CN111875921A - 一种基于5g的高性能电磁屏蔽材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于5G的高性能电磁屏蔽材料，体积密度小于2.5g/cm3，电磁屏蔽效能大于85dB，由泡沫碳、碳化硅纳米线、石墨烯、酚醛树脂组成。制备方法包括以下步骤：以有机泡沫为原料，高温下热解制备泡沫碳，然后采用化学气相沉积法(CVI)、Ni催化在泡沫碳内部原位生长碳化硅纳米线，得到碳化硅纳米线增强的泡沫碳基体，再使用真空压力浸渍填充石墨烯改性的树脂，最终得到石墨烯改性树脂的碳化硅纳米线增强泡沫碳材料。这种材料具备对高频电磁波的良好屏蔽效果，屏蔽频宽达、散热性好，同时实现结构、功能一体化。
Description
技术领域
本发明涉及电磁屏蔽领域，尤其涉及一种基于5G的高性能电磁屏蔽材料及其制备方法。
背景技术
5G时代，通信频段从700 MHz拓展到6GHz，电磁污染问题愈发严重，非工作频段电磁波干扰广播、电视、通讯信号的接收，干扰电子仪器、设备的正常工作，造成信息失误、控制失灵等事故，可能引燃一些易燃易爆物质等，因此，性能优异的电磁屏蔽材料成为研究的重点。
电磁屏蔽材料主要通过对电磁波的反射和吸收实现对电磁的衰减。(1)电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上电磁屏蔽材料阻抗的不连续，对入射波产生反射；(2)未被表面反射而进入屏蔽体的电磁波，在材料内部向前传播的过程中，被屏蔽材料所衰减。由于反射性屏蔽会产生二次电磁波辐射干扰，所以吸波型电磁屏蔽具有从根本上消除电磁波、产生屏蔽效能。
常见的金属材料、导电橡胶、导电塑料再高频电磁波下的电磁屏蔽效能有限，新型材料如导电导热性能优良的碳泡沫、石墨烯以及介电材料碳化硅已成为电磁屏蔽的常用材料，但是大多单独使用，性能提升幅度有限。
申请公告号为CN110730606A的中国发明专利公开了一种碳泡沫电磁屏蔽材料、制备方法，具体步骤为：（1）采用熔盐辅助自蔓延高温合成法制备碳泡沫，原料为镁粉、 聚氯乙烯粉末、二茂铁和氯盐，反应后试样经盐酸酸洗、去离子水洗得到碳泡沫；（2）基体材料为石蜡、环氧树脂、二氧化硅中的任意一种，按照配比与碳泡沫加热混合均匀，自然冷却后压片得到碳泡沫电磁屏蔽材料。
申请公告号为CN110951369A的中国发明专利公开了一种用于电磁屏蔽的涂料、制备方法，涂料包含有机载体和填料，其中有机载体成分为聚酯树脂、聚碳酸酯、聚氨酯改性环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂等其中的一种或多种的混合物；填料为石墨烯，片状银包铜粉，球形银包铜粉以及树枝状银包铜粉中的一种或者多种的混合物，其制备包括以下操作步骤：（1）制备有机载体；（2）将步骤（1）制备的有机载体与填料均匀混合，即得到电磁屏蔽涂料浆料。
申请公告号为CN108751159A的中国发明专利公开了一种CVI-SiC纳米线增强复合碳泡沫材料，材料由三维网状的碳泡沫和生长在碳泡沫上的SiC纳米线构成，该复合泡沫具有密度低，比表面积大，耐温性好，抗压性好等优点，可用于超级电容器，储能材料，催化剂载体等。
目前，对于上述几种材料的单独使用均很难满足频带宽、厚度薄、屏蔽好的要求，因此，充分利用复合材料协同效应的基础，将材料进行多元复合，使厚度薄、质轻、宽频吸波、强吸波成为可能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于5G的高性能电磁屏蔽材料及其制备方法，对现有的多种材料进行复合，从而克服现有材料及技术的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于5G的高性能电磁屏蔽材料，体积密度小于2.5g/cm3，由三维网状泡沫碳、碳化硅纳米线、石墨烯、树脂组成。其特征在于泡沫碳内部原位生长碳化硅纳米线，石墨烯均匀地分散于树脂中，含有石墨烯的树脂填充在碳化硅纳米线增强的泡沫碳内部。
所述泡沫碳由有机泡沫热解得到，内部为三维网状结构，泡壁界截面为圆形或椭圆形，孔隙率为70%，孔径50μm左右且分布均匀，电导率为0.46S/cm，反射损耗达-10dB，电磁屏蔽效能大于45dB。
所述石墨烯粒径小于等于1μm，含量不高于15%wt；树脂为酚醛树脂或环氧树脂；石墨烯复合树脂的电导率达到10S/cm，屏蔽效能在2~18GHz范围内大于35dB。
所述SiC纳米线尖端带有金属球，直径为30-50nm，长度1-50μm。
一种基于5G的高性能电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，以有机泡沫为原料，高温下热解制备泡沫碳，热解温度不高于1100℃，升温速率不高于2℃/min，保温时间不高于1h；
步骤2，采用化学气相沉积法(CVI)在步骤1制备的泡沫碳内部原位生长碳化硅纳米线，采用Ni催化，其浓度不高于0.01g/mol，得到尖端带有金属球的碳化硅纳米线增强泡沫碳基体；
步骤3，采用机械混合结合超声波分散技术将石墨烯分散至树脂，石墨烯分散均匀且不团聚，混合时间30-40min；
步骤4，采用真空压力浸渍将步骤3制备的材料复合到步骤2制备的材料中，固化温度150-180℃，固化时间30-50min，得到石墨烯改性树脂复合的碳化硅纳米线增强泡沫碳材料。
与现有材料及技术相比，本发明具有如下有益效果：（1）不高于1100℃且慢速升温热解制备的泡沫碳具有均匀的孔隙结构和较高的介电性能；（2）在碳泡沫内部原位生长碳化硅纳米线能够较大程度地提高材料的吸波性能，同时对力学性能有明显的提高；（3）将石墨烯均匀分散至酚醛树脂中，在电磁场中极化形成点电荷结构，具有比金属更为优异的防击穿效果和电磁屏蔽效果；（4）复合得到的上述材料在5G更为高频的电磁波传输中具有大于85dB的电磁屏蔽效能，同时材料的质量轻、散热性好，材料的结构强度明显提高，实现屏蔽、结构、轻量一体化。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
实施例
一种基于5G的高性能电磁屏蔽材料，体积密度小于2.5g/cm3，由三维网状泡沫碳、碳化硅纳米线、石墨烯、树脂组成。其特征在于泡沫碳内部原位生长碳化硅纳米线，石墨烯均匀地分散于树脂中，含有石墨烯的树脂填充在碳化硅纳米线增强的泡沫碳内部。
所述泡沫碳由有机泡沫热解得到，内部为三维网状结构，泡壁界截面为圆形，孔隙率为70%，孔径50μm且分布均匀，电导率为0.46S/cm，反射损耗达-15dB，电磁屏蔽效能大于48dB。
所述石墨烯粒径为1μm，含量为15%wt；树脂为酚醛树脂；石墨烯复合树脂的电导率为10S/cm，屏蔽效能在2~18GHz范围内大于35dB。
所述SiC纳米线尖端带有金属球，直径为40nm，长度20μm。
一种基于5G的高性能电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，以有机泡沫为原料，高温下热解制备泡沫碳，热解温度不高于1100℃，升温速率为1.5℃/min，保温1h；
步骤2，采用化学气相沉积法(CVI)在步骤1制备的泡沫碳内部原位生长碳化硅纳米线，采用Ni催化，其浓度为0.01g/mol，得到尖端带有金属球的碳化硅纳米线增强泡沫碳基体；
步骤3，采用机械混合结合超声波分散技术将石墨烯分散至树脂，石墨烯分散均匀且不团聚，混合时间30min；
步骤4，采用真空压力浸渍将步骤3制备的材料复合到步骤2制备的材料中，固化温度150℃，固化时间30min，得到石墨烯改性酚醛树脂复合的碳化硅纳米线增强泡沫碳材料。
该实施例制备的复合材料密度2.5g/cm3，电磁屏蔽效能85dB，热导率6.0 W/m•K，在电磁屏蔽领域有重要应用价值。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于5G的高性能电磁屏蔽材料，体积密度小于2.5g/cm3，由三维网状泡沫碳、碳化硅纳米线、石墨烯、树脂组成；其特征在于泡沫碳内部原位生长碳化硅纳米线，石墨烯均匀地分散于树脂中，含有石墨烯的树脂填充在碳化硅纳米线增强的泡沫碳内部。
2.根据权利要求1所述的基于5G的高性能电磁屏蔽材料，其特征在于泡沫碳由有机泡沫热解得到，内部为三维网状结构，泡壁界截面为圆形或椭圆形，孔隙率为70%，孔径50μm左右且分布均匀，电导率为0.46S/cm，反射损耗达-10dB，电磁屏蔽效能大于45dB。
3.根据权利要求1所述的基于5G的高性能电磁屏蔽材料，其特征在于石墨烯粒径小于等于1μm，含量不高于15%wt；树脂为酚醛树脂或环氧树脂；石墨烯复合树脂的电导率达到10S/cm，屏蔽效能在2~18GHz范围内大于35dB。
4.根据权利要求1所述的基于5G的高性能电磁屏蔽材料，其特征在于SiC纳米线尖端带有金属球，直径为30-50nm，长度1-50μm。
5.一种基于5G的高性能电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，以有机泡沫为原料，高温下热解制备泡沫碳，热解温度不高于1100℃，升温速率不高于2℃/min，保温时间不高于1h；
步骤2，采用化学气相沉积法(CVI)在步骤1制备的泡沫碳内部原位生长碳化硅纳米线，采用Ni催化，其浓度不高于0.01g/mol，得到尖端带有金属球的碳化硅纳米线增强泡沫碳基体；
步骤3，采用机械混合结合超声波分散技术将石墨烯分散至树脂，石墨烯分散均匀且不团聚，混合时间30-40min；
步骤4，采用真空压力浸渍将步骤3制备的材料复合到步骤2制备的材料中，固化温度150-180℃，固化时间30-50min，得到石墨烯改性树脂复合的碳化硅纳米线增强泡沫碳材料。
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