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添加玻璃纤维/环氧复合材料的多壁碳纳米管（MWNT)对电磁屏蔽室的应用

摘要：

随着高性能的电子设备和仪器的结构变得越来越复杂，出于商业和军事目的而出现的电磁干扰（EMI)和电磁兼容性(EMC)已成为重要问题。因此，需要用电磁波对灵敏的电子设备和汽车、飞机、展示领域等的1000兆赫。通过使用一种CST微波工作室中的电磁波三维仿真工具来测试复合材料和复合屏蔽室的屏蔽性。复合屏蔽室的多次模拟结果显示出超过90%频率范围的屏蔽性。

1.介绍

由于集成的高灵敏设备的广泛使用，电子学和通信业也越来越重视电磁干扰屏蔽的重要性。因此，近年来，EMI屏蔽性已成为许多研究中的重点。最近对更快、更轻巧，更经济高效的空中的交通工具（飞机、宇宙飞船等）需求的增加，迫使设计师把各个航空电子系统整合成一个集合型的电子系统。这些电子系统的辐射电磁干扰可能会影响其它的灵敏的航空设备。在许多工业领域中的集成系统也需要电磁波对其加以保护。因此，研究屏蔽室对易受EMI现象的电子设备的保护是非常重要的。

一般认为，在过去，电子屏蔽室都是用金属制作的。然而，近年来，添加了导电填充材料如碳颗粒的复合、炭纤维、绝缘体获磁损耗材料等的聚合物复合材料和碳纤维增强复合材料也已经广泛用于EMI 屏蔽性。尽管这些复合材料比铁的导电性性弱，但是复合材料由于轻

盈、高比刚度和高强度等优点使它们更适合做结构元素。

许多研究人员已经研究了添加导电填充物的EMI屏蔽材料的复合材料。Dasetal 估测了填充天然橡胶基复合材料的炭黑和碳纤维的EMI屏蔽效果。Annadurai etal研究了填充橡胶复合材料的基于铁素体和炭黑的微波屏蔽材料。Leertal分析了填充玻璃纤维/环氧复合材料MWNT复合材料的电磁性能。

现在要解决的是复合材料对电磁波屏蔽室的应用。材料的屏蔽性都是基于反射和吸收性能的。对于用于此项研究中的材料来说，其反射性能比吸收性能更大。具有高比刚度和高强度的玻璃纤维/环氧复合材料用来做结构材料。MWNT由于高的长径比且具有优良的EMI屏蔽性，因此用作导电填充物。然后复合成添加玻璃纤维/环氧复合材料的MWNT.合成的复合屏蔽材料的介电常数用从300兆赫到1000兆赫的微波频段的电阻分析仪来测量。通过使用一种CST微波工作室中的电磁波三维仿真工具来测试复合材料和复合屏蔽室的屏蔽性。

2.屏蔽室和屏蔽效能

2.1屏蔽室

从机械和电子的角度来说，电磁波屏蔽室是用来保护和屏蔽内部的电子设备和系统的结构装置。它主要是用金属材料做成的，其形状类似于长方体且含有许多孔和插槽。设置孔和插槽对电缆的通道、通风口的散热以及其它影响因素都是必要的。下图1是一个典型的屏蔽室。有许多参数是与屏蔽室的设计有关的，例如材料的性能，其几何尺寸、厚度，孔的位置和数量和内在装置的电磁性等。然而，为了

研究复合材料对屏蔽室的应用，当今的研究重点把材料性能作为主要的设计参数影响因素。

2.2屏蔽效能（SE)

电磁干扰(EMI)是指外界的环境使其产生辐射或导电而释放出有害的电磁波。SE是指对某一特定材料的典型衰减进行量化而得到的标准量。同样，屏蔽室的SE是在一定体积条件下，所受辐射的电磁能的压缩量。

当一束电磁波照射到某种屏蔽材料时，把入射波的总功率分成三部分：反射功率，吸收功率和转化功率。它们之间的关系可以用下面这个等式表示出:(以后写等式）

P(inc）———入射波的功率

P(ref) ———入射波的反射功率

P(abs) ——-—入射波的吸收功率

P(trans)————入射波的转化功率

SE在等式2中给出（粘贴等式）

3.添加玻璃纤维/环氧复合材料的MWNT

3.1.合成

这项研究中所用的是由ILJIN纳米科技股份有限公司提供的MWNTs,CVD MWNT95。它们的直径在10～15纳米，其特定的表面面积为200㎡/g。MWNTs由于其几何性具体说就是有高的长径比和小的直径使其具有优良的导电性。

本次研究中所用的玻璃纤维/环氧化合物是由Hankuk纤维有限

公司所提供的K618。环氧树脂基体和MWNTs的预聚物要均匀地涂覆在玻璃纤维上。然后添加纤维复合材料的MWNT要在100°C条件下晾干5～7分钟。合成某种复合材料要依据MWNT的重量百分数/总的重量（环氧树脂，稀释剂，MWNTs和纤维预制物）。然后制作0.0wt%到5.0wt%的八种样本。这些样本通过80°C条件下的高压装置内处理30分钟和在130°C条件下处理90分钟而进行分层固化，并把大气压稳定在3个大气压左右。图2显示的是由电子扫描显微镜所捕捉到的MWNT3.0样本。尽管孔的体积分数相对有些低，但是添加复合材料的MWNT所要测的介电常数要依据其组成材料，纤维，基体，和孔的介电常数。

3.2介电常数的测量

我们是利用平行板技术来测量电容(C)和耗散(D）的。我们利用安捷伦E4991A的阻抗分析仪来进行测量。它的频率段是300兆赫到1000兆赫的微波频率段。样品的尺寸和厚度相对来说是25.0mm×25.0mm,0.85～0.9mm.复合材料样本的介电常数要以C和D 来计算。图3和图4显示的是真实的和想象的介电常数的结果。随着复合材料中MWNT的重量百分数的增加，介电常数中的真实和想象部分都也随之增加。MWNT3.0和MWNT5.0呈现出比其它的样本都高的真实的和想象的介电常数。这些结果是由于MWNT中填充物的增加而造成其导电网络的忽然累加。添加了复合材料的MWNT的所得到的介电常数数据用来研究复合材料和复合材料屏蔽室的SE。4.模拟复合材料板和复合屏蔽室的SE

4.1研究复合材料板的SE

在这项研究中，将阐述单层复合材料板的屏蔽性能。由于MWNT3.0和MWNT5.0样本具有较高的导电性，因此它们可以作为复合材料板进以分析。分析过程如下：首先，把复合板放置在一个矩形波导的中央，输入端口和输出端口都要平行于复合板。其次，在板材的另一边界假设E=0,H=0的条件在波导中来传送板材波。最后，在输入端口的复合板的正常电磁波是容易出现的，通过测量输出端口的转化能来测量其SE。所采用的板材厚度如下：2.0,4.0,6.0,8.0和10.0mm。

图5和图6显示出MWNT3.0和MWNT5.0样本的SE结果。随着MWNT含量和板材厚度的增加，复合材料板呈现出更好的SE。所有的情况都表明屏蔽性高于整段频率范围的70%。在MWNT3.0和MWNT5.0的情况下，SE表现出整段频率内的电磁能屏蔽性高于90%的优良的结果。10分贝（或20分贝）的屏蔽性代表电磁能的90%屏蔽性。

4.2评价复合屏蔽室的SE

这个部分代表了合成的复合屏蔽室的屏蔽性能。MWNT3.0和MWNT5.0样本被选作复合材料是为了和复合材料板的SE结果做比较。一个真正的屏蔽室是具有许多孔或插槽的类似于长方体的形式。然而，尽管这项研究的重点是复合材料的电磁性能，但是无孔的类似于长方体形状的复合屏蔽室用于估计其SE。屏蔽室的尺寸是400×200×300mm。分析过程如下：首先，复合材料屏蔽室位于分析