碳黑和碳纤维填充的乙烯/醋酸乙烯酯共聚物和天然橡胶基复合材料的电磁干扰屏蔽效能外文翻译资料

 2022-07-28 14:18:44

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碳黑和碳纤维填充的乙烯/醋酸乙烯酯共聚物和天然橡胶基复合材料的电磁干扰屏蔽效能

N.C. Dasa, D. Khastgira,*, T.K. Chakia, A. Chakrabortyb

a橡胶技术中心，印度理工学院，克勒格布尔721 302，印度

b电子和电气通信工程系，印度理工学院，克勒格布尔，印度

1999年9月10日收到；2000年3月6日修订；2000年3月23日接受

摘要：研究了填充有导电炭黑（Vulcan XC-72）和短切碳纤维（SCF）的天然橡胶和乙烯乙酸乙烯酯的电磁干扰（EMI）屏蔽特性。屏蔽效能（SE）的测量在100-2000 MHz和8-12 GHz（X波段范围）的两个不同频率范围内进行。吸收时的回波损耗和损耗也作为X波段和微波区域频率的函数进行测量。观察到复合材料的屏蔽效能与频率有关，特别是在较高的频率范围，随着频率的增加而增加。随着填料加载量的增加，屏蔽效能也随之增加。与导电炭黑相比，短切碳纤维填充复合材料显示出更高的屏蔽效能。还讨论了各种复合材料的屏蔽效能和电导率之间的相关性。结果表明，具有较高纤维负载（ge;20phr）的复合材料可用于电磁干扰屏蔽以及某些微波应用。

关键词：电磁干扰；碳纤维

Abstract：Electromagnetic interference (EMI) shielding characteristics of natural rubber and ethylene vinyl acetate filled with conductive carbon black (Vulcan XC-72) and short carbon fibre (SCF) have been studied. The measurements of shielding effectiveness (SE) were carried out in two different frequency ranges 100–2000 MHz and 8–12 GHz (X-band range). The return loss and loss due to absorption were also measured as a function of frequency in the X-band range and microwave region. It is observed that the SE of the composites is frequency dependent, especially at higher frequency range, and it increases with the increasing frequency. The SE also increases with the increase in filler loading. The SCF filled composites show higher SE compared to that of conductive carbon black. The correlation between SE and conductivity of the various composites is also discussed. The results indicate that the composites having higher fibre loading (ge;20 phr) can be used for the purpose of EMI shielding, as well as for some microwave applications.

Keywords：Electromagnetic interference;A. Carbon fibre

1.引言

电器和电子设备的快速增长，导致其他用户在市场上使用中发射相同频带上的电磁能量。由于所有这些电磁能量，必须限制和屏蔽电子设备免受所有干扰源[1]。电磁干扰（EMI）本质上是基于电气的，是由于不需要的电磁辐射被辐射或传导。金属被认为是电磁屏蔽的最佳材料，但它昂贵而重。另一方面，聚合物用于容纳电子设备的用途是普遍的，因为其重量轻，柔性和较便宜。但是聚合物对电磁辐射电绝缘和透明，即其固有电磁干扰屏蔽效能（SE）几乎为零。为了防止电磁干扰，已广泛考虑的技术方法是将导电填料纳入聚合物基体[2]。根据不同的频率范围内的屏蔽效能，选择各种材料用于不同的微电子器件。它们也用于微波应用，以避免由于不需要的电磁波而引起的干扰。因此，一些工人已经努力制备导电复合材料作为有效的电磁屏蔽材料[3-15]。然而，据报道，通过引入包括炭黑，石墨纤维，金属纤维和金属颗粒的导电填料，导电性和EMI SE都有所提高[9,16]。

对导电塑料复合材料的EMI屏蔽材料进行了各种研究[13,16,17]。Baker等人评估了钢纤维填充丙烯腈丁二烯苯乙烯橡胶的SE[1]。即使碳和玻璃纤维可以用金属如铝或镍涂覆，以改善复合材料的SE，镀镍云母填充的低密度聚乙烯也可以用作有效的屏蔽材料[18]。较便宜的纤维填料被认为优于其他导电填料，如粉末颗粒或薄片[17]。当将聚丙烯腈（PAN）基碳纤维配合到聚合物基质中时，它们不仅可以提高复合材料的导电性，而且可以提高复合材料的强度[2，19]。已经研究了填充有短纤维（SCF）和炭黑的丁腈橡胶复合材料的SE[20]，并且也研究了与EPDM橡胶的共混[21]。事实上，这种柔性导电复合材料也可以用于以下应用：典型的天线系统，消声室，以避免在测量过程中由于不需要的电磁场引起的干扰，雷达横截面，电脑外壳，PCB屏蔽，不同类型的压力敏感开关，连接器垫片和地板加热元件等。本文报道了在200-2000 MHz的微波频率范围和8-12 GHz X波段内的以天然橡胶和乙烯醋酸乙烯共聚物为基体，填充导电Vulcan XC-72和SCF的不同复合材料的EMI SE和回波损耗（RL）。本工作的目的是评估这些复合材料在不同频率区域的EMI SE。炭黑填充复合材料的成本可能略低于填充SCF的成本，因为碳纤维是昂贵的材料。然而，差异不显着，因为在相对较低的负载下可以获得对于SCF填充系统的足够的SE。事实上，如果不是比金属或金属填充系统便宜，这些复合材料的成本将相当。

2.实验部分

2.1材料，混合物和试样的准备

乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（LEVAPRENE 450,45％VAc含量）由德国拜耳公司提供。天然橡胶（ISNR-5）从印度橡胶委员会获得。Vulcan XC-72导电炭黑由美国Cabot Carbon有限公司提供。Indcarf 12K级的SCF从印度的IPCL公司获得。Vulcan XC-72炭黑和SCF的分析性质如表1，表2所示。橡胶化学品，Accinox DN，TMT，CBS由印度ICI提供; 氧化锌，硫和硬脂酸是从E·Merck（印度）有限公司，SD精细化工有限公司和印度 Losa化学私人有限公司分别收集。过氧化二异丙苯（DCP，mp = 80℃）和氰尿酸三烯丙酯（TAC）分别得自E.Merck（印度）有限公司和Aldrich 化学有限公司。

2.2 复合

含有Vulcan XC-72黑色和SCF的橡胶混合物的配方分别在表3，表4中给出；在相同的加工条件（混合时间= 5分钟;转子速度= 60rpm;混合顺序）下，在布拉本达塑性记录仪（PLE 330）中在70℃下完成不同复合材料的混合，以避免加工影响导电性，从而得到EMI 和SE。混合物在电加热压制机上固化。NR基复合材料在150℃下固化，固化时间为5分钟；EVA基复合材料在170℃下固化，固化时间为11分钟（EVA时间对应于最佳固化次数从Monsanto 流变仪 R100获得）。从压缩模具中取出0.18厘米厚的硫化片并冷却至室温。

2.3 电导率和EMI屏蔽测量

具有高电阻率（ge;10 8）的复合材料的体积电阻率（ohm cm）的测量使用惠普高电阻计（型号4329A）和惠普（型号160084）电阻率单元进行测定。对于具有低电阻率的复合材料，通过使用如文献[22]所述的范德堡法的四探针技术来测量体积电阻率。为了在升高的温度下测量体积电阻率，将整个电极系统放置在可以监测和控制温度的烘箱中。使用的电阻率数据是三个样本的结果的平均值。

用于EMI SE的测量装置在图1中示意性地示出。该设置包括扫频振荡器（型号为HP 8350B），功率分配器，检测器和标量网络分析仪（型号为HP 8753 C / E）。所有这些仪器连接到测试室。测试室中的样品架根据测量频率范围而改变。使用同轴电缆线法测量频率范围100-2000 MHz的SE。使用X波段波导作为样品架来测量8-12 GHz频率范围内的SE。在测量过程中使用厚度为1.8和3.5毫米的两种不同样品。对每个样品进行EMI屏蔽测量，连续扫描100-2000 MHz和8-12 GHz范围内的频率。发现当SE大于40dB时，在测量过程中遇到一些噪音，否则得到的结果是从仪器获得的SE对频率的平滑曲线。

在本文中，复合材料由字母数字系统识别。前两个字母表示复合材料中使用的橡胶和填料。字母后面的数字表示导电黑碳纤维的加载量。例如，EF30表示含有30phr碳纤维的EVA复合材料，NV50代表含有（50phr）Vulcan XC-72导电黑色的NR复合材料。

图1 用于测量传输损耗和回波损耗的基本标量同轴系统示意图

2.4 EMI屏蔽的基本理论

电磁屏蔽材料是衰减辐射电磁能的材料。电磁辐射可分为近场和远场。在近场中，根据源的性质，电磁信号主要可以是电矢量或磁矢量。在远场中存在平面波，其中电磁矢量在相位上具有相等的比例并且彼此正交。测量SE最关心的问题是平面辐射（远场）。电磁干扰定义为由外部电源在电子电路中感应的杂散电压和电流。SE是一个量化特定材料典型衰减量的数字[23]。如果Pinc是屏蔽到位之前的测量点处的入射功率密度，则Ptrans是在屏蔽到位之后的相同测量点处的透射功率密度，Pref是测量点处的反射功率密度，则

SE =10 log（Ptrans/Pinc） （1）

RL= 10 log（Pref/Pinc） （2）

显然，对于无损材料，

Pinc = Pref Ptrans （3）

Pabs可以量化为电介质内的吸收功率，

Pabs = 1 -（Pref）/（Pinc）-（Ptrans）/（Pinc） （4）

其中Pabs是有损电介质吸收的功率[24]。

然而，EMI是样品中入射电磁波的出射界面处的反射损失，透射或吸收损耗和内部反射损耗的结果。这三个损失是相互关联的[25]

S =（R A B） dB （5）

其中S是SE或插入损耗，其表示在该点和源之间插入导电阻挡层之后的空间点处的电磁场的电平的减小（以dB表示）。R是除了附加反射损耗之外的屏蔽两面的初始反射损耗的总和，A是屏障本身内的吸收或穿透损耗（dB），B是以离散界面为单位的内部反射损耗。这个术语可能是正面或负面的，当Age;15dB时可以忽略不计。

对于平面波辐射，R和A也可以从 [26]

R =108 log（G/mu;f） （6）

A= 1.32t[Gmu;f] 1/2 （7）

其中G是样品相对于铜的电导率，mu;是样品相对于真空或铜的磁导率（mu;= 1），f是以MHz表示的辐射频率，t是样品的厚度（cm）。从这些方程可以看出，反射损耗与电导率的对数正比，与试样的磁导率成反比，也与入射电磁波的对数频率成反比。然而，吸收损失与样品的厚度和样品的频率，电导率和渗透率的平方根成正比。


图2. 导电填料和碳纤维含量对NR和EVA基复合材料的体积电阻率的影响

图3 （a）频率100-2000 MHz范围内填充SCF的NR基复合材料的屏蔽效应的函数图线

（b）频率100-2000 MHz范围内填充SCF的EVA基复合材料的屏蔽效应的函数图线

图4 （a）含有不同浓度SCF的NR基复合材料的X频段范围的SE变化

（b）含有不同浓度SCF的EVA基复合材料的X波段频率范围内SE的变化

图5 （a）含不同浓度的Vulcan XC-72炭黑的NR基复合材料X频段频率范围内的SE变化（b）含

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