A在10dB以上时，
B可以忽略不计。

对于以塑料为基体的复合材料，取μ
r
=1，并用电阻率ρ(Ω.cm)
来代替相对电导率σ
r
，频率单位用MHz；在平面波源条件下，则有：
(9)
据此，如果测得复合材料的电阻率，即可利用(9)式计算屏蔽材料在不同频率时的屏蔽效果。

为了验证这个结果，我们以SSF含量为5vol%的
SSF/PP(ρ=1.0.Ωcm)和SSF 含量为7vol%的SSF/ABS(ρ=2.61.Ωcm)复合材料为例，根据(4),(5)和(9)式分别计算出反射损耗和吸收损耗两项的屏蔽效果以及总的屏蔽效果对频率作图，从而得到三条理论估算曲线，并与实验曲线进行比较（如图3所示）。

从中可以看出，总的屏蔽效果实验曲线和估算曲线并不吻合，特别是在低频范围相差较大，说明金属纤维填充聚合物复合材料体系与Schelkunoff［4］提出的用类似传输线方法计算无限大平板对入射电磁波的屏蔽的模型存在偏差［7］，简单地根据材料的电阻率通过(9)式估算电磁屏蔽效果必须非常谨慎。

此外，由于图3表明本工作研究的不锈钢纤维SSF/ABS和SSF/PP复合材料对电磁波的屏蔽效果与频率的关系类似于吸收损耗的变化规律，均随频率
的升高而增加，因此可认为其屏蔽机制以吸收为主，反射占的比重较小。

不过这种高吸收低反射材料正是我们所希望的，因为它可以避免对本系统内部造成干扰。

图 3 SSF/PP(a)和SSF/ABS(b)复合材料的屏蔽效果
Fig.3 Shielding effectiveness of (a) SSF/PP and (b) SSF/ABS composites
3 结论
通过制备和表征不锈钢纤维填充两种热塑性高分子复合材料，发现材料的导电性能和电磁屏蔽性能与基体树脂的凝聚态结构密切相关，在相同的不锈钢纤维含量条件下，结晶性PP基复合材料的电导率和屏蔽效果均优于无定形ABS 基复合材料。

从电磁屏蔽机理来看，上述两种复合材料的电磁屏蔽效果主要来源于吸收损耗。

此外，由于边界条件等问题，利用常见的Shelkunoff公式估算导电复合材料的电磁屏蔽效果与实际测量结果相差甚远，应尽量慎重使用这种方法。

* 国家自然基科学基金项目(59725307)
作者简介：谭松庭(1961-)，男，博士，主要从事高分子及其复合材料的研究。

联系地址：湘潭大学化学与化工学院(邮编：411105)
作者单位：谭松庭，章明秋，容敏智，曾汉民（中山大学教育部聚合物复合材料及功能材料开放研究实验室，广州 510275）
谭松庭（湘潭大学化学与化工学院，湘潭 411105）
章明秋，容敏智，曾汉民（中山大学材料科学研究所，广州 510275）
参考文献：
［1］张雄伟，黄锐. 功能材料, 1994, 25(6): 492.
［2］谭松庭，章明秋，容敏智，曾汉民，黎宝恩. 材料工程, 1998, (12): 15. ［3］陈家钊，黄婉霞，涂铭旌. 复合材料学报, 1997, 11(3): 11.
［4］Shelkunoff S A. Electromagntic Wave. Prinston ND: Nosorand Van, 1943. ［5］肖华庭，诸昌清，雷有华. 电磁兼容原理. 北京: 电子工业出版社，1985.
［6］Kortschot M T, Woodhams R T. Polym Compos, 1985, 6(4): 296. ［7］吴世伟，姜恩永，孙多春. 功能材料, 1995, 26(6): 541.。