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摘 要

与传统的电磁屏蔽材料相比，碳材料及其复合材料以其独特的性能，如高导电率、重量轻、化学性能好、力学性能优异等特点被证明是理想的电磁屏蔽材料。目前，已经开发的碳材料有石墨烯、炭黑、碳纳米管、碳纤维和碳纳米颗粒等。本文综述了碳系填料及其复合材料的合成和电磁屏蔽性能，并讨论了其屏蔽机理。在此基础上，提出了采用环氧树脂为基体，短切碳纤维和石墨烯为增强材料，模压工艺的方法，制备环氧树脂基复合材料的设计方案，以及相应的测试手段，对不同组分碳系填料增加环氧树脂基复合材料力学性能和电磁屏蔽性能的影响进行研究工作，并讨论了短切碳纤维长径比、环氧树脂、成型工艺、石墨烯对复合材料性能的影响。

关键词： 填料；短切碳纤维；石墨烯；电磁屏蔽；复合材料

Abrstract

Compared with traditional electromagnetic shielding materials, carbon materials and their composites are proved to be ideal electromagnetic shielding materials because of their unique properties, such as high conductivity, light weight, good chemical properties and excellent mechanical properties. At present, the developed carbon materials include graphene, carbon black, carbon nanotubes, carbon fibers and carbon nanoparticles. In this paper, the synthesis and electromagnetic shielding properties of carbon fillers and their composites are reviewed, and the shielding mechanism is discussed. On this basis, the method of using epoxy resin as matrix, short cut carbon fiber and graphene as reinforcement material and molding technology is proposed. The design scheme of preparing epoxy resin matrix composite material and corresponding test means are proposed. The influence of different carbon fillers on the mechanical properties and electromagnetic shielding properties of epoxy resin matrix composite material is studied, and the short cut carbon fiber and graphene are discussed The effects of carbon fiber aspect ratio, epoxy resin, molding technology and graphene on the properties of the composite.

Key words: Filler; Short cut carbon fiber; Graphene ;Electromagnetic shielding ;composite

目录

第一章 绪论1

1.1 电磁辐射的来源1

1.2 电磁辐射的危害1

1.3 电磁辐射的原理2

1.4 电磁屏蔽材料的分类3

1.4.1 导电填料的种类3

1.4.2 分散导电填料的方法6

1.5 电磁辐射的危害6

1.5.1 石墨烯及其复合材料6

1.5.2 碳纤维及其复合材料8

1.5.3 碳纳米管及其复合材料9

1.5.4 炭黑及其复合材料10

第二章 实验部分11

2.1 实验用原材料简介11

2.1.1 碳纤维12

2.1.2 碳纤维的物理和化学性能12

2.1.3 环氧树脂13

2.1.4 石墨烯13

2.2 实验用原材料13

2.3 实验用仪器设备13

2.4 试样制备14

2.4.1 短切碳纤维/环氧树脂复合材料的制备14

2.1.4 短切碳纤维/石墨烯/环氧树脂复合材料的制备14

2.5 实验用原材料简介15

2.5.1 形貌分析15

2.5.2 电磁屏蔽性能测试15

2.5.3 力学性能测试15

2.5.4 电导率测试15

2.5.4 介电性能测试15

第三章 实验分析与讨论16

3.1 短切碳纤维长径比的影响16

3.2 环氧树脂的影响16

3.3 成型工艺的影响16

3.4 石墨烯的影响17

第四章 结论与展望18

致谢19

参考文献20

第一章 绪论

1.1电磁辐射的来源

随着现代社会科技的发展，电子产品已成为我们日常生活中的一部分。我们在享受电子产品给我们生活带来便捷的同时，由电磁污染所引发的问题也越来越严重。目前，电磁辐射的来源主要分为两大类：天然电磁辐射和人造电磁辐射^[1]。

天然电磁辐射来源于自然界，例如太阳所释放的热量辐射，来着宇宙的各种射线、雷电等。人造电磁辐射来源于人类所制造各种仪器设备，主要包括无线发射电台、医疗及科研设备、还有人们在日常生活中使用的家用电器设备等。电磁波的波长分布范围很大，如下图所示：

图1.1 电磁波波长分布

1.2电磁辐射的危害

随着科技化程度愈来愈高，电磁辐射污染造成了各种问题，不仅会干扰电子设备和仪器的正常运行，还会对人体身心健康造成危害。除此之外，电磁波信息的泄露会导致国家政治、军事和经济等方面情报的泄露，造成国家安全、经济发展不可挽回的损失。

电磁干扰的存在，会使得一些精密的电子设备，如医学仪器、导航设备、科研测试仪器等无法正常使用，甚至可能出现重大事故，造成难易估量的损失。据报道，上世纪六十年代，美军在越南的军事基地，由于军舰上两台电子设备的相互干扰，导致一枚火箭被意外点火，并触发其他导弹爆炸，事故最终造成100多人死亡。

人体若长期暴露在电磁辐射中，身体中的分子会随电磁波强度增加而剧烈运动，分子运动中的相互摩擦将会产生大量热能，对人体造成严重伤害。如长期处在中短波和微波的环境中，人体的中枢神经系统以及交感神经系统会出现机能障碍，主要表现为神经衰落。当人离开辐射环境，大脑得到充分的休息后，症状就会得到缓解。除此之外，微波辐射还有损害人体眼睛，降低精子质量，引起婴儿基因突变，加速人体衰老等危害。所以在一定情况下，对电磁辐射的屏蔽十分有必要。

1.3电磁屏蔽的原理

电磁屏蔽可以定义为：利用屏蔽体大幅衰减被屏蔽区域和外界的电磁能量传播，从而达到有效衰减电磁辐射的目的。

电磁屏蔽材料的电磁屏蔽性能用屏蔽效能（Shielding Efficiency,SE）进行评价，单位为分贝（dB为无量纲单位）。电磁屏蔽理论有很多种，其中传输线理论模型易理解、计算简便，使用最为广泛。如图1.2所示：

图1.2 电磁屏蔽材料屏蔽原理图

电磁屏蔽材料通过三种机制来损耗和衰减电磁波能量：反射损耗、材料的吸收损耗、材料内部的多重反射损耗^[2]。

根据Schelkunoff电磁屏蔽理论^[3]，电磁屏蔽效能可表示为：

SE = R A B （dB） (1.1)

R= 168.2 10lg(σ/fμ) (dB) (1.2)

A = 131.43T(fμ/σ)^1/2 (dB) (1.3)

B = 10lg[1-2×10^-0.1A COS(0.23A) 10^-0.2A] (dB) (1.4)

R为反射损耗；A为吸收损耗；B为吸收损耗；μ为比磁导率；σ为比电导率；f为电磁波的频率；T为电磁屏蔽材料的厚度。

电磁波反射损耗是由于屏蔽材料的波阻抗与空间阻抗不匹配，其中部分传播到屏蔽材料表面的电磁波被反射。波阻抗越大，表面反射损耗就越大。除此之外，还与电磁辐射的类型和入射方式有关。

电磁波的吸收损耗需要屏蔽材料具有磁偶极子或电偶极子，偶极子在磁场作用下极化，从而损耗电磁波能量。吸收损耗与屏蔽材料的厚度、磁导率、电导率、电磁波频率有关。

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