CN108457079B - 一种液态金属/碳纤维复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种液态金属/碳纤维复合材料及其制备方法和应用。所述液态金属/碳纤维复合材料包括：碳纤维基体以及设在所述碳纤维基体表面的液态金属层。本发明得到的液态金属/碳纤维复合材料具有物理特性均匀，柔性可弯曲、电磁屏蔽性好等优点。本发明提供的制备方法操作简单，高效便捷，可大批量生产，适用于工业生产。

Description

一种液态金属/碳纤维复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及电磁屏蔽材料领域，更具体地，涉及一种可用于电磁屏蔽领域的液态金属/碳纤维复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着现代电子工业的高速发展,各种军用、商用和家用电子产品的数量急剧增加,而电子线路和元件的微型化、集成化、轻量化和数字化,均导致了日常使用的电子产品易受外界电磁波干扰而出现误动、图像障碍及声音障碍等，同时这些电子产品本身也向外发射电磁波,从而造成电磁波公害。
电磁屏蔽设计是现代电子设备的必备要求，采用电磁屏蔽材料设计和制造电子设备的壳体(罩)是行之有效的技术途径之一，电磁屏蔽材料的研发也愈发成为人们关注的重要课题。各种新型材料向着屏蔽效率高、质量轻的方向发展。碳纤维是具有高强度、质量轻的纤维材料,并且具有较高的导电性能,碳纤维增强塑料电磁屏蔽材料是理想的结构与功能一体的壳体材料，其导电性不及相应的金属材料。
现有技术中公开了将碳纤维与碳纳米管纤维缠绕在一起形成得合纤维，在复合纤维上制备陶瓷或树脂基体即可制备得到一维碳纤维/碳纳米管纤维/碳化硅陶瓷基复合材料和一维碳纤维/碳纳米管纤维/酚醛树脂基复合材料，但是这类材料与树脂基体间不易形成导电网络，一定程度上制约了其电磁屏蔽性能。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种物理特性均匀、电磁屏蔽性能好、柔性可弯曲的液态金属/碳纤维复合材料。
本发明的液态金属/碳纤维复合材料，包括：碳纤维基体以及设在所述碳纤维基体表面的液态金属层。
在本发明一个优选实施方式中，所述液态金属层由纯液态金属制得或由掺杂金属颗粒的液态金属制得。
在本发明一个优选实施方式中，所述金属颗粒中金属选自Cu、Ag、Fe、Ni或Co中的一种或多种，优选为Fe、Ni、Cu中的一种或多种，进一步优选为Fe和Ni的混合物、Ni或Co。其中，在Fe和Ni的混合物中Fe和Ni的质量比优选为(1～3):1，进一步优选为2:1。
在本发明一个优选实施方式中，所述液态金属为镓基液态金属；所述镓基液态金属优选包含如下重量份的组分：60-90wt％Ga，10-30wt％In，0-30wt％Sn，0-2wt％Zn；进一步优选包含如下重量份的组分：60-70wt％Ga，20-30wt％In，10-15wt％Sn，0.5-2wt％Zn。
在本发明一个优选实施方式中，所述液态金属层由上述镓基液态金属制得或由掺杂上述金属颗粒的上述镓基液态金属制得。
在本发明一个优选实施方式中，所述液态金属层由掺杂金属颗粒的镓基液态金属制得；所述镓基液态金属优选包含如下重量份的组分：80-90wt％Ga，10-30wt％In，0-30wt％Sn，0-2wt％Zn；其中，所述金属颗粒中金属优选为Fe和Ni的混合物。
在本发明一个优选实施方式中，所述液态金属层由掺杂金属颗粒的镓基液态金属制得；所述镓基液态金属优选包含如下重量份的组分：60-70wt％Ga，20-30wt％In，10-15wt％Sn，0.5-2wt％Zn；其中，所述金属颗粒中金属优选为Ni或Co。
其中，金属颗粒的D90粒径为50nm-1μm，优选为50nm-200nm。
在本发明一个优选实施方式中，所述液态金属层中液态金属与所述金属颗粒的重量比为100:(0～5)，优选为100:(2～3)。
在本发明一个优选实施方式中，液态金属层的厚度为10μm～1mm，优选为50～500μm。
在本发明一个优选实施方式中，本发明的液态金属/碳纤维复合材料由碳纤维基体以及设在所述碳纤维基体表面的液态金属层组成，所述液态金属层由上述纯液态金属制得或由掺杂上述金属颗粒的上述液态金属制得。
本发明的另一个目的在于提供上述液态金属/碳纤维复合材料的制备方法，包括：在所述碳纤维基体表面通过雾化喷涂的方法制备所述液态金属层。
使用本发明的制备方法工艺简单，成本低，能在保证屏蔽效果的同时实现柔性。
该方法具体可以为：在所述碳纤维基体表面雾化喷涂掺杂金属颗粒的液态金属以制备所述液态金属层。如图1所示，在所述碳纤维基体3表面使用装有液态金属的喷枪1将液态金属雾化液滴2喷涂液态金属材料以形成液态金属涂层4。可以通过液态金属的粘度、温度、喷头尺寸和型号、喷涂幅度、喷涂时间等调节底涂层厚度。
其中，在上述液态金属层中掺杂金属颗粒的制备方法具体可以优选为：将液态金属合金与金属颗粒加入球磨罐中，以400-600r/min的转速球磨2-6h混合处理，取出，即得掺杂金属颗粒的液态金属。再将该掺杂了金属颗粒的液态金属喷涂在碳纤维基体表面。
在本发明一个实施方式中，可以先将碳纤维基体经过700℃高温处理后，置于丙酮中超声洗涤；以洗涤后的碳纤维为基体，在碳纤维基体表面通过喷墨打印的方法制备液态金属涂层。
本发明的另一个目的在于提供了上述液态金属/碳纤维复合材料在电磁屏蔽中的应用。
本发明得到的液态金属/碳纤维复合材料对30M-1.5G频段电磁波屏蔽性能至少可以达到66.2dB，1-18G频段电磁波屏蔽效能至少可以达到63.2dB。
本发明得到的液态金属/碳纤维复合材料具有物理特性均匀，柔性可弯曲、电磁屏蔽性好等优点，在电子电路、无线电通讯、军用设备等领域具有广泛应用。本发明提供的制备方法操作简单，高效便捷，可大批量生产，适用于工业生产。
附图说明
图1为根据本发明一个优选实施方式中将液态金属喷涂在碳纤维基体表面的方法示意图；
图2为实施例1掺杂2％Fe粉，1％Ni金属颗粒的液体金属宏观图；
图3为实施例1碳纤维宏观图；
图4为实施例2掺杂Ni粉金属颗粒液态金属SEM图；
图5为实施例3掺杂5％Cu粉金属颗粒的XRD图；
图6为实施例3喷涂液态金属涂层后的碳纤维宏观图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种液态金属/碳纤维复合材料，该复合材料的制备方法为：
将Ga90wt％，In10wt％，其它杂质元素小于0.01wt％配置成液态金属流体共100份。采用D90粒径50nm，纯度为99.99％的Fe粉，Fe粉添加量为2份；D90粒径50nm，纯度为99.99％的Ni粉，Ni粉添加量为1份，以配置成金属颗粒。
将上述液体金属流体与金属颗粒加入球磨罐中，所述球磨工艺球磨时间2h，转速600r/min。切断电源，待球磨罐冷却至常温后，取出掺杂了金属颗粒的液态金属如图2所示。
碳纤维基底上采用雾化喷涂的方法制备液态金属涂层，具体方法示意图如图1所示：碳纤维经过650℃高温处理后，置于丙酮中超声洗涤；以洗涤后的碳纤维为基体(如图3所示)，取将制备好的掺杂了金属颗粒的液态金属放入喷枪中，通过控制不同的喷头尺寸和型号、不同的喷涂时间、保护气氛等控制液态金属层的厚度、金属颗粒大小、在碳纤维基底上进行液态金属涂层喷涂，得到液态金属涂层厚度为100μm的液态金属/碳纤维复合材料。
本实施例得到的液态金属/碳纤维复合材料对30M-1.5G频段电磁波屏蔽性能达到68.3dB，1-18G频段电磁波屏蔽效能达到65.8dB。
实施例2
本实施例提供一种液态金属/碳纤维复合材料，该复合材料的制备方法为：
将Ga67wt％，In20.5wt％，Sn12.5wt％其它杂质元素小于0.01wt％配置成液态金属流体共100份。采用D90粒径50nm，纯度为99.99％的Ni粉，Ni粉添加量为2份，以配置成金属颗粒。
将上述液体金属流体与金属颗粒加入球磨罐中，所述球磨工艺球磨时间4h，转速400r/min。切断电源，待球磨罐冷却至常温后，取出掺杂了金属颗粒的液态金属。图4为所述掺杂了Ni粉金属颗粒液态金属SEM图。
碳纤维基底上采用雾化喷涂的方法制备液态金属涂层：碳纤维经过750℃高温处理后，置于丙酮中超声洗涤；以洗涤后的碳纤维为基体，取将制备好的液态金属放入喷枪中，通过控制不同的喷头尺寸和型号、不同的喷涂时间、保护气氛等控制液态金属层的厚度、金属颗粒大小、在碳纤维基底上进行液态金属涂层喷涂，得到液态金属涂层厚度为50μm的液态金属/碳纤维复合材料。
本实施例得到的液态金属/碳纤维复合材料对30M-1.5G频段电磁波屏蔽性能达到66.2dB，1-18G频段电磁波屏蔽效能达到63.2dB。
实施例3
本实施例提供一种液态金属/碳纤维复合材料，该复合材料的制备方法为：
将Ga66wt％，In20.5wt％，Sn12.5wt％，Zn1％其它杂质元素小于0.01wt％配置成液体金属流体共100份。采用D90粒径200nm，纯度为99.99％的Cu粉，Cu粉添加量为5份，以配置成金属颗粒。
将上述液体金属流体与金属颗粒加入球磨罐中，所述球磨工艺球磨时间2h，转速600r/min。切断电源，待球磨罐冷却至常温后，取出掺杂了金属颗粒的液态金属。图5为所述掺杂了Cu粉金属颗粒液态金属SEM图。
碳纤维基底上采用雾化喷涂的方法制备液态金属涂层：碳纤维经过750℃高温处理后，置于丙酮中超声洗涤；以洗涤后的碳纤维为基体，取将制备好的液态金属放入喷枪中，通过控制不同的喷头尺寸和型号、不同的喷涂时间、保护气氛等控制液态金属层的厚度、金属颗粒大小、在碳纤维基底上进行液态金属涂层喷涂，喷涂后的照片参照图6，得到液态金属涂层厚度为500μm的液态金属/碳纤维复合材料。
本实施例得到的液态金属/碳纤维复合材料对30M-1.5G频段电磁波屏蔽性能达到68.7dB，1-18G频段电磁波屏蔽效能达到66.1dB。
在碳纤维复合材料表面制备的电磁屏蔽涂层主要采用磁控溅射的方法制备的BN/碳化物复合非金属涂层和镍基金属涂层。非金属涂层采用磁控溅射镀膜工艺，与本申请中的制备方法相比，磁控溅射工艺复杂、成本高，并且无法实现柔性的作用。并且得到的BN/碳化物导电性能较差，电磁屏蔽性能劣于本申请中的液态金属复合涂层。镍基金属涂层采用射频磁控溅射法或直流磁控溅射法制备，制备的涂层由于是固体，不具有柔性特性。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种液态金属/碳纤维复合材料的制备方法在电磁屏蔽中的应用，其特征在于，将Ga66wt％，In20.5wt％，Sn12.5wt％，Zn 1％，杂质元素小于0.01wt％配置成液体金属流体共100份；采用D90粒径200nm，纯度为99.99％的Cu粉，Cu粉添加量为5份，以配置成金属颗粒；
将上述液体金属流体与金属颗粒加入球磨罐中，所述球磨工艺球磨时间2h，转速600r/min；切断电源，待球磨罐冷却至常温后，取出掺杂了金属颗粒的液态金属；
碳纤维基底上采用雾化喷涂的方法制备液态金属涂层：碳纤维经过750℃高温处理后，置于丙酮中超声洗涤；以洗涤后的碳纤维为基体，取将制备好的液态金属放入喷枪中，控制液态金属层的厚度、金属颗粒大小、在碳纤维基底上进行液态金属涂层喷涂，得到液态金属涂层厚度为500μm的液态金属/碳纤维复合材料。
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