高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料及其制备方法，高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料由镀镍碳纤维(表面含有氧化镍的碳纤维)、聚多巴胺层、羧酸化的CNT和环氧树脂构成的CF

【技术实现步骤摘要】
高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于复合材料
，涉及一种高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料及其制备方 法。

技术介绍

[0002]随着5G技术发展，航空航天和电子等行业对具有电磁屏蔽效能(EMI)的材料需求越来越广泛。 例如，电子产品的广泛使用容易产生电磁干扰，电磁波作为一种新的污染，它扰乱了电子设备的正常工 作，因此必须提供某种阻挡机制，将设备内部与周围电磁环境隔离，屏蔽来自外部环境的电磁辐射。电 磁屏蔽是指利用屏蔽体对需要防护的区域隔离，控制电磁波的传播，即利用导电或导磁材料的反射或吸 收等作用对电磁波进行衰减，防止被保护物体受到电磁干扰。
[0003]具有电磁屏蔽功能性的材料一般要求EMI超过20dB。传统的屏蔽材料包括金属薄板、金属丝网、 网孔、泡沫金属和带有金属粉末的体积导电涂料等，但是，铜，铝，铁，钢等金属材料高密度，高重量， 高成本和易腐蚀的缺点限制了它们的实际应用。近年来，开始寻找新型电磁屏蔽材料替代传统金属材料， 在一些应用场合需要同时实现轻量化，即密度低于1.7g/cm3。导电的聚合物基复合材料因其重量轻，耐 腐蚀，柔韧性好，可加工型好，成本低等优点而在电磁屏蔽领域广受欢迎，这些类型的导电复合材料可 用于天线系统、受保护的飞机复合板、航空电子线路可更换单元外壳、连接器垫片，静电和空间电荷耗 散材料、不同类型的电子压敏开关或传感器等，通过多功能设计，新材料还可以作为电气设备、飞机、 汽车零件等的潜在材料，应用于海军和航空航天领域。目前基于聚合物的导电复合材料已经开展了大量 研究，在复合材料中聚合物基体是不导电的，电磁屏蔽效能取决于导电填料，由于碳材料及其复合材料 独特的性能，例如高电导率，质量轻，高比表面积，环境友好性，出色的柔韧性，低密度，化学稳定性 和出色的机械性能等，各种碳材料，例如石墨烯，碳气凝胶，无定形碳，炭黑，碳纳米管(CNT)已被 广泛用于电磁屏蔽研究。
[0004]现有技术中，可以同时达到上述性能要求的这类材料通常为石墨烯、碳纳米管、纳米银线等纳米材 料填充的树脂基复合材料。然而，这些材料的强度和模量都不能作为结构材料使用，其拉伸强度难以超 过450MPa，模量难以超过55GPa。所以现有技术通常为将这些纳米复合材料做成涂料，涂覆在结构材 料表面。这种方法的最大问题在于，涂料的耐久性较差，一旦有一个小区域脱落，就会极大降低电磁屏 蔽效能。还有人采用在碳纤维上面镀金属、再制备成树脂基复合材料的方法，但由于镀金属的碳纤维和 树脂的结合性很差，导致复合材料拉伸强度、模量和层间剪切强度等性能较低。
[0005]因此，研究一种拉伸强度、模量和层间剪切强度大，且电磁屏蔽功能号的材料具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术中拉伸强度、模量和层间剪切强度不够，且电磁屏蔽功能不足
的技术问题，本发 明提供一种高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料及其制备方法。本专利技术在碳纤维表面镀镍之后， 对镀镍碳纤维进行浅表氧化，使表面可以与聚多巴胺上浆剂产生强相互作用，因此使复合材料达到高强 度和高模量的性能指标；同时因为氧化程度不深，不会影响复合材料的电磁屏蔽效能，其EMI值仍超过 20dB。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用的方案如下：
[0008]高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料，是由镀镍碳纤维、聚多巴胺(PDA)层、羧酸化的 CNT和环氧树脂构成的CF
‑
Ni
‑
PDA/CNT/epoxy复合材料；
[0009]镀镍碳纤维是表面含有氧化镍的碳纤维；
[0010]聚多巴胺层位于镀镍碳纤维和环氧树脂之间，聚多巴胺层与镀镍碳纤维之间由Ni
‑
N键和氢键连接， 聚多巴胺层与环氧树脂之间由N
‑
C键连接。
[0011]作为优选的技术方案：
[0012]如上所述的高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料，氧化镍可以是连续的，也可以是不连续的， 连续的层结构会更好，本专利技术的氧化镍优选为连续的层结构，氧化镍的厚度为10～100nm。
[0013]如上所述的高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料，镀镍碳纤维表面还含有镍层，镍层的厚度 约为1μm，镍层与碳纤维之间由范德华力、机械铆合及Ni
‑
OH
‑
C键合作用连接；氧化镍位于镍层表面； 镍层的主要作用是提供较高的电导率，最外围的氧化镍层的作用是提供可以和上浆剂产生氢键的活性。
[0014]如上所述的高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料，CF
‑
Ni
‑
PDA/CNT/epoxy复合材料中，镀镍 碳纤维为织物的形态，织物的结构为单向织物、平纹织物、缎纹织物、斜纹织物或者无屈曲织物(NCF)；
[0015]CF
‑
Ni
‑
PDA/CNT/epoxy复合材料的ILSS(层间剪切强度)为40～70MPa，拉伸强度为450～600MPa， 拉伸模量为55～65GPa，电磁屏蔽效能为29～40dB。
[0016]如上所述的高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料，环氧树脂为缩水甘油醚、缩水甘油酯、缩 水甘油胺、线性脂肪族类或脂环族类环氧树脂。
[0017]如上所述的高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料，聚多巴胺(PDA)层的厚度为100nm～1μm； CF
‑
Ni
‑
PDA/CNT/epoxy复合材料中，羧酸化的CNT的含量为环氧树脂质量的0.3～2wt.％，镀镍碳纤维 的体积含量占复合材料总体积的48～52vt.％。
[0018]本专利技术还提供制备如上所述的高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料的方法，先将化学镀镍后 的碳纤维进行表面氧化，再沉积聚多巴胺(PDA)层得到CF
‑
Ni
‑
PDA，然后以CF
‑
Ni
‑
PDA、羧酸化的 CNT和环氧树脂为主要原料，采用真空辅助树脂灌注成型方法，制备CF
‑
Ni
‑
PDA/CNT/epoxy复合材料。
[0019]作为优选的技术方案：
[0020]如上所述的高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料的制备方法，所述表面氧化为浅表氧化；将 化学镀镍后的碳纤维进行浅表氧化的具体过程为：将化学镀镍后的碳纤维浸渍于过量的浓度为 28～32wt％的过氧化氢水溶液中，过氧化氢的质量优选为超过铜网质量的1％，设置水浴温度为70～90℃， 浸渍时间为10～20min；依次采用去离子水和无水乙醇洗涤(去离子水淋洗CF
‑
Ni，再用无水乙醇去除残 留的水分)，得到浅表氧化的CF
‑
Ni；
[0021]浅表氧化的原理：使用过氧化氢对化学镀镍后的碳纤维上镍层的浅表面进行氧化。若过氧化氢浓度 太低或水浴温本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料，其特征是由镀镍碳纤维、聚多巴胺层、羧酸化的CNT和环氧树脂构成的CF
‑
Ni
‑
PDA/CNT/epoxy复合材料；镀镍碳纤维是表面含有氧化镍的碳纤维；聚多巴胺层位于镀镍碳纤维和环氧树脂之间，聚多巴胺层与镀镍碳纤维之间由Ni
‑
N键和氢键连接，聚多巴胺层与环氧树脂之间由N
‑
C键连接。2.根据权利要求1所述的高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料，其特征在于，氧化镍的厚度为10～100nm。3.根据权利要求1所述的高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料，其特征在于，镀镍碳纤维表面还含有镍层，镍层与碳纤维之间由范德华力、机械铆合及Ni
‑
OH
‑
C键合作用连接；氧化镍位于镍层表面。4.根据权利要求1所述的高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料，其特征在于，CF
‑
Ni
‑
PDA/CNT/epoxy复合材料中，镀镍碳纤维为织物的形态，织物的结构为单向织物、平纹织物、缎纹织物、斜纹织物或者无屈曲织物；CF
‑
Ni
‑
PDA/CNT/epoxy复合材料的层间剪切强度为40～70MPa，拉伸强度为450～600MPa，拉伸模量为55～65GPa，电磁屏蔽效能为29～40dB。5.根据权利要求1所述的高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料，其特征在于，聚多巴胺层的厚度为100nm～1μm；CF
‑
Ni
‑
PDA/CNT/epoxy复合材料中，羧酸化的CNT的含量为环氧树脂质量的0.3～2wt.％，镀镍碳纤维的体积含量占复合材料总体积的48～52vt.％。6.制备如权利要求1所述的高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料的方法，其特征是：先将化学镀镍后的碳纤维进行表面氧化，再沉积聚多巴胺层得到CF
‑
Ni
‑
PDA，然后以CF
‑
Ni
‑
PDA、羧酸化的CNT和环氧树脂为主要原料，采用真空辅助树脂灌注成型方法，制备CF
‑
Ni
‑
PDA/CNT/epoxy复合材料。7.根据权利要求6所述的高强高模电磁屏蔽功能结构一体化轻质材料的制备方法，其特征在于，所述表面氧化为浅表氧化；将化学镀镍后的碳纤维进行浅表氧化的具体过程为：将化学镀镍后的碳纤维浸渍于浓度为28～32wt.％的过氧化氢水溶液中，设置水浴温度为70～90℃，浸渍时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱姝，周剑锋，瞿明城，史如静，张礼颖，范如意，王天成，琚铭楷，郭青钊，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：