中国土木I 程学会防护I 程分会第九次学术年会论文集1 1 4 1碳纤维加固材料电磁屏蔽效能研究贾治勇1 王群2 徐干成1 刘国权3 刘朝1( 空军工程设计研究局，北京，1 0 0 0 6 8 ；2 北京工业大学，北京1 0 0 0 2 2 ；3 总参工程兵科研三所，洛阳，4 7 1 0 2 3 )摘要：在1 4 K H z I G H z 频率范围内，对碳纤维加固材料电磁屏蔽效能进行了实验研究。通过研究发现：双向编织碳纤维布的电磁屏蔽效能优于单向的，3 K 规格的石墨纤维布的屏蔽效能比1 K 的高，石墨纤维编织布的屏蔽值比碳纤维编织布的高，特别是铺层数能显著提高碳纤维电磁屏蔽效能，1 K 碳纤维双向编织布层叠1 4 层，屏蔽值从3 0 5 0 d B 提高到5 0 6 0 d B 。掺2 0 高导电导磁粒子能显著地提高单向碳纤维布的电磁屏蔽效能，对于两层的，屏蔽效能达到1 6 1 d B ，对于四层的，屏蔽效能达到3 6 1 1 l d B 。关键诃：电磁屏蔽防护工程碳纤维材料1 引言碳纤维布在旧建筑的加固改造上已得到广泛应用，对于防护工程，选用结构内表面纵横双向粘贴复合材料碳纤维布2 - 4 层，可改善结构防震塌性能。在碳纤维布电磁功能研究上，北京航空材料研究院王晓红等分别研究了其微波反射特性、雷达透射性能。而对于电磁干扰杀伤失密泄漏防范的低频段，未见有人研究。本文结合工程加固，研究其在该频段兼具有的电磁屏蔽性能，包括层迭、交叉编织碳纤维加固材料屏蔽效能，多层铺设方式的屏蔽效能，碳纤维布加固改J 陛及其屏蔽效能，对其在防护工程中的应用可能性进行了探讨。2 试验内容按规格制备碳纤维样品，按照同轴法测其电磁屏蔽效能。对样品进行扫描电镜( S E M )形貌分析。高导电导磁粒子以重量百分比掺人。纤维为市售加固用聚丙烯腈基碳纤维和石墨纤维。3 结果与讨论3 1 编织方式对碳纤维电磁屏蔽效能的影响图1 为聚丙烯腈基碳纤维单向编织布与十字交叉双向编织布的电磁屏蔽效能比较曲线。纤维为每柬1 K ( 1 千根) 。从图中知，单向编织碳纤维布在1 4 K H z I G H z 频率范围内，电磁屏蔽效能总体上随频率升高呈增大趋势，由1 7 d B 增至4 0 d B ，在高频段稍降到3 6 d B 。而双向编织碳纤维布的电磁屏蔽效能由低频时的4 7 d B 降到5 0 0 M H z 的3 3 d B 左右，在6 0 0 M H z1 1 4 2贾治勇等：碳纤维加固材料电磁屏蔽教熊研究之前比单向碳纤维屏蔽效能高1 0 3 0 d B ，在高频段与单向碳纤维的屏蔽效能变化一致，基本上在3 6 d B 左右。图1 编织方式对屏蔽效能的影响可能的原因解释为，电磁波遇到屏蔽材料时，电磁波将被吸收、反射和透射。电磁屏蔽效能则为电磁渡被屏蔽层反射、吸收及内部反射之和。导电性材料的电磁屏蔽效能公式为： SE=R+A+B( 1 )式中：s E 电磁屏蔽效能；R 反射损耗；A 一吸收损耗；B 一内部反射损耗。其中，R = 5 0 + 1 0 1 9 ( Pv x f ) 。1( 2 )A = 1 7 d ( f P 。) “2( 3 )式中，p ，体积电阻率；f - 频率；d - 屏蔽层厚度。当S E 大于1 0d B 时，B 值过小可以忽略不计，因此，S E = R + A 。当f 一定时，s E 值与d 成正比，与体积电阻率P ，成反比，当f 和d 一定时，p ，越小，屏蔽效能S E 越高。单向碳纤维布是由很多根的碳纤维紧密捆绑堆积排列而成，根与根之间以及柬与束之间靠面接触形成导电通路，或靠距离极近时发生隧道效应和场致发射而导电，在后面的图8 可以看出其微观结构，由其排列方式可知，其电阻率非均一性，单向性强，既在顺着碳纤维束方向导电性好，其它方向不好，总的电阻率偏大。而双向编织碳纤维由于交叉编织，增加了纤维束的导电连接点，其总的导电性较好并相对均匀，电阻率小，这也是双向编织的碳纤维的屏蔽效能高于单向编织碳纤维的主要原因。另一方面，单向编织与双向编织比，单向纤维排列，根与根之间或束与束之间易形成大于双向编织的长的缝隙，通过该长缝隙泄漏的电磁能量将更多，这也是双向编织碳纤维电磁屏蔽效能在频率低时好于单向编织中国土本I 程学会防护I 程分会第九次学术年会论文集1 1 4 3碳纤维的主要因素。随着频率增加，在高频段，涡流效应将成为电磁屏蔽效能的主要控制因素，当碳纤维布遇到电磁波时，在电磁波场中碳纤维上将耦合出电流，进而形成根与根之问互相排斥的电磁场，整体碳纤维布表面的涡流场排斥外来电磁能量的进步进入。由于单向和双向编织碳纤维布中碳纤维的易导电性和紧密捆绑堆积排列性，它们形成的涡流场将充斥纤维布表面一定趋肤深度内，两种编织方式的涡流场无大的差别，都像一阻碍电磁波的“墙”。故高频时，两者屏蔽效能较为接近。3 2 碳纤维束规格对电磁屏蔽效能影响图2 为十字交叉编织的石墨纤维布经纬规格1 K 与3 K 的电磁屏蔽效能曲线。图2 编制束对屏蔽效能的影响两者随频率变化的共同趋势是，在4 0 0 M H z 之前的低频段，随频率增加，编织石墨纤维布屏蔽效能呈下降趋势。由公式( 1 ) 、( 2 ) 和( 3 ) 知，反射为屏蔽效能主要控制因素，由于编织存在网眼式的孔洞，将泄漏电磁能量，波长越短泄漏越多。故在4 0 0 M H z 之前，随频率增加，编织石墨纤维布屏蔽效能呈下降趋势。随频率增加，电磁波吸收为主要因素并与涡流效应一起控制总的屏蔽效能，频率增高，涡流效应增强。故在4 0 0 M H z 之后，编织石墨纤维布屏蔽效能呈增加趋势。比较两条曲线，3 K 规格的石墨纤维布的屏蔽效能好于l K 的，在同一频点比l K 的高8 d B左右，在整个研究频率范围内，都存在这种趋势。这为防护工程加固改造时要兼顾电磁防护，可通过选用不同规格提高防护效果。3 K 规格石墨纤维布的电磁屏蔽效能高于l K 的原因解释为，由公式( 1 ) 、( 2 ) 和( 3 )知，当f 和P 。一定时，s E 值与d 成正比，由表1 可知，3 K 规格的石墨纤维布厚度为0 5 0 8 m m ，l K 规格的石墨纤维布厚度为0 2 - 0 4 m m ，故3 K 规格的石墨纤维布的电磁屏蔽效能要高。3 3 碳纤维类型对电磁屏蔽效能影响图3 为3 K 石墨纤维布与3 K 碳纤维布的屏蔽效能曲线。在图3 中可看出，石墨纤维的电磁屏蔽效能总是高于碳纤维布的。在1 4 K H z l G H z 频些L 一墅复堑型至笙趔堕型堕燮率范围内，3 K H z 碳纤维编织布的屏蔽值在3 2 4 2 d B 之间变化，而3 K 石墨纤维编织布的屏蔽值在3 6 5 2 d B 之间变化，两者相差4 。1 0 d B 。圈3 纤维类型对屏蔽技能的影响由电磁屏蔽理论知，材料的电阻率小，屏蔽效能高。而碳纤维的导电性，与碳含量有关、与碳纤维中微晶的取向度和结晶度有关，碳含量越高、纤维中微晶的取向度和结晶度越高，导电性越好，其电阻率也越小，由表2 中石墨纤维布和碳纤维布对比可知，碳纤维布的碳含量c _ 9 0 ，石墨纤维布的碳含量C - - 9 5 ，石墨纤维的碳含量高于碳纤维布的，又由石墨和碳自身原子空间排列结构特点知，石墨纤维中微晶的取向度和结晶度要高于碳纤维的。故石墨纤维布的导电性要高于碳纤维布的，导电性好，电阻率小，电磁屏蔽效能高。3 4 铺层数对碳纤维电磁屏蔽效能影响图4 单- 向碳纤维布先环氧固化后层叠测试的电磁屏蔽效能在9 0 0 M H z 随层数变化的关系曲线，本实验中最高层叠到2 0 层。图5 为l K 规格碳纤维十字交叉编织布层叠1 ，4 层后测试的电磁屏蔽效能曲线。图4 铺层数对屏蔽效能( 9 0 0 M H z ) 的影响图5 铺层数对屏蔽技能的影响( 1 4 K 一1 G H z )图4 中单向碳纤维布层叠的试验结果表明，随着C F R P 铺层层数的增加，电磁屏蔽效能越来越大。1 层单向碳纤维布的电磁屏蔽值为3 8 d B ；当层数增加到2 0 层，屏蔽值达到6 2 d B 。图5 中l K 规格碳纤维十字交叉编织布层叠1 4 层试验结果表明，同样随着铺层层数增加，电磁屏蔽效能越来越大。1 层双向编织碳纤维布的电磁屏蔽值，在1 4 K 一1 G H z 频率中国土木I 程学会钧护I 程分会第九次学术年会论文集1 1 4 5范围内为3 0 5 0 d B ；4 层的达到5 0 。6 0 d B 。原因解释为，电磁屏蔽效能随着纤维布铺层层数增加而增大，是由于材料内部反射波和透射波相互作用引起的。随着铺设层数增加，厚度增J n T ，层问的反射损耗与层间距有很大关系，层间距与波长成一定关系时才有好的效果。3 5 加固碳纤维高导电导磁粒子渗透电磁改性研究通过某高导电导磁粒子渗透添加对单向加固碳纤维屏蔽效能影响进行研究。添加量以固化的环氧重量百分比计。图6 为单向碳纤维布两层及四层的电磁屏蔽效能曲线。图7 为单向碳纤维布两层并添加2 0 某高导电导磁粒子后的电磁屏蔽效能曲线。图8 为单向碳纤维布四层并添加2 0 某高导电导磁粒子后的电磁屏蔽效能曲线。曼嚣 嚣 摧喹 甘图6 双层及四层碳纤维布的电磁屏蔽效能( 1 4 K 一1 G H z )在图6 中，两层单向碳纤维的电磁屏蔽效能，在1 0 0 M H z 频率点之前，S E = 1 3 2 3 d B ；在1 0 0 M H z 频率点之后，S E = 2 3 4 2 d B 。四层单向碳纤维的电磁屏蔽效能，在1 0 0 M H z 频率点之前，S E = 2 2 3 3 d B ；在1 0 0 M l - I z 频率点之后，S E = 3 3 5 0 d B 。在1 4 K 一1 G H z 频率内随频率的变化趋势是，随频率增加电磁屏蔽效能增加。图7 掺2 0 某高导电导磁粒子双层交叉碳纤维屏蔽效能图8 掺2 0 某高导电导磁粒子四层交叉碳纤维屏蔽效能1 1 4 6贾治勇等：碳纤维加固材料电磁驿蔽效能研究在图7 和图8 中，经过添加2 0 某高导电导磁粒子后，两层和四层的单向碳纤维的电磁屏蔽效能提高，特别是在低频段有显著提高。对f 两层的，在1 0 0 M H z 频率点之前，S E = 3 1 6 1 d B ；在1 0 0 M H z 频率点之后，S E = 3 1 。4 2 d B 。对比图6 可知，在1 0 0 M H z 频率点之前，s E 值增加8 4 8 d B ；在1 0 0 M H z 频率点之后，S E 值增加0 8 d B 。对于四层的，在1 0 0 M H z 频率点之前，S E = 3 6 1 1 l d B ；在1 0 0 M H z 频率点之后，S E = 3 6 。5 0 d B 。对比图6 可知，在1 0 0 M H z 频率点之前，s E 值增加3 8 9 d B ；在1 0 0 M H z 频率点之后，s E 值增加0 3 d B 。从掺人2 0 某高导电导磁粒子后碳纤维表面5 0 0 倍与1 0 0 0 倍的形貌图可看出，圆球形某高导电导磁粒子镶嵌固亿于碳纤维根与碳纤维根之间的缝隙中，特别是纤维束与纤维柬相接触的碳纤维的缝隙上，并渗透到纤维束内部，使长缝隙分割成较短的缝隙，即减小了缝隙的长度。缝隙开口处的反射损耗R 。，即采用实心型屏蔽的反射损耗公式为：罡= 2 0 1 旺掣( 8 )4 1 K I式中，R ，缝隙开口处的反射损耗( d B ) ；K - 缝隙开口处的波阻抗与空间入射的波阻抗之比值，K = g ( p r ) 入射场为低阻抗场；K = j 6 6 9 x 1 0 4 f g 入射场为平面波场。r _ 屏蔽体离场源的距离( c m ) ；g - 缝隙的长度( c m ) ；f _ 频率( M H z ) 。缝隙的吸收损耗A 。由下式表示 = 2 7 3 垤( 9 )式中