Ni@CaSiO3核壳结构复合材料的制备及其电磁屏蔽性能研究

来源 :北京工商大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liqiusheng2009
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材料的结构对于获得高性能电磁屏蔽复合材料有着至关重要的作用。硅酸钙作为一种新型无机材料,由于制备方法的不同可以得到不同形貌和结构的硅酸钙粒子(银耳状多孔疏松型、棒状致密型等),但是电绝缘性限制了其在电学以及电磁屏蔽领域的应用。通过对具有不同形貌和结构的硅酸钙进行金属化修饰以赋予其前所未有的电/磁特性,具有重要的研究意义。本论文设计并制备了具有不同形貌和结构的镀镍硅酸钙核壳结构电磁屏蔽复合材料,探讨并比较了他们的电磁特性,系统地研究了微观形貌和结构特征对电磁屏蔽性能的影响规律,揭示了电磁屏蔽机理。主要研究内容包括:(1)通过水热法合成了具有疏松多孔内部和表面褶皱结构的银耳状硅酸钙(PCS),以此为内核材料,再通过化学镀镍的方法在PCS表面包覆金属镍(Ni),成功制得了具有核壳结构的花椰菜形镀镍多孔硅酸钙(Ni@PCS)功能复合材料,研究了所制备Ni@PCS的电磁屏蔽性能,并讨论了相应的电磁屏蔽机理。结果表明,金属镍的成功修饰赋予了PCS优异的电磁特性,使得所制备的Ni@PCS在X波段频率下可获得64.6 d B/mm的出色比电磁屏蔽效能。这归因于具有高电导率和磁导率的金属镍壳造成了大部分电磁波能量的反射损耗和磁损耗,以及镍壳和PCS核之间的界面产生界面极化损耗,银耳状PCS的疏松多孔结构产生内部多重反射损耗。在上述基础之上,选择具有棒状致密结构的硅酸钙(RL-CS)为内核材料进行化学镀镍,获得了一维蠕虫状镀镍硅酸钙(Ni@RL-CS)核壳结构复合材料,研究并比较了Ni@RL-CS与Ni@PCS的电磁特性。结果表明,Ni@RL-CS的电导率高达422.77 S/cm,比Ni@PCS的电导率(24.95 S/cm)提高了1594.5%;其比电磁屏蔽效能达到111.0 d B/mm,比Ni@PCS提高了71.8%。造成如此大的差异是因为还原的镍颗粒在RL-CS表面附着的同时还在其两端延伸生长形成了镍链,使其拥有了更高的镍负载量,从而大幅提高了材料的电导率和电磁屏蔽性能。实验表明硅酸钙材料的不同形貌和结构对材料的电磁屏蔽性能有着重要的影响。(2)以评估镀镍硅酸钙核壳结构复合材料作为功能填料填充改性聚合物电磁屏蔽性能的效果为目的,将所制备的Ni@PCS和Ni@RL-CS分别填充到热塑性聚氨酯(TPU)中,通过溶液共混流延法制备了柔性TPU/Ni@PCS,TPU/Ni@RLCS复合膜材料,探讨并比较了他们的电磁屏蔽效能。结果表明,TPU改性膜的电磁屏蔽效能随功能填料含量的增加而增加。一维的Ni@RL-CS在TPU基体中更易互连形成致密的导电网络,使得Ni@PCS与Ni@RL-CS处在同一体积含量下时,TPU/Ni@RL-CS膜的电磁屏蔽性能优于TPU/Ni@PCS膜。当Ni@RL-CS的含量为20 vol.%时,TPU/Ni@RL-CS二元复合材料的比电磁屏蔽效能达到92.6 d B/mm,比同等含量下的TPU/Ni@PCS膜高356.2%。其中吸收损耗占74.5%,表明吸收损耗是其主要的屏蔽机理。为进一步考查镀镍硅酸钙与其它不同性质填料的复配效果,本论文选用Ni@RL-CS和石墨纳米片(GNPs)为功能填料进行复配,通过溶液共混流延法制备了柔性TPU/Ni@RL-CS/GNPs三元复合材料,研究了其电磁屏蔽效能和作用机理。结果表明,几何形状和电磁性质不同的填料复配,可在降低填料体积含量的同时显著提高复合材料的电磁屏蔽效能。当Ni@RL-CS和GNPs的含量分别为10vol.%和1.5 vol.%时,TPU/Ni@RL-CS/GNPs三元复合材料在X波段频率下的比屏蔽效能可达74.6 d B/mm。原因是GNPs的复配填充使导电网络更加完善,且增加了介电损耗。介电损耗,磁损耗和界面极化损耗的协同作用是该复合材料的电磁屏蔽机制。
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