一种取向硬碳纤维与金属复合电磁屏蔽材料的制备方法

本发明属于电磁屏蔽复合材料，具体涉及一种取向硬碳纤维与金属复合电磁屏蔽材料的制备方法。

背景技术：

1、5g通信技术的飞速发展和wi-fi便携式设备市场的快速扩展使得空间中的电磁波过度密集，这些电磁波会在一定程度上扰动不同波段的通信渠道，并且充斥在生活各方面的电子设备中。高度集成电路所产生的电磁辐射可能导致周围设备功能故障，甚至可能干扰系统自身的正常运转，所以电磁屏蔽材料被认为是损耗电磁波的必要条件。由无线电干扰主要产生的损坏效应主要有：瞬变干扰、高压击穿、浪涌冲击等，且对人体健康也会产生很大的影响，长时间暴露在电磁波辐射下还可能会诱发某些致癌性疾病。因此，对于电磁辐射的控制和管理成为了一个关键性的技术挑战。上述问题促使研究人员尝试并开发具有广泛应用范围的电磁屏蔽材料。

2、早期的电磁屏蔽材料具有刚性大、密度高、易腐蚀、易氧化的特点，限制了其应用市场的发展。主要包括金属型(铁、银、镍、铜、铝等)，它们具有良好的电磁场和静电场屏蔽性能；金属表面敷层型(电镀、化学镀)形成导电层；填充复合型(以高分子树脂为基体)掺杂一定量的导电填料(碳黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维等；其中聚合物基电磁屏蔽复合材料主要是由聚合物基体与导电、导磁填料组成，具有可加工性强、柔性良好、生产成本较低的特点，但金属粒子填料的制备成本较高并且存在分散性较差的问题。

3、金属基电磁屏蔽材料，因其出色的导电性而广泛应用于电磁屏蔽领域，提供了高效的反射损耗和良好的屏蔽效果。然而，这些材料通常存在一些缺陷性，金属基材料在屏蔽高频信号时可能会因趋肤效应而降低屏蔽效能，且在某些特定应用中，金属屏蔽材料可能不适用于对重量或柔韧性有特殊要求的环境。例如，液态金属基材料虽然具有可裁切和高压缩回弹性，但加工性和长期稳定性可能受到其流动性和表面张力的影响。因此，在选择和应用金属基电磁屏蔽材料时，需要综合考虑其性能优势和潜在缺陷。

技术实现思路

1、为了克服以上现有技术存在问题，本发明的目的在于提供一种取向硬碳纤维与金属复合电磁屏蔽材料的制备方法，该制备方法具有良好的可控性，能够灵活控制纤维膜材料的厚度，并且对样品进行碳化处理在提高其导电性的同时也保持了聚合物基材料优异的柔性。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种取向硬碳纤维与金属复合电磁屏蔽材料的制备方法，包括以下步骤；

4、步骤(1)：合成聚酰胺酸溶胶，得到聚酰胺酸前驱体；

5、步骤(2)：将聚酰胺酸前驱体静电纺丝得到聚酰胺酸纤维膜；

6、步骤(3)：对电纺聚酰胺酸纤维膜进行热酰亚胺化，得到聚酰亚胺纤维膜；

7、步骤(4)：将聚酰亚胺纤维膜固定在两块抛光的人造石墨板上，使用真空管式炉在氩气气氛下进行高温碳化处理；

8、步骤(5)：对不同温度碳化后的聚酰亚胺纤维膜进行等离子磁控溅射金属，得到聚合物基电磁屏蔽复合材料。

9、所述步骤(1)中，采用原位聚合法将4,4’-二氨基二苯醚溶于n,n-二甲基甲酰胺中并超声5-10min得到二胺分散液，再将均苯四甲酸二酐分四次加入到二胺分散液中，外加剪切力搅拌2-3h得到聚酰胺酸溶胶。

10、所述4,4’-二氨基二苯醚与均苯四甲酸二酐的比例为1:1.02，溶解在35-36ml n,n-二甲基甲酰胺中；

11、聚酰胺酸溶胶的固含量为10-15wt％。

12、所述步骤(2)中，使用5ml一次性无菌注射器针筒吸取pi溶胶，安装23g不锈钢静电纺丝针头，23g针头纺丝纤维直径在1μm左右，能够提供较大的比表面积，为后续磁控溅射金属离子提供丰富的附着位点，并设置静电纺丝机，速度350-400mm/min，行程设定70-80mm，接收速度140r/min，正电压10.8(±2)kv，负电压-2.8(±0.5)kv，静电纺丝9-10小时，按照此参数制备的聚酰胺酸纤维膜较为均匀，针头附近无液滴飘洒，并且在其上溅射金属后的厚度与商业屏蔽材料相近，能够更好的满足市场需求。

13、所述步骤(3)在精密高温干燥箱中80℃烘干5小时，接着150℃、200℃、250℃、300℃、350℃各烘干一小时后取出。

14、所述步骤(4)中，使用真空管式炉在氩气气氛下高温碳化800℃-1400℃，所有样品在最终温度下保温1小时并冷却至室温。

15、所述步骤(5)中对不同温度碳化后的硬碳纤维膜的双面进行磁控溅射金属，金属为铜、金，时间为180s。

16、所述等离子磁控溅射具体步骤：(1)真空环境：需要一个高真空室为溅射提供低压环境。(2)靶材准备：规格为直径50mm，厚度0.2mm.(3)气体引入：向真空室中引入氩气为工作气体。(4)溅射参数控制：控制溅射时间及电流大小，以调节薄膜的生长速率和质量。

17、所述聚合物基电磁屏蔽复合材料中，聚酰亚胺(pi)纤维的直径1μm，电纺纤维表面出现凹坑，表面粗糙，电纺纤维表面的粗糙形态使静电纺丝pi纤维膜对液体有着良好的附着力。

18、本发明的有益效果：

19、本发明以静电纺丝聚酰亚胺纤维膜为基材，通过不同的碳化温度对其进行热处理，最后等离子磁控溅射金属铜和金，获得了一种聚合物基电磁屏蔽复合材料。

20、本发明制备的这种屏蔽复合材料成本低，柔韧性好，可耐弯曲、折叠而不易损坏。同时在8-12ghz的频率范围内，能够屏蔽99.22％的电磁波，本发明在航空航天、具有潜在的应用价值，利用这种柔性聚合物基复合材料和生产兼容的成型工艺，在一定程度上突破了传统金属基屏蔽材料的局限性，从而为电磁屏蔽领域的发展提供新的思路。

技术特征：

1.一种取向硬碳纤维与金属复合电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；

2.根据权利要求1所述的一种取向硬碳纤维与金属复合电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，采用原位聚合法将4,4’-二氨基二苯醚溶于n,n-二甲基甲酰胺中并超声5-10min得到二胺分散液，再将均苯四甲酸二酐分四次加入到二胺分散液中，外加剪切力搅拌2-3h得到聚酰胺酸溶胶。

3.根据权利要求2所述的一种取向硬碳纤维与金属复合电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述4,4’-二氨基二苯醚与均苯四甲酸二酐的比例为1:1.02，溶解在35-36ml n,n-二甲基甲酰胺中；

4.根据权利要求1所述的一种取向硬碳纤维与金属复合电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，使用5ml一次性无菌注射器针筒吸取pi溶胶，安装23g不锈钢静电纺丝针头，并设置静电纺丝机，速度350-400mm/min，行程设定70-80mm，接收速度140r/min，正电压10.8(±2)kv，负电压-2.8(±0.5)kv，静电纺丝9-10小时。

5.根据权利要求1所述的一种取向硬碳纤维与金属复合电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)在精密高温干燥箱中80℃烘干5小时，接着150℃、200℃、250℃、300℃、350℃各烘干一小时后取出。

6.根据权利要求1所述的一种取向硬碳纤维与金属复合电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，使用真空管式炉在氩气气氛下高温碳化800℃-1400℃，所有样品在最终温度下保温1小时并冷却至室温。

7.根据权利要求1所述的一种取向硬碳纤维与金属复合电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中对不同温度碳化后的硬碳纤维膜的双面进行磁控溅射金属，金属为铜、金。

8.根据权利要求7所述的一种取向硬碳纤维与金属复合电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述等离子磁控溅射具体步骤：

9.根据权利要求1-8任一项所述方法制备的聚合物基电磁屏蔽复合材料，其特征在于，所述聚合物基电磁屏蔽复合材料中，pi纤维的直径1μm，电纺纤维表面出现凹坑，表面粗糙，纤维表面的粗糙形态使静电纺丝pi纤维膜对液体有着良好的附着力。

技术总结本发明公开了一种取向硬碳纤维与金属复合电磁屏蔽材料的制备方法，包括以下步骤；步骤(1)：合成聚酰胺酸溶胶，得到聚酰胺酸前驱体；步骤(2)：将聚酰胺酸前驱体静电纺丝得到聚酰胺酸纤维膜；步骤(3)：对电纺聚酰胺酸纤维膜进行热酰亚胺化，得到聚酰亚胺纤维膜；步骤(4)：将聚酰亚胺纤维膜固定在两块抛光的人造石墨板上，使用真空管式炉在氩气气氛下进行高温碳化处理；步骤(5)：对不同温度碳化后的聚酰亚胺纤维膜进行等离子磁控溅射金属，得到聚合物基电磁屏蔽复合材料。本发明具有良好的可控性，能够灵活控制纤维膜材料的厚度，并且对样品进行碳化处理在提高其导电性的同时也保持了聚合物基材料优异的柔性。技术研发人员：刘晓旭,胡雨欣,赵佳豪受保护的技术使用者：陕西科技大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4