随着现代化电子产品、通讯技术以及检测技术的大量应用,电磁辐射污染日益加剧,危害严重。在此背景下,开发高性能的电磁屏蔽材料是实现电磁污染防护的关键。导电聚合物复合材料(Conductive Polymer Composites,CPCs)具有质量轻、易加工、成本低、化学稳定性强、吸收波段宽和电导率可灵活调控等优点,在电磁屏蔽领域具有广阔的应用前景。用于制备CPCs的众多导电填料中,碳纳米管、石墨烯以及碳纳米纤维等新型碳纳米材料凭借自身超高长径比的结构特性、优异的电学和力学性能,逐渐成为人们关注的明星填料。然而,目前在碳纳米材料填充CPCs的制备和性能方面仍存在一些问题。首先,由于碳纳米填料具有高长径比和大比表面积的结构特性,在基体中容易团聚,限制了它们发挥结构和性能上的优势。其次,日益复杂的应用环境对屏蔽材料的性能提出了新的要求,如要求屏蔽效能更高、质量更轻,并兼具隔热保温等多功能性。微孔发泡为实现CPCs进一步轻量化提供了有效途径,同时微孔结构的引入能赋予CPCs全新的功能特性。但是,发泡工艺条件对微观形貌的影响规律、微孔发泡CPCs的功能属性与泡孔结构的关系、发泡行为对导电填料分布和CPCs性能的影响规律、多维度混合填料对复合材料泡沫结构和性能的潜在协同作用等基础科学和技术问题需要得到解决。最后,具有随机分散结构的传统CPCs通常需要很高的填料添加量才能获得令人满意的电导率和电磁屏蔽性能,这直接导致了加工性能的下降和生产成本的提高,不利于CPCs的商业应用。因此,提高碳纳米填料的聚合物基体中的分散性及设计复合材料的结构,获得高性能的电磁屏蔽材料十分迫切和必要。用于制备CPCs的聚合物基体有很多,其中强度高、光稳定性强、生物兼容性良好的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是最常用的基体之一。PMMA不仅具有良好的介电性能,而且对红外光有较强的吸收作用,适合用作吸波或隔热材料。此外,PMMA中的羰基对CO2具有较强的吸附能力,在超临界CO2微孔发泡时发泡温度窗口较宽,更便于设计和制备轻质电磁屏蔽材料。因此,本文以PMMA为聚合物基体、多壁碳纳米管(MWCNTs)为主要的碳纳米导电填料,结合超临界CO2微孔发泡技术,开发制备了具有良好力学性能、高电导率和电磁屏蔽性能的轻质复合材料泡沫。主要研究工作如下:(1)采用熔融共混-注塑成形(MI)、熔融共混-热压成形(MC)、溶液共混-热压成形(SC)和溶液共混-熔融共混(SM)四种方法分别制备了PMMA/MWCNTs复合材料,研究了制备方法对碳纳米管分散、取向、长径比以及对复合材料力学、电学和电磁屏蔽性能的影响规律。研究表明,共混方式主要影响碳纳米管纳米尺度上的分散效果,而成形方式主要影响碳纳米管微米尺度上的取向和宏观分布。与熔融共混相比,溶液共混可以使MWCNTs分散得更为均匀。注塑成形会引起碳纳米管及其团聚体发生明显取向,而热压成形能使碳纳米管随机取向。虽然SM试样的碳纳米管长度有所减小,但分散最均匀、导电网络最完善,因此其逾渗阈值最低、力学性能最佳、电导率和屏蔽效能最高。(2)通过控制超临界CO2微孔发泡过程中的发泡温度、饱和压力和碳纳米管含量,制备了一系列泡孔结构广泛可调的PMMA/MWCNTs复合材料泡沫样本,并对泡沫的泡孔结构、电导率和电磁屏蔽效能进行了表征,系统地研究了复合材料泡沫中“发泡条件-微观结构-电逾渗行为-电磁屏蔽性能”之间的关系。研究结果表明,发泡不仅能降低复合材料的密度,而且能使碳纳米管再分布和再分散,促进连续导电网络的形成,使复合材料泡沫的逾渗阈值显著减小。存在使复合材料电导率产生最大值的最佳发泡倍率,而且这个最佳发泡倍率随碳纳米管含量提高而增大。此外,泡孔结构能使电磁波在多孔材料内部进行多次的反射和散射,提高了吸收部分对总电磁屏蔽效能的贡献。因此,电导率提高和微孔结构协同作用提高了复合材料泡沫的屏蔽性能。(3)采用超临界CO2微孔发泡制备了大倍率PMMA/MWCNTs复合材料泡沫,研究了复合材料泡沫的泡孔结构、电性能和机械性能;分别计算了泡沫材料的气相热传导、固相热传导和热辐射,研究了泡孔结构和碳纳米管含量对泡沫隔热性能的影响。研究结果显示,碳纳米管改善了 PMMA泡沫的隔热性能,复合材料泡沫的热导率明显低于纯PMMA泡沫,而且随碳纳米管含量不断降低。存在使复合材料泡沫热导率最小的最佳发泡倍率。随MWCNTs含量增加,最佳发泡可达30倍以上。此外,碳纳米管减小了泡孔尺寸、增强了泡壁,从而增强了复合材料泡沫的机械性能。(4)通过溶液涂覆、热压成形以及超临界CO2微孔发泡,设计和制备了一种兼具隔离导电网络和梯度泡孔结构的新型轻质PMMA/MWCNTs复合材料泡沫,并对其导电性能、电磁屏蔽性能和力学性能进行了研究。与随机弥散PMMA/MWCNTs复合材料相比,隔离结构复合材料逾渗阈值更低,并且在碳纳米管体积含量较低的情况下就能获得较高的电导率和电磁屏蔽效能。这充分证实了隔离结构的优越性。由于溶液涂覆过程使碳纳米管浓度沿PMMA微球径向梯度分布,在每个发泡后的PMMA微粒区周围产生了三峰梯度泡孔结构。梯度泡孔结构允许更多入射波进入泡沫材料内部,而且提供了大量界面对进入泡沫的电磁波进行反射和衰减,使该复合材料泡沫的电磁屏蔽机制以吸收为主。隔离结构和梯度泡孔结构之间的协同效应显著提高了 PMMA/MWCNTs复合材料泡沫的比电磁屏蔽效能,使该泡沫材料更适合用作轻质吸波材料。(5)研究了一维MWCNTs和二维石墨烯纳米片(GNPs)作混合填料对PMMA复合材料以及微孔发泡复合材料力学性能、电性能和电磁屏蔽性能的潜在影响作用,确定了混合填料的最佳成分配比,揭示了混合填料协同作用的机理。结果表明,在实心复合材料中,MWCNTs-GNPs混合填料对力学性能具有协同作用,但只有MWCNTs:GNPs(3:1)混合填料对增强电性能和电磁屏蔽性能表现出协同效应。超临界CO2发泡过程使GNPs原位剥离成更多、更薄的石墨烯片,并且引起混合填料发生取向和再分布。同时,MWCNTs在变薄的石墨烯之间充当桥梁,为电子传递提供通道。在相同填料含量下,三元双峰复合材料泡沫比以MWCNTs或GNPs为单一填料的均峰泡孔复合材料泡沫具有更高的电导率和电磁屏蔽效能。这说明,MWCNTs和GNPs这两种不同结构的混合填料在影响复合泡沫体系的电性能和电磁屏蔽性能具有协同效应。