摘要介绍碳纤维材料的性能及其主要用途，并简要分析电磁屏蔽原理。综述了碳纤维作为电磁屏蔽材料的主要应用形式以及研究现状。
关键词碳纤维复合材料电磁屏蔽
Abstract: In this paper, carbon fiber property and its main application are introduced briefly, and the principle of EMS(Electromagnetic shielding) is analyzed in brief. Then the development and applications of carbon fiber in EMS composites are reviewed in detail.
Key word: carbon fiber composites EMS(Electromagnetic shielding)汽车碳纤维
前言
碳纤维（Carbon Fiber）主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上[1,2]。碳纤维呈黑，密度比金属铝低，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性。既有碳材料“硬”的固有特征，又兼备纺织纤维“柔”的可加工性，是新一代军民两用新材料，广泛应用于航空、航天、交通、体育休闲用品、医疗、机械、纺织等各领域。碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面发挥着重要作用，对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要
意义。
1 碳纤维产品特性及其产品用途
碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。
碳纤维与钻石一样，是主要由碳元素组成的物质，碳纤维主要具备以下特性：①轻质高强，其比重为铁的四分之一，比强度为铁的10倍，，尤其是高弹模量碳纤维，其抗拉强度比钢材大68倍，弹性模量比钢材大1.8～2.6倍。如日本东丽已开发出高强型T1000系列碳纤维，其抗拉模量为295Gpa，拉伸强度达7.05GPa，而高强高模M5J型碳纤维，抗拉模量达640GPa，抗拉强度为3.62GPa；②化学性能非常稳定，耐高温和低温以及耐腐蚀性高，在600℃高温下其性能保持不变，在-180℃温度下仍很柔韧，不与恶劣环境下酸、碱、盐发生腐蚀性反应；③可加工性能好，例如，由于碳纤维布质轻又可折可弯，能适应不同构件形状，成型很方便。可根据受力需要粘贴若干层，而且施工时不需要大型设备，也不需要采用临时固定，对原结构无新的损伤。此外，碳纤维的其他特性还包括高强度的X
射线穿透性、较高的抗热、导电性及抗磨蚀性能等。[3,4]
碳纤维的特性决定了它们可以被应用于很多领域，碳纤维是上世纪50年代初应火箭、宇航及航空等尖
端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力研究，碳纤维的性能也不断完善和提高。20世纪80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段[7]。目前应用最多的领域主要分布在航空航天、体育运动休闲、交通运输、机器及家电零部件、土木
球拍框架的材料。而在航空航天应用中，2005年随着新型空中客车A350和波音787客机Dreamliner(也称7E7)投产，对碳纤维工业产生显著的推进作用。A350中碳纤维复合材料用量已接近总重量40；波音
787的机翼和机身上使用复合材料超过了50%。波音和空中客车每年交付使用客机大约250～350架。可以预计，未来碳纤维市场需求潜力非常巨大[8,10]。碳纤维在其他领域的应用也越来越多，具体见表1[9]。例如在汽车制造业中，由于碳纤维的轻质高强的特性，因此它已成为各大汽车制造商在选用内外装饰材料时的首选。据悉，福特和保时捷生产的GT型赛车发动机机罩已全部采用碳纤维材料；奔驰的57S型轿车原来内装饰全部是木质材料，现在则被碳纤维替代；通用的雪佛莱轿车底盘的内装饰材料也采用碳纤维；宝马公司将M6型轿车的顶篷全部采用碳纤维，并进行技术处理，使其保持金属材料的光泽[10]。
表1 国内碳纤维主要应用领域市场划分应用领域
成熟市场航空、航天及国防领域：飞机、卫星、火箭、导弹、雷达等
体育休闲用品：高尔夫球杆、渔具、网球拍、羽毛球杆、箭杆、自行车、赛艇等
新兴市场碳纤维基增强工程塑料、压力容器、建筑补偿、风力发电叶片、摩擦材料、深海油田的钻井平台等
待开发市场汽车零部件、医疗器械等
2 碳纤维电磁屏蔽复合材料简介
2.1 电磁屏蔽材料发展现状
随着现代高新技术的发展，电磁波引起的电磁干扰(EMI)与电磁兼容(EMC)问题日益严重，在继噪音污染、空气污染以及水污染之后，电磁波污染成为威胁人类健康的第四大公害。世界各国先后通过立法和制定标准来规范各类电子产品电磁辐射剂量，我国也颁布了一系列行业性的电磁辐射防护规定。因此，人们研究了适用于不同领域的各种电磁屏蔽技术，如电磁屏蔽纸技术、板材技术、薄膜技术和织物技术等。屏蔽材料是电磁屏蔽设计的关键，材料选取的好坏会直接影响到实际的屏蔽效果。而采用电磁屏蔽材料和制造电子设备的壳体（罩）电磁屏蔽也是较行之有效的技术途径之一。由于电磁屏蔽材料在社会生活、经济建设和国防建设中的重要作用，因而其研发愈发成为人们关注的重要课题[11]。
根据当前电磁屏蔽材料的研究进展，电磁屏蔽材料主要有表面导电型和填充复合型两大类。表面导电型是利用贴金属箔、金属熔融喷涂和非电解电镀等方法使塑料表面获得很薄的导电金属层。表面涂层和表面喷镀已得到广泛应用，但导电层经长时间使用后易发生剥离和脱层现象。碳纤维与聚合物复合主要为填充复合型，填充复合型是在非导电性材料中加入导电填料，按成型工艺可区分为填充型、复合材料型。填充复合型是将导电填料与聚合物树脂基体复合为一体形成屏蔽材料。导电填料一般选用导电性能优良的大尺寸的纤维状或片状材料，如金属纤维或碳纤维。与表面导电型屏蔽材料相比，填充复合型具有一次成型的特点，质量可靠。因此也是最具有发展前途的屏蔽材料。特别是碳纤维的加入，不仅会赋予其导电和屏蔽性能，而且将使其力学性能大大提高。其中碳纤维在屏蔽材料中的应用
主要为填充复合型。
2.2 电磁屏蔽原理
电磁屏蔽，即利用屏蔽体的反射、衰减等使得电磁辐射场源所产生的电磁能流不进入被屏蔽区域。通常，屏蔽材料对空间某点的屏蔽效果用屏蔽效能SE(Shielding Effectiveness,dB)表示[12]：
020()SE lg E E =
其中：E 0是无屏蔽材料时该点场强；
E 是有屏蔽体后该点场强。
在工程应用中，根据S. A. Schelkunoff 电磁屏蔽理论，屏蔽效能SE 可以表示为未被反射而进入屏蔽体的吸收损耗A ，在入射表面的反射损耗R 与在屏蔽体内部的多重反射损耗B 之和。即：SE=A+R+B ，当A10dB 以上时B 可忽略不计，则屏蔽效能SE 可以用下式表示[11]：
5010  1.7SE lg f ρ=++B （）式中：f ——电磁波频率，Hz ；
t ——厚度，mm  ；
ρB — 体积电阻率，Ω·cm 。
其中吸收损耗A 与屏蔽材料厚度成正比，磁导率、电导率越高的材料，其吸收损耗也越大。反射损耗R 随着电导率的升高而增大，因此金、银、铜等良导体金属材料都具有良好的反射特性。多次反射损耗B 在A >10dB 时，一般可以忽略不计。另外在频率较低时，屏蔽效能以R 为主，在频率较高时，A 会起主导作用。根据实际需要，大多数电子产品的屏蔽材料处在30～1000MHz 的频率范围内，其SE 值至少要达到35dB 以上，才可以认为是有效屏蔽[12]。
对于屏蔽体来说，所选择的材料对其性能和成本影响极大。良好的屏蔽材料能反射大部分入射电磁波，而吸收其很小的一部分。这部分电磁波在屏蔽材料内部的多次反射过程中被耗散，仅有极少部分进入电子设备内部。而碳纤维作为电磁屏蔽材料应用研究的主要目的是通过不同的复合工艺使碳纤维在聚合物中形成导电网络，提高聚合物的电导率，同时可增加力学性能。
3 碳纤维电磁屏蔽材料的应用形式
目前碳纤维电磁屏蔽材料的应用形式主要分为填充型和复合材料型两种。
3.1 填充型
填充型屏蔽材料由导电填料和合成树脂通过混炼造粒后，用塑料加工工艺，
如注射成型、挤出成型或压塑等方法而制成。碳纤维与其他填充材料比较，具有质量轻、混合均匀的优点。碳纤维被短切为几毫米长的短纤维与树脂混合后可加工成薄膜、平板等型材或直接成型屏蔽壳体。一般情况下，为了增加纤维的导电性能，碳纤维常与导电碳黑、金属粉末等其他填料配合使用。
广东工业大学赵灵智等人[12]在无纺布上用磁控溅射镀和多弧离子镀技术制备的单层Ni膜，经中国上海测试中心(MA)检测，当频率为10MHz时，屏蔽效能为34.7dB，被屏蔽99.97%；在30、100、300、1000、3000 (MHz)时屏蔽效能均在33.5dB以上，被屏蔽电磁波均达99.96%以上。美国氰胺公司采用直径为710μm，镀层厚为0.5μm的镀镍石墨纤维作为填料，在ABS塑料中的质量分数为40%时，所制得的塑料具有很好的屏蔽效果(在1GHz时可达80dB)。镀镍石墨纤维不仅导电性能好，不生锈，而且还能提高塑料的机械强度[13]。高艳秋等人的研究表明[14]，镀镍碳纤维也有很好的导电性能，体积电阻率可达到10-4Ω·cm，镀镍碳纤维树脂基复合材料的屏蔽效果在108Hz时高达70dB以上。将质量分数为3/20的镀镍碳纤维与尼龙、PC(聚碳酸酯)以及改性PS(聚苯乙烯)等树脂复合制成的屏蔽材料，不仅屏蔽效果好 (可达44dB)，而且具有优良的耐老化性能，在60℃和相对湿度为90%的条件下，经2000h耐久试验，其导电性能基本稳定。其缺点是成本较高，对塑料的增强效果不明显。美国氰胺公司采用直径为7μm，镀层厚为0.5μm的镀镍石墨纤维作为填料，在ABS树脂中的填充质量分数为2/5时，制得的塑料具有很好的屏蔽效果(在1GHz时可达80dB) [15]。台湾CHI-YUANHUANG等人[16]制备了化学镀镍
的碳纤维。ABS复合材料和碳纤维/ABS化合物，研究了微观结构对其物理性能的影响，在30～1000MHz时SE最高达47dB；研究了热处理对化学镀沉积Ni-P碳纤维。ABS化合物的电磁屏蔽性能影响规律，在600℃时电阻率达到最小。
3.2复合材料型
复合材料型是指用连续碳纤维长丝增强合成树脂，采用复合材料成型工艺，如SMC(片状模塑料)、预浸料铺层等方法制造复合材料壳体。复合材料的特点是材料与制品同时作用的结果，优点是可以使用连续长纤维，可设计强度，具有优良的力学性能。碳纤维的主要用途是与树脂、会属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要