一种碳纤维/莫来石复合材料高频电磁屏蔽效能的评价方法技术

本发明专利技术提供一种碳纤维/莫来石复合材料高频下电磁屏蔽效能的评价方法。传统预测模型不能预测复合材料在千兆赫兹频率下的等效电磁屏蔽效能。本发明专利技术提供的评价方法重点考虑了高频下微观结构及碳纤维与莫来石陶瓷间频率相关界面效应的影响，建立了碳纤维/莫来石复合材料基于细观力学的高频等效电磁屏蔽效能理论评价模型。本发明专利技术解决了目前千兆赫兹频率下电磁屏蔽材料研究成本高，设计及实验时间长的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维/莫来石复合材料高频电磁屏蔽效能的评价方法
本专利技术属于功能复合材料高频下电磁性能均质化方法的研究领域，更加涉及一种碳纤维/莫来石复合材料千兆赫兹频率下电磁屏蔽效能的评价方法。
技术介绍
近年来，随着通信行业的飞速发展，电磁干扰已经成为电子设备十分重要的问题。由于碳材料的高导电性，含碳复合材料已被广泛应用于千兆赫兹(8.2-12.4GHz)频率范围的电磁屏蔽器件。典型含碳复合材料包括聚合物基、金属基、陶瓷基复合材料。然而，电子器件在制造和使用过程中不可避免地受到复杂电磁载荷和高温环境的影响，例如航天领域中的航天器等。金属基或聚合物基复合材料在极端环境中已不再适用。因此，碳或碳化硅材料填充增强的陶瓷基复合材料由于其耐高温、低质量密度的特性，在极端环境下电磁屏蔽应用中得到了极大地关注。近期，莫来石陶瓷由于其出色的热稳定、高强度和低密度的特性，已被广泛应用于高温结构材料中。导电性和介电性是决定复合材料电磁屏蔽效能的关键因素。碳材料填充增强的莫来石复合材料被认为是千兆赫兹频率下高温电磁屏蔽设备的可选材料。火花等离子烧结法制备的碳纤维/莫来石复合材料在小厚度下可获得较高的电磁屏蔽效能。研究表明，微观结构和界面效应对碳纤维/莫来石复合材料的电磁屏蔽效能至关重要。经检索发现：目前尚未有基于组分间复杂界面效应以及微观结构的理论能够解释碳纤维/莫来石复合材料电磁屏蔽效能的物理机制。本专利技术将要建立一种碳纤维/莫来石复合材料高频下等效电磁屏蔽效能的评价方法。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种碳纤维/莫来石复合材料高频电磁屏蔽效能的评价方法，所述评价方法包括如下五个步骤：步骤一：测量碳纤维和莫来石陶瓷组分材料的几何参数及电磁性能1.1测量碳纤维材料的长细比α(材料的长轴与短轴之比)和直径D；1.2测量碳纤维材料的面内电磁特性，包括面内介电性ε1、导电性σ1、磁导率μ'1和磁损耗μ”1；测量碳纤维材料的面外电磁特性，性质包括面外介电性ε3、导电性σ3、磁导率μ'3和磁损耗μ”3；1.3测量莫来石陶瓷的电磁特性，包括其介电性ε0、导电性σ0、磁导率μ'0、磁损耗μ”0；1.4查询《实用物理常数表》得到真空中介电常数εvac和磁导率μvac，以及空气介电性εair、导电性σair、磁导率μ'air和磁损耗μ”air；步骤二：制备碳纤维/莫来石复合材料试样，并测量其部分微观参数及高频下电磁性质2.1以短碳纤维、Al2O3和SiO2粉体为原料，三氧化二钇粉末作为烧结的添加物，采用火花等离子快速烧结法(SPS)，制备多个不同碳纤维含量(范围为0vol％至5vol％)、厚度为2-3mm碳纤维/莫来石复合材料样品，测量样品的厚度d；2.2采用扫描电镜(SEM)对碳纤维/莫来石复合材料样品的形貌和微观结构进行表征，测量碳纤维与莫来石陶瓷之间的界面层厚度h；2.3采用矢量网络分析仪测量不同碳纤维含量的碳纤维/莫来石复合材料样品在千兆赫兹频率下复介电性和复磁导率，测量波源和碳纤维/莫来石复合材料之间的距离r；步骤三：建立碳纤维/莫来石复合材料高频下电磁屏蔽效能的评价模型根据公式(13)，计算给定碳纤维含量的碳纤维/莫来石复合材料在千兆赫兹频率下电磁屏蔽效能(SE)：SE＝R+A+M公式(13)其中，R、A和M分别表示电磁屏蔽中反射损失、吸收损失和多重反射损失，其表达式为：其中，d为复合材料样品的厚度，已在步骤二中2.1通过测量获得；和为空气的复介电常数和复磁导率，已在步骤一中1.4通过查表获得；ω＝2πf是电磁波的角频率，f表示相应的交流频率，i为虚常数；和表示复合材料的有效复介电性和复磁导率，将通过如下方程组(1)求解给出：其中，其中，和分别为界面层的导电性和介电性；μ'(int)和μ”(int)分别为界面层的磁导率和磁损耗，和分别为直流载荷下电子隧道效应和纳米电容器形成的尺度参数，为无限频率下纳米电容器形成的尺寸参数，tσ和tε分别为界面电子跃迁效应和介电松弛效应的特征时间；上述参数将在步骤四中通过实验数据拟合获得；至此，本专利技术的评价模型建立完成；步骤四：碳纤维/莫来石复合材料高频下电磁屏蔽效能的评价方法材料参数的计算和提取4.1将步骤二中2.3测量的等效复介电性带入步骤三建立的评价模型中，通过数据拟合确定步骤三评价模型中复介电性相关的材料参数，所述材料参数包括tσ和tε；4.2将步骤二中2.3测量的等效复磁导率带入步骤三建立的评价模型中，通过数据拟合确定步骤三评价模型中复磁导率相关的材料参数，所述材料参数包括μ'(int)和μ”(int)；步骤五：碳纤维/莫来石复合材料高频下电磁屏蔽效能的评价方法预测曲线的计算与校验5.1通过使用矢量网络分析仪的波导方法测量碳纤维/莫来石复合材料样品在千兆赫兹频率的散射参数(S11、S12、S22、S21)；复合材料的电磁屏蔽效能(SE)由所测量散射参数根据以下公式(16)计算：其中，R＝|S11|2和T＝|S21|2分别表示反射系数和透射系数；5.2将不同的碳纤维含量和千兆赫兹交流频率带入本专利技术步骤三所建立的评价模型中，得到碳纤维/莫来石复合材料等效电磁屏蔽效能关于交流频率的预测曲线，并与5.1中实验数据相验证。有效效果：传统均质化方法不能预测碳纤维/莫来石复合材料高频下等效电磁屏蔽效能。本专利技术提供的基于细观力学的评价方法，考虑了组分材料间复杂的界面效应以及微观结构，能够准确评定碳纤维/莫来石复合材料在千兆赫兹频率下电磁屏蔽效能，提升电磁屏蔽器件的设计效率。下面将从以下两个部分解释本专利技术碳纤维/莫来石复合材料高频下电磁屏蔽效能评价方法的原理。1确定高频下等效电磁性质本专利技术将引入复介电常数ε*和复磁导率μ*作为评价方法的均质化变量，其表达式为：其中，ω＝2πf是电磁波的角频率，f表示相应的交流频率，i为虚常数；ε，σ，μ'和μ”分别表示介电性，导电性，磁导率和磁损耗。其次，碳纤维与莫来石陶瓷间的界面需要考虑三类界面效应：1、介电性方面：碳纤维含量相关的纳米电容器形成和频率相关的介电松弛效应；2、导电性方面：碳纤维含量相关的电子隧道效应和频率相关的电子跃迁效应；3、界面连接方面：非理想界面连接。在介电性方面，由于碳纤维与莫来石之间的导电性有很大差异，电子不能自由通过碳纤维和莫来石陶瓷之间的界面，在界面处形成大量的纳米电容器，这将显著提高界面介电性。此外，随着交流频率增加，更多的电子将穿过碳纤维和莫来石陶瓷之间的界面，产生介电松弛效应。考虑上述纳米电容器形成和介电松弛效应后，界面介电性的表达式为：其中tε表示纳米电容器形成的特征时间，和分别是直流和无限频率状态下的界面介电性，和表示相应极化效应的特征参数，上述参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维/莫来石复合材料高频电磁屏蔽效能的评价方法，其特征在于，所述评价方法至少包括如下步骤：/n步骤一：测量碳纤维和莫来石陶瓷组分材料的几何参数及电磁性能/n1.1测量碳纤维材料的长细比α和直径D；/n1.2测量碳纤维材料的面内电磁特性，包括面内介电性ε

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维/莫来石复合材料高频电磁屏蔽效能的评价方法，其特征在于，所述评价方法至少包括如下步骤：
步骤一：测量碳纤维和莫来石陶瓷组分材料的几何参数及电磁性能
1.1测量碳纤维材料的长细比α和直径D；
1.2测量碳纤维材料的面内电磁特性，包括面内介电性ε1、导电性σ1、磁导率μ'1和磁损耗μ”1；测量碳纤维材料的面外电磁特性，包括面外介电性ε3、导电性σ3、磁导率μ'3和磁损耗μ”3；
1.3测量莫来石陶瓷的电磁特性，包括其介电性ε0、导电性σ0、磁导率μ'0、磁损耗μ”0；
1.4查询《实用物理常数表》得到真空中介电常数εvac和磁导率μvac，以及空气介电性εair、导电性σair、磁导率μ'air和磁损耗μ”air。


2.权利要求1所述的碳纤维/莫来石复合材料高频电磁屏蔽效能的评价方法，其特征在于，所述评价方法还包括：
步骤二：制备碳纤维/莫来石复合材料试样，并测量其部分微观参数及高频下电磁性质
2.1以短碳纤维、Al2O3和SiO2粉体为原料，三氧化二钇粉末作为烧结的添加物，采用火花等离子快速烧结法，制备多个不同碳纤维含量、厚度为2-3mm碳纤维/莫来石复合材料样品，测量样品的厚度d；
2.2采用扫描电镜对碳纤维/莫来石复合材料样品的形貌和微观结构进行表征，测量碳纤维与莫来石陶瓷之间的界面层厚度h；
2.3采用矢量网络分析仪测量不同碳纤维含量的碳纤维/莫来石复合材料样品在千兆赫兹频率下复介电性和复磁导率，测量波源和碳纤维/莫来石复合材料之间的距离r。


3.权利要求2所述的碳纤维/莫来石复合材料高频电磁屏蔽效能的评价方法，其特征在于，所述碳纤维含量为0vol％～5vol％。


4.权利要求2所述的碳纤维/莫来石复合材料高频电磁屏蔽效能的评价方法，其特征再于，所述评价方法还包括：
步骤三：建立碳纤维/莫来石复合材料高频下电磁屏蔽效能的评价模型
根据公式(13)，计算给定碳纤维含量的碳纤维/莫来石复合材料在千兆赫兹频率下电磁屏蔽效能：
SE＝R+A+M公式(13)
其中，R、A和M分别表示电磁屏蔽中反射损失、吸收损失和多重反射损失，其表达式为：






其中，d为复合材料样品的厚度，已在所述步骤二中2.1通过测量获得；和为空气的复介电常数和复磁导率，已在所述步骤一中1.4通过查表获得；ω＝2πf是电磁波的角频率，f表示相应的交流频率，i为虚常数；和表示复合材料的有效复介电性和复磁导率，将通过如下方程组(1)求解给出：



其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏晓东，杜子健，李玲香，李杨，周伟，李显方，刘静，杜金龙，侯丹，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43