电纺TaC/C复合纤维膜的制备及其电磁屏蔽性能研究
摘要：碳系电磁屏蔽材料包括石墨、膨胀石墨、石墨纳米片、碳纳米管和石墨烯等。石墨在屏蔽材料家族扮演着重要的角色,石墨是一种独特的多层结构碳材料,层与层之间存在较弱的范德华力膨胀石墨呈蠕虫状,有大量的网状微孔结构,可由石墨高温膨胀制得。石墨纳米片是石墨片层层数大于 1 0 层但厚度小于 5 0 nm 的纳米石墨材料,可由膨胀石墨剥离制得。碳纳米管包括单壁碳纳米管和多壁碳纳 米管,单壁碳纳米管是由单层石墨片沿中心弯曲卷成的中空结构,多壁碳纳米管是由若干单壁碳纳米管沿同心轴套叠而成。石墨烯是由单层碳原子组成的二维六边形蜂窝状晶体,石墨烯是其他维度碳材料的基本结构单元,可组成上述碳材料.碳系电磁屏蔽材料均具有优良的导电性,而导电性和屏蔽性能成正比,故可通过进一步提高导电性来提高屏蔽性能,其中一种有效的方法是晶格掺杂,即引入其他原子(氮、硼、硫、氟、磷等)代替石墨中的碳原子,并与其他碳原子成键,在碳晶格中产生更多的缺陷位点。目前研究较多的是掺杂碳纳米管和石墨烯,常用的方法有高温合成法、化学共沉淀法等。碳系电磁屏蔽材料还可通过与其他材料复合来提高屏蔽效能。复合材料大致分为三类:一是铁系材料,包括磁性金属微粉和铁氧体等;二是导电聚合物,包括聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩和聚乙炔等;三是陶瓷系,包括碳化硅和钛酸钡等。 将碳系电磁屏蔽材料通过浸润或涂覆的方式负载到织物上,可制备电磁屏蔽织物,电磁屏蔽织物可用于制作电磁防护服、屏蔽帐篷等。
关键词：静电纺丝 电磁屏蔽
1、研究背景及意义
随着通信和电子设备的不断发展，电磁污染已经成为人们生活中一个非常严重的问题，它们的干扰会导致其他电子设备和系统的故障。因此，轻质电磁干扰屏蔽材料对于控制电磁污染、保护人体及周围设备或系统具有重要意义。在这方面，碳材料及其复合材料以其独特的性能被证明是最好的，如先进的导电性、高比表面积、轻重量、环保、优良的柔韧性、低密度、化学稳定性和优异的机械性能。静电纺丝制备的一维纳米纤维构成的电磁波能量衰减网络结构已被证明是一种有效的策略，能够最大限度地减轻复合材料的重量，增强复合材料的EMI屏蔽性能和柔韧性。在纳米碳纤维中加入导电填料，可调节其导电率，使导电填料以一定数量均匀分布在纤维中，实现定向互联，为电子的传输提供途径。通过添加过渡金属碳化物TaC能够有效增强织物的导电性，并增强织物的机械性能，所得到的TaC/C复合织物在航空航天、国防、电子设备等领域具有广阔的应用前景。
- 国内外研究现状
国内研究现状：静电纺丝技术是一种借助高压静电厂来制备纳米纤维的新技术，其工作原理是：借助于高压静电场使聚合物溶液或熔体带电，使其在喷头末端处形成垂悬的锥状液体（即“泰勒锥”）。此时液滴受到自身表面张力和静电场引起的表面电荷斥力的双重作用。当液滴表面的电荷斥力超过其表面张力时，在溶液表面就会高速喷出聚合物微小液体流。液体流在一个比较短的距离内经过电场力的高速拉伸拖拽，溶剂挥发与固化，最终沉积在接受板上，形成聚合物纤维。静电纺丝的影响因素主要包括溶液参数（溶剂和溶液的性质），过程参数（包括电压，供液速度，喷头直径和接受距离等）和环境参数（温度和湿度）。并且，这些因素彼此之间相互影响，共同决定了纺丝过程的进行[1]。自从 Schkonunoff 提出较系统的电磁屏蔽理论至今, 电磁屏蔽理论得到了长足的发展。根据Schelkunoff电磁屏蔽理论，材料的电磁屏蔽效果为吸收损耗，材料内外部反射损耗之和。
国内也有许多研究人员研究一些复合材料的电磁屏蔽性能，并都取得了一定的进展，例如陈宇，张代军等人以三维结构的石墨烯气凝胶为填料，通过真空浸渍的方法，将环氧树脂浸入并固化，制备石墨烯气凝胶/环氧树脂复合材料。该材料的石墨烯气凝胶含量仅为6.23%（质量分数）时，复合材料的电导率就可以达到252 S·m-1，电磁屏蔽效能高到达75 dB[2]。中国民用航空飞行学院的秦文峰等人，采用多巴胺对玻璃纤维织物改性处理和原位生成Ti3C2TXMxene，通过真空抽滤发制备了Ti3C2TX负载玻璃纤维复合材料，研究了Ti3C2TX负载量对电磁屏蔽性能的影响。Mxene是一种新型的二维过渡金属碳/氮化物和碳-氮化物，通过选择性地从三维的MAX结构中刻蚀 Al层来制备的。Ti3C2TX是Mxenes种类中最具代表性的产物之一，在电磁屏蔽、微波吸收和超级电容器领域受到广泛关注[3]。他们制备的这种材料在 2~18 GHz 频率范围内，Ti3C2TX负载量为 2.55 mg/cm 2 的MGF-4 的最大电磁屏蔽效果为 55.1 dB，其表面电阻为 0.95 Ω/sq。
榆林市瀚霆化工技术开发有限公司着重于研究注射成型 MWCNT/PS 复合材料的电导率和电磁屏蔽研究，并且取得了一定的进展。实验研究了三种不同模腔注塑成型的MWCNT/ PS 复合材料的体积电阻率和电磁屏蔽效率能。这些型腔的形状尺寸相同，但是在注塑过程中采用了不同的流道和浇口喂料。采取两个级别（较大值和较小值）、四种因素的析因设计研究了工艺参数对试样电导率的影响。结果表明，选用较高熔体温度和较低注射速度能获得具有较高电导率的制品。此外可以看出，相比较于扇形浇口，使用边缘浇口在流动方向上可获得较高体积电阻率，而在厚度方向上的体积电阻率较小。试验中测量和比较了具有不同电导率的模制成型试样的电磁屏蔽效能（如图1图2）。结果表明，导电复合材料注塑成型时工艺参数对制品的电磁屏蔽特性有显著影响。EMI SE随着碳纳米管取向度升高而减小[4]。
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