[發明專利]基于碳纖維固廢改性和絕緣包覆的超輕復合電磁屏蔽材料的制備方法

在審

• 申請號: 202211183718.X
• 申請日: 2022-09-27
• 公開（公告）號: CN115558304A
• 公開（公告）日: 2023-01-03
• 發明（設計）人: 汪嘉恒;宮新宇;吳玉程;魏鑫;陳志遠;吳運飛
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: C08L91/06
• 分類號: C08L91/06;C08L25/06;C08L79/02;C08L33/12;C08K9/10;C08K7/06;C08K3/36;H05K9/00
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 喬恒婷

本發明公開了一種基于碳纖維固廢改性和絕緣包覆的超輕復合電磁屏蔽材料的制備方法，基于短切碳纖維廢料的一維特性，通過碳纖維表面電導率的調制，結合絕緣外層包覆方案，既縮小了碳纖維表面的渦流尺寸，提高反向磁場屏蔽能力，又避免了一維碳纖維間交疊導致的宏觀導電連接。本發明材料可以與器件使用的聚合物基體直接融合，整體電阻率仍可保持在10⁹?10²⁰Ω·m的較高水平，可以保證周圍接插件和電路的電氣安全和性能。本發明可應用于多種器件和產品中DC～42.5GHz頻段的電磁波屏蔽。

技術領域

本發明屬于電磁功能材料領域，具體涉及一種基于碳纖維固廢改性和絕緣包覆的超輕復合電磁屏蔽材料的制備方法。

背景技術

電氣產品的電磁兼容(EMC)已經成為世界各國的市場準入強制標準。在日益增長的電子和通訊領域，器件運行中對外產生的電磁輻射和外界的電磁干擾已經成為了影響產品性能、可靠性和安全性等重要因素的行業痛點，其問題遍布新能源汽車、消費電子產品、智能物聯產品、5G等通訊產品、可穿戴電子產品、航空、航天等多個關鍵領域。例如，在新能源汽車中，密布的三電系統產生的多頻段電磁波相互疊加，極易導致車輛駕駛系統和傳感器的失靈，威脅行車安全；航空器中電子部件的電磁發射，會影響雷達、通訊和傳感系統的運行，導致飛行安全事故；智能物聯系統收到外界雜散信號的干擾，導致傳感器和接收器失真，影響多器件的聯動，乃至物聯網崩潰等等。因此，應對小型化集成化器件的發展，超輕高效電磁屏蔽材料的關鍵技術亟待解決。

目前應用的電磁屏蔽材料主要集中于1-18GHz頻段，特別是8-12GHz(X波段)和5G頻段(C波段)，適用于寬頻范圍的電磁屏蔽材料較少。針對微波頻帶的電磁屏蔽方式主要為導電屏蔽，即通過導體在微波中的電磁感應效應產生的反向磁場，抵消外界電磁場的進入和影響。行業中相關產品和器件多以金屬導電屏蔽殼體或導電涂料為主進行外部整體屏蔽。然而，這種方式對于小型化和微型化器件的屏蔽設計難度極大，在接插件、連接器等關鍵位置仍會出現漏波，無法滿足當前嚴格的EMC標準和集成化要求。開發具有高電阻率的新型絕緣電磁屏蔽材料，使之與器件基體無縫集成，在保證電磁性能的同時也滿足電氣性能的要求，這已被認為是未來微型器件和異形連接器EMC問題的全新解決方案。

發明內容

本發明針對目前導電屏蔽材料在小型和集成化器件應用中存在的問題，旨在提供一種基于碳纖維固廢改性和絕緣包覆的超輕復合電磁屏蔽材料的制備方法。本發明基于短切碳纖維廢料的一維特性，通過碳纖維表面電導率的調制，結合絕緣外層包覆方案，既縮小了碳纖維表面的渦流尺寸，提高反向磁場屏蔽能力，又避免了一維碳纖維間交疊導致的宏觀導電連接。本發明材料可以與器件使用的聚合物基體直接融合，整體電阻率仍可保持在10⁹-10²⁰Ω·m的較高水平，可以保證周圍接插件和電路的電氣安全和性能。本發明可應用于多種器件和產品中DC～42.5GHz頻段的電磁波屏蔽。

本發明基于碳纖維固廢改性和絕緣包覆的超輕復合電磁屏蔽材料的制備方法，通過短切碳纖維表面的電導率調控，結合絕緣材料包覆，增強微觀電磁屏蔽的同時，隔斷宏觀導電輸運，具體包括如下步驟：

步驟1：將經過清洗的0.05-3g短切碳纖維固廢均勻分散于20ml無水乙醇中，向其中加入一定量的分散劑，持續超聲處理0.5～3h，通過官能團改善表面的電荷分布，使碳纖維固廢均勻分散；而后經過抽濾或離心分離，獲得具有良好極性溶液分散性的改性短切碳纖維粉體；

步驟2：將步驟1獲得的0.05-3g改性短切碳纖維粉體分散于10mL-50mL濃度為0.0001～1g/mL的導電聚合物單體溶液中并攪拌1h至均勻，并調整體系pH值≤5，獲得前驅溶液；

步驟3：在持續攪拌下，向步驟2獲得的前驅溶液中滴加3-10ml引發劑，并在冰浴條件下繼續攪拌反應0.5～10h，所得產物使用蒸餾水和無水乙醇清洗，并抽濾或離心分離，獲得導電聚合物表面改性的碳纖維粉體；