聚合物基体中混合填料的优化设计用于先进电磁干扰屏蔽的研究报告

作者及机构
本研究的核心团队来自韩国成均馆大学（Sungkyunkwan University）的聚合物科学与工程系及机械工程学院，主要作者包括Uiseok Hwang、Jinwoo Lee、Seunghyun Kim等，合作者还包括中国南京工业大学的Xin Yang。研究成果发表于《Small Structures》期刊，发表日期为2024年10月20日，文章编号为2400404。

学术背景
随着电动汽车的快速发展和全球对减少二氧化碳排放的迫切需求，汽车工业对兼具轻量化和电磁干扰（Electromagnetic Interference, EMI）屏蔽功能的材料需求日益增长。传统金属材料虽具有优异的机械性能和EMI屏蔽能力，但存在重量大、易腐蚀及二次电磁污染等问题。相比之下，聚合物基复合材料因其轻质、易加工和设计灵活性受到广泛关注。然而，单一填料体系往往难以同时满足EMI屏蔽、阻燃性和机械强度的多重需求。因此，本研究旨在通过设计碳纤维（Carbon Fiber, CF）与阻燃剂（Flame Retardant, FR）的混合填料体系，开发一种多功能聚酰胺-6（PA6）复合材料，以解决上述问题。

研究流程
1. 材料制备与表征
- 填料选择与处理：研究选用碳纤维（CF）和铝二乙基次膦酸盐（Aluminum Diethyl Phosphinate, AlPi）作为阻燃剂（FR）。通过扫描电子显微镜（SEM）对填料的形貌进行表征，确认CF的平均直径为7 μm，FR为不规则颗粒（尺寸 μm）。
- 复合材料制备：采用压缩成型和注塑成型工艺制备PA6基复合材料，包括单一填料（CF或FR）和混合填料（CF/FR）体系。填料含量分别为CF 5-20 wt%、FR 15 wt%，混合填料为CF5/FR15（即5 wt% CF和15 wt% FR）。
- 微观结构分析：通过SEM观察复合材料断面，分析填料的分散状态及界面相互作用。结果显示，FR的加入显著降低了CF之间的平均间距（从30.0 μm降至21.4 μm），促进了CF的导电网络形成。

1. 性能测试
   
   • 电学性能：通过四探针法测量复合材料的电导率。CF5/FR15的电导率（3858 mS/m）远高于单一CF5体系（0.512 mS/m），甚至超过CF10（139 mS/m），表明FR通过空间位阻效应优化了CF的导电通路。
     
   • 介电性能：利用矢量网络分析仪测量复介电常数（εr）。CF5/FR15的介电损耗（tan δ）显著高于单一填料体系，表明其更强的电磁波吸收能力。
     
   • 机械性能：拉伸测试显示，CF5/FR15的拉伸强度为99.2 MPa，略低于CF5（111.1 MPa），但远高于FR15（39.2 MPa）。动态机械分析（DMA）表明，混合填料体系的玻璃化转变温度（Tg）从21.2 °C（纯PA6）提升至66.8 °C，说明填料网络限制了聚合物链运动。
     
   • 阻燃性能：UL-94垂直燃烧测试显示，CF5/FR15达到V-0等级（火焰自熄时间≤2.6秒），SEM观察到燃烧后形成的连续炭层有效阻隔了氧气和热量。
     
   • EMI屏蔽效能：在X波段（8.2-12.4 GHz），CF5/FR15的屏蔽效能（SET）达36.8 dB，优于CF20（32.7 dB），且反射占比（69.3%）高于单一CF体系，表明其通过导电网络和界面极化协同增强了屏蔽性能。
     

主要结果
1. 协同效应机制：FR的加入不仅提升了阻燃性，还通过物理阻碍作用缩短了CF间距，形成更密集的导电网络。这种结构使CF5/FR15在低CF含量下实现了高电导率和EMI屏蔽效能。
2. 多功能平衡：CF5/FR15兼具优异的EMI屏蔽（36.8 dB）、阻燃性（V-0级）和机械强度（99.2 MPa），且密度仅为1.24 g/cm³，远低于金属材料（如钢7.8 g/cm³）。
3. 工艺优势：常规压缩/注塑成型工艺的适用性表明该材料易于工业化生产。

结论与价值
本研究通过优化CF/FR混合填料的微观结构，提出了一种低成本、高性能的多功能PA6复合材料。其科学价值在于揭示了非导电填料（FR）对导电填料（CF）空间分布的调控机制，为设计轻量化EMI屏蔽材料提供了新思路。应用价值体现在电动汽车电池壳体、航空航天部件及5G/6G通信设备等领域，尤其在需要兼顾电磁防护和防火安全的场景中具有显著优势。

研究亮点
1. 创新性设计：首次利用FR的物理阻碍作用促进CF导电网络形成，实现低填料含量下的高EMI屏蔽效能。
2. 性能突破：CF5/FR15的EMI屏蔽效能较单一CF5提升232%（以dB计），且阻燃性达最高等级。
3. 工业化潜力：采用常规加工工艺，避免了高填料含量导致的熔体粘度问题，适合大规模生产。

其他发现
热导率测试显示，CF5/FR15的热导率（0.306 W/m·K）略高于纯PA6，表明其具备一定的热管理能力，进一步扩展了应用场景。此外，与文献报道的同类材料相比，该复合材料在低CF含量（5 wt%）下即达到行业领先的EMI屏蔽性能（图5b），凸显其成本效益。