CN108638619B - 一种耐冲击的电磁屏蔽层压板及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐冲击的电磁屏蔽层压板及其制备方法与应用。所述耐冲击的电磁屏蔽层压板包括最外层的两层绝缘树脂层(1)，以及在两层绝缘树脂层(1)之间交替叠放的n+1个碳纤维毡屏蔽层(2)和n个芳纶布增强层(3)，相邻的碳纤维毡屏蔽层(2)和芳纶布增强层(3)之间还设置有一层绝缘树脂层(1)；所述n的取值范围为3≥n≥1。本发明的产品结合了碳纤维毡和芳纶布两者的优点，兼具了优异的电磁屏蔽性能、拉伸性能和耐冲击性能，是一种较薄的、耐腐蚀的新型轻质材料。
Description
技术领域
本发明属于电磁屏蔽材料领域，具体涉及一种耐冲击的电磁屏蔽层压板及其制备方法与应用。
背景技术
随着各种电子设备的问世，电磁辐射污染成为了一种新型的污染。电磁辐射不仅会干扰电子设备的正常运行，而且会危害人体的健康。为了减少电磁辐射对人类生活的影响，一些电磁屏蔽材料如短切碳纤维毡逐渐受到了广泛的关注，如中国专利申请CN201710028677公开了一种短切碳纤维电磁屏蔽复合材料及其制备方法，结构包括外层的两层绝缘树脂层和一层碳纤维毡屏蔽层，具有良好的导电性和电磁屏蔽性能。但是为了追求优异的电磁屏蔽性能，现有技术往往忽视了电磁屏蔽材料的力学性能，而力学性能是电磁屏蔽材料应用到各个领域的基本保证。对于军用飞机、精密电子设备的壳体，除了优异的电磁屏蔽性，良好的耐冲击性也是必备的性能。自1988年以来，由于鸟撞击飞行器而导致死亡的人数已经数以百计。由于碳纤维的脆性性质，使得短切碳纤维毡的耐冲击性很差，其实际应用受到了严重的限制。
芳纶纤维是一种耐腐蚀、耐高温、力学性能优异的新型材料，被广泛的应用到防弹护甲、建筑加固等方面。由于其优异的性能，芳纶纤维可以制成各种防弹衣物、防割手套以及阻燃织物等。但是芳纶纤维在受到长期的可见光照射以及在潮湿环境下吸水后其性能会下降，并且芳纶纤维不导电的性质阻碍其在隐身飞机、精密电子设备壳体等需要电磁屏蔽的领域的应用。中国专利申请CN201210297876.8公开了一种芳纶纤维与碳纤维混编布，解决了碳纤维不耐冲击的问题。但是由于混编布中的芳纶纤维并没有电磁屏蔽的能力，电磁辐射就可以直接通过由芳纶纤维占据的区域，导致了混编布不能屏蔽电磁辐射。因此混编布仅具有抗冲击能力而没有电磁屏蔽的能力。此外，质量轻、耐腐蚀、耐天候性逐渐成为了航空航天领域需要解决的关键技术问题。因此，目前现有技术还缺乏一种兼具耐冲击、电磁屏蔽性能优异、耐腐蚀等优点的材料。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种耐冲击的电磁屏蔽层压板及其制备方法，以及所述耐冲击的电磁屏蔽层压板在航空航天领域的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种耐冲击的电磁屏蔽层压板，包括最外层的两层绝缘树脂层1，以及在两层绝缘树脂层1之间交替叠放的n+1个碳纤维毡屏蔽层2和n个芳纶布增强层3，相邻的碳纤维毡屏蔽层2和芳纶布增强层3之间还设置有一层绝缘树脂层1；所述n的取值范围为3≥n≥1。
优选的，单层的所述碳纤维毡屏蔽层2与单层的所述芳纶布增强层3的质量比为4:9～1:1。
优选的，所述绝缘树脂层1的材料为热塑性树脂，厚度为0.10～0.13mm。
优选的，所述碳纤维毡屏蔽层2由长度为4～8mm的短切碳纤维通过湿法造纸制得，其面密度为40～60g/m2。
优选的，所述芳纶布增强层3是经芳纶纤维丝束编织而成的平纹布。
所述耐冲击的电磁屏蔽层压板的制备方法，包括以下步骤：
(1)按0.09～0.12g/L的比例将短切碳纤维加入0.6～1.4wt％的羧乙基纤维素分散液中，搅拌分散均匀，然后通过湿法造纸抄造成碳纤维毡屏蔽层2；
(2)将n+1个步骤(1)所得碳纤维毡屏蔽层2和n个芳纶布增强层3交替叠放，相邻的碳纤维毡屏蔽层2和芳纶布增强层3之间放置一层绝缘树脂层1，再在所得的多层结构上下表面分别放置一层绝缘树脂层1；
(3)将步骤(2)得到的多层材料进行层压，层压的温度为180～200℃，层压压力为1～6MPa。
优选的，步骤(1)中所述短切碳纤维先用丙酮处理30～50min，再超声波处理40～60min，然后30～50℃下干燥1～2h；所述搅拌速度为600～700rmp，搅拌时间为4～6min。
优选的，步骤(3)层压前先用压辊对多层材料进行来回挤压，排走层间的气体。
一般来说，层压板常通过在每层材料的一面涂上一层水溶性粘胶剂或热熔性粘胶剂来结合各层材料。然而由于芳纶纤维吸水后其力学性能会受到影响，导致了其不适宜使用水溶性粘胶剂。对于热熔性粘胶剂，层压中所使用的热熔温度非常关键。温度不足会使得粘胶剂流动性差，使得材料之间的结合不良，出现分层缺陷，影响材料的机械性能；而温度过高，粘胶剂的流动性过强会带动碳纤维毡屏蔽层往外扩张，从而使得碳纤维毡的导电网状受到破坏，因此电磁屏蔽性能会衰减。而在本发明限定的温度范围内，所得层压板能够同时具有良好的电磁屏蔽性能和机械性能。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过叠加碳纤维毡屏蔽层与芳纶布增强层，使得层压板同时具备了碳纤维毡屏蔽层的电磁屏蔽性和芳纶布增强层的耐冲击性。
(2)层压板的最外层为绝缘树脂层，隔绝了芳纶布增强层与外界空气的接触，克服了芳纶纤维吸水后力学性能会下降的缺点。并且最外层的绝缘树脂层为材料提供了很好的保护作用。
(3)在芳纶布增强层外面有碳纤维毡屏蔽层遮挡光线，解决了芳纶纤维耐光性差的问题。
(4)本发明采用的碳纤维、芳纶纤维均为轻质材料，有利于航天航空领域的发展。
附图说明
图1为本发明实施例1所得耐冲击的电磁屏蔽层压板的结构示意图。
图2为本发明实施例1中的碳纤维毡屏蔽层的SEM图。
图3为本发明芳纶布增强层的结构示意图。
图4为显示了本发明对比例3所得层压板连续导电网络被破坏的数码图片。
图5为显示了本发明对比例4所得层压板分层缺陷的SEM图。
附图标记
1为绝缘树脂层；2为碳纤维毡屏蔽层；3为芳纶布增强层
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种耐冲击的电磁屏蔽层压板，包括最外层的两层绝缘树脂层1，以及在两层绝缘树脂层1之间交替叠放的三个碳纤维毡屏蔽层2和两个芳纶布增强层3，相邻的碳纤维毡屏蔽层2和芳纶布增强层3之间还设置有一层绝缘树脂层1；
所述绝缘树脂层1的材料为聚碳酸酯薄膜，厚度为0.1mm，具有耐腐蚀、耐天候的优点；
所述碳纤维毡屏蔽层由长度为6mm的短切碳纤维制得，面密度50g/m2；
所述芳纶布增强层3是经芳纶纤维丝束编织而成的平纹布。
所述碳纤维毡屏蔽层与芳纶布增强层的质量之比为5:7。
所述耐冲击的电磁屏蔽层压板的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过径向短切技术将连续状态的碳纤维丝束短切为长度为6mm，然后用丙酮溶液浸泡短切碳纤维30min，并进行超声波处理40min以除去短切碳纤维表面的浆料。将处理后的短切碳纤维放置到恒温干燥箱中40℃干燥1h。
(2)称取干燥后的短切碳纤维1.57g，将其放置到15L浓度为1％的羧乙基纤维素分散液中，使用机械搅拌的方式将短切碳纤维均匀分散，搅拌速度为600rmp，搅拌时间为5min。然后通过湿法造纸技术抄造成碳纤维毡屏蔽层2，其碳纤维毡屏蔽层的面密度为50g/m2。
(3)经芳纶纤维丝束编织而成的平纹布作为芳纶布增强层3。
(4)将三个所述碳纤维毡屏蔽层2和两个芳纶布增强层3交替叠放，最外面均为碳纤维毡屏蔽层2。在相邻的碳纤维毡屏蔽层2和芳纶布增强层3之间均放置一个绝缘树脂层1作为粘合剂，粘合之后在其层叠结构的最外层的上下表面放置材料为聚碳酸酯薄膜的绝缘树脂层1作为保护膜，从而获得多层材料。
(5)用压辊对所述多层材料进行来回挤压，以排走层间的气体。然后将多层材料放置到平板硫化机中进行层压，层压的温度为180℃，层压压力为6MPa。
在此实施例中，对耐冲击的电磁屏蔽层压板进行了厚度、密度、电磁屏蔽、拉伸以及冲击测试。测试结果为层压板的厚度为1.02mm，密度为1.27g/cm3。在频率为30-1500MHz的范围内其屏蔽效能达到62dB，即能阻挡99.9％的入射电磁波。拉伸强度为223MPa，冲击峰值力802.9N，冲击损坏面积为255mm2。因此本实施例制备的层压板具有优异的电磁屏蔽性能、拉伸性能和耐冲击性能，是一种较薄的、耐腐蚀的轻质材料。
实施例2
一种耐冲击的电磁屏蔽层压板，包括最外层的两层绝缘树脂层1，以及在两层绝缘树脂层1之间交替叠放的两个碳纤维毡屏蔽层2和一个芳纶布增强层3，相邻的碳纤维毡屏蔽层2和芳纶布增强层3之间还设置有一层绝缘树脂层1；
所述绝缘树脂层1的材料为聚碳酸酯薄膜，厚度为0.12mm，具有耐腐蚀、耐天候的优点；
所述碳纤维毡屏蔽层由长度为8mm的短切碳纤维制得，面密度60g/m2；
所述芳纶布增强层3是经芳纶纤维丝束编织而成的平纹布。
所述碳纤维毡屏蔽层与芳纶布增强层的质量之比为2:3。
所述耐冲击的电磁屏蔽层压板的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过径向短切技术将连续状态的碳纤维丝束短切为长度为8mm，然后用丙酮溶液浸泡短切碳纤维50min，并进行超声波处理60min以除去短切碳纤维表面的浆料。将处理后的短切碳纤维放置到恒温干燥箱中30℃干燥2h。
(2)称取1.884g的短切碳纤维放置到16L浓度为1.4％的羧乙基纤维素分散液中，使用机械搅拌的方式将短切碳纤维均匀分散，搅拌速度为700rmp，搅拌时间为6min。然后通过湿法造纸技术抄造成碳纤维毡屏蔽层2，其碳纤维毡屏蔽层的面密度为60g/m2。
(3)经芳纶纤维丝束编织而成的平纹布作为芳纶布增强层3。
(4)将两个所述碳纤维毡屏蔽层2和一个所述芳纶布增强层3交替叠放，最外面均为碳纤维毡屏蔽层2。在相邻的碳纤维毡屏蔽层2和芳纶布增强层3之间均放置一个绝缘树脂层1作为粘合剂，在所得的多层结构上下表面放置绝缘树脂层1作为保护膜，从而获得多层材料。
(5)用压辊对所述多层材料进行来回挤压，以排走层间的气体。然后将多层材料放置到平板硫化机中进行层压，层压的温度为200℃，层压压力为3MPa。
在此实施例中，对耐冲击的电磁屏蔽层压板进行了厚度、密度、电磁屏蔽、拉伸以及冲击测试。测试结果为层压板的厚度为0.652mm，密度为1.32g/cm3。在频率为30-1500MHz的范围内其屏蔽效能达到53dB，即能阻挡99.9％的入射电磁波。拉伸强度为178MPa，冲击峰值力为545N，冲击损害面积230mm2。因此本实施例制备的层压板具有优异的电磁屏蔽性能、拉伸性能和耐冲击性能，是一种较薄的、耐腐蚀的轻质材料。
实施例3
一种耐冲击的电磁屏蔽层压板，包括最外层的两层绝缘树脂层1，以及在两层绝缘树脂层1之间交替叠放的两个碳纤维毡屏蔽层2和一个芳纶布增强层3，相邻的碳纤维毡屏蔽层2和芳纶布增强层3之间还设置有一层绝缘树脂层1；
所述绝缘树脂层1的材料为聚碳酸酯薄膜，厚度为0.125mm，具有耐腐蚀、耐天候的优点；
所述碳纤维毡屏蔽层由长度为4mm的短切碳纤维制得，面密度40g/m2；
所述芳纶布增强层3是经芳纶纤维丝束编织而成的平纹布。
所述碳纤维毡屏蔽层与芳纶布增强层的质量之比为4:9。
一种如所述耐冲击的电磁屏蔽层压板的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过径向短切技术将连续状态的碳纤维丝束短切为长度为4mm，然后用丙酮溶液浸泡短切碳纤维40min，并进行超声波处理50min以除去短切碳纤维表面的浆料。将处理后的短切碳纤维放置到恒温干燥箱中50℃干燥1h。
(2)称取1.256g的短切碳纤维放置到14L浓度为0.6％的羧乙基纤维素分散液中，使用机械搅拌的方式将短切碳纤维均匀分散，搅拌速度为650rmp，搅拌时间为4min。然后通过湿法造纸技术抄造成碳纤维毡屏蔽层2，其碳纤维毡屏蔽层的面密度为40g/m2。
(3)经芳纶纤维丝束编织而成的平纹布作为芳纶布增强层3。
(4)将两个所述碳纤维毡屏蔽层2和一个所述芳纶布增强层3交替叠放，最外面均为碳纤维毡屏蔽层2。在相邻的碳纤维毡屏蔽层2和芳纶布增强层3之间均放置一个绝缘树脂层1作为粘合剂，在所得的多层结构上下表面放置绝缘树脂层1作为保护膜，从而获得多层材料。
(5)用压辊对所述多层材料进行来回挤压，以排走层间的气体。然后将多层材料放置到平板硫化机中进行层压，层压的温度为190℃，层压压力为1MPa。
在此实施例中，对耐冲击的电磁屏蔽层压板进行了厚度、密度、电磁屏蔽、拉伸以及冲击测试。测试结果为层压板的厚度为0.660mm，密度为1.21g/cm3。在频率为30-1500MHz的范围内其屏蔽效能达到49dB，即能阻挡99.9％的入射电磁波。拉伸强度为172.2MPa，冲击峰值力为536.8N，冲击损害面积239mm2。因此本实施例制备的层压板具有优异的电磁屏蔽性能、拉伸性能和耐冲击性能，是一种较薄的、耐腐蚀的轻质材料。
对比例1
一种耐冲击的层压板，除了把碳纤维毡屏蔽层2全部去除，其余条件和制备方法参见实施例2。
在对比例1中，材料在频率为30-1500MHz的范围内其屏蔽效能为0.24dB，即仅能阻挡5.4％的入射电磁波，可见对比例1制备的层压板的电磁屏蔽性能远差于实施例2，本发明中碳纤维毡屏蔽层2使层压板电磁屏蔽性能得到了极大的提升。
对比例2
一种耐冲击的层压板，除了把芳纶布增强层3全部去除，其余条件和制备方法参见实施例2。
在对比例2中，材料测试得到的冲击峰值力仅为213N，冲击损害面积扩大为850mm2，可见对比例2制备的层压板的冲击性能远差于实施例2，本发明中芳纶布增强层3使层压板力学性能得到了极大的提升。
对比例3
一种耐冲击的电磁屏蔽层压板，包括最外层的两层绝缘树脂层1，以及在两层绝缘树脂层1之间交替叠放的两个碳纤维毡屏蔽层2和一个芳纶布增强层3，相邻的碳纤维毡屏蔽层2和芳纶布增强层3之间还设置有一层绝缘树脂层1；
层压的温度为230℃，其余条件和制备方法参见实施例2。
在对比例3中，如图4所示，肉眼能观察到由于层压温度过高而产生的碳纤维导电网络的破坏。经过电磁屏蔽测试，材料在频率为30-1500MHz的范围内其屏蔽效能为36dB。可见对比例3制备的层压板的电磁屏蔽性能远差于实施例2，在本发明所限定的层压温度范围内可以防止层压板电磁屏蔽性能的衰减。
对比例4
一种耐冲击的电磁屏蔽层压板，包括最外层的两层绝缘树脂层1，以及在两层绝缘树脂层1之间交替叠放的两个碳纤维毡屏蔽层2和一个芳纶布增强层3，相邻的碳纤维毡屏蔽层2和芳纶布增强层3之间还设置有一层绝缘树脂层1；
层压的温度为160℃，其余条件和制备方法参见实施例2。
在对比例4中，如图5所示，通过扫描电子显微镜可以观察到层压板出现了分层的缺陷。经过力学性能测试，材料的拉伸强度为121MPa，冲击峰值力为412N，冲击损害面积扩大到407mm2。可见对比例4制备的层压板的力学性能远差于实施例2，在本发明所限定的层压温度范围内可以防止层压板力学性能的衰减。
下表对实施例1～3和对比例1～4的部分重要参数和技术效果进行了总结。
表1实施例1～3和对比例1～4的重要参数和技术效果
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种耐冲击的电磁屏蔽层压板，其特征在于，包括最外层的两层绝缘树脂层(1)，以及在两层绝缘树脂层(1)之间交替叠放的n+1个碳纤维毡屏蔽层(2)和n个芳纶布增强层(3)，相邻的碳纤维毡屏蔽层(2)和芳纶布增强层(3)之间还设置有一层绝缘树脂层(1)；所述n的取值范围为3≥n≥1；
所述耐冲击的电磁屏蔽层压板的制备方法包括以下步骤：
(1)按0.09～0.12g/L的比例将短切碳纤维加入0.6～1.4wt％的羧乙基纤维素分散液中，搅拌分散均匀，然后通过湿法造纸抄造成碳纤维毡屏蔽层(2)；
(2)将n+1个所述碳纤维毡屏蔽层(2)和n个芳纶布增强层(3)交替叠放，相邻的碳纤维毡屏蔽层(2)和芳纶布增强层(3)之间放置一层绝缘树脂层(1)获得多层结构，在所述多层结构上下表面分别放置一层绝缘树脂层(1)获得多层材料；
(3)将所述多层材料进行层压，层压的温度为180～200℃，层压压力为1～6MPa。
2.根据权利要求1所述的一种耐冲击的电磁屏蔽层压板，其特征在于，单层的所述碳纤维毡屏蔽层(2)与单层的所述芳纶布增强层(3)的质量比为4:9～1:1。
3.根据权利要求1所述的一种耐冲击的电磁屏蔽层压板，其特征在于，所述绝缘树脂层(1)的材料为热塑性树脂，每层厚度为0.10～0.13mm。
4.根据权利要求1所述的一种耐冲击的电磁屏蔽层压板，其特征在于，所述碳纤维毡屏蔽层(2)由长度为4～8mm的短切碳纤维通过湿法造纸制得，其面密度为40～60g/m2。
5.根据权利要求1所述的一种耐冲击的电磁屏蔽层压板，其特征在于，所述芳纶布增强层(3)是经芳纶纤维丝束编织而成的平纹布。
6.根据权利要求1所述的一种耐冲击的电磁屏蔽层压板，其特征在于，步骤(1)中所述短切碳纤维先用丙酮处理30～50min，再超声波处理40～60min，然后30～50℃下干燥1～2h；所述搅拌速度为600～700rmp，搅拌时间为4～6min。
7.根据权利要求1所述的一种耐冲击的电磁屏蔽层压板，其特征在于，进行所述层压前先用压辊对多层材料进行来回挤压，排走层间的气体。
8.权利要求1～7任一项所述的一种耐冲击的电磁屏蔽层压板在航空航天领域的应用。
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