随着现代计算机及各种通讯技术的快速发展与应用,电磁污染越来越成为一个严重的问题,因此研发高性能的屏蔽材料显得尤为重要。相比于传统的金属系电磁屏蔽材料,导电高分子复合材料(CPCs)具有质量轻、耐腐蚀、易加工、导电率可调控并且吸收波段宽等优点,近年来成为主流的屏蔽材料之一,受到了广泛的关注。在过去的几十年,石墨烯、碳纳米管及碳纳米纤维等碳材料因其出色的结构、机械及电性能(例如较小的直径、较高的长径比、超高的电导率及机械强度等)常被用作导电填料。碳纳米材料的发展无疑为CPCs用于电磁屏蔽带来了福音,除以上提到的优点,碳纳米粒子做导电填料通常可以在不破坏聚合物本身优良性能的情况下极大的提高复合样品的导电性和屏蔽性能。在开发实际应用屏蔽材料时,轻质是一项十分关键的技术要求,尤其对于一些汽车、飞机领域等,因为这意味着材料与能源的节约。因此,科研工作者提出了多种多样轻质屏蔽材料的制备方法。在商业应用中,材料的电磁屏蔽效能(EMISE)通常要达到至少20 dB,这就要求CPCs的体积电导率不低于0.01 S/cm。而对于CPCs来讲,因为绝大部分的高分子基体都是电绝缘的,所以一般导电填料是CPCs导电率的唯一来源。因此想要达到0.01 S/cm的导电率就需要较好的导电互联网络。对于传统的随机分散结构,往往需要很高的填料含量才能获得比较理想的导电网络结构,但高含量意味着高成分和差的加工性能。因此,如何在尽可能低的填料含量下获得高性能的屏蔽材料十分重要。目前用于电磁屏蔽材料的高分子基体有很多,但有关聚偏氟乙烯又叫氟塑料(PVDF)的报道并不多。PVDF兼具氟树脂和通用树脂的特性,是一种高强度、耐腐蚀、耐氧化、耐高温的物质,常被用来做管道材料。此外,PVDF还具有压电性、介电性和热电性等特殊性能,因此也被广泛用于压电和热电领域等。近年来有研究显示,尤其以PVDF为基体的高分子复合材料具有理想的微波吸收性能。1.在第一部分工作中,我们以PVDF为高分子基体,多壁碳纳米管(MWCNTs)为导电填料,聚苯乙烯(PS)为中间体,先通过机械混合、热压制备了三者的混合物,然后再选择性将PS相刻蚀,最后制得了轻质多孔结构的PVDF/MWCNTs导电复合材料。这种制备方法简单易行,并且适用于几乎所有的热塑性高分子基体与导电粒子的复合。相比于刻蚀前的样品,刻蚀后不仅样品的密度得到了降低,并且部分碳管集中附着在内部孔的表面,与分散在PVDF基体中的碳管形成了 3D导电网络结构,使得样品的导电率大幅增加。同时,这种特殊的3D导电网络可以将进入到系统的电磁波进行多次的反射和吸收,使得入射波得到有效衰减。通过计算分析,多孔复合材料的吸收效能远大于反射效能,说明该材料在X波段的屏蔽机制是以吸收为主。2.以碳导电粒子、高分子基体和另外一种纳米粒子为原料的三组分复合材料常被研究用于开发多功能屏蔽材料。嵌入基体的另一粒子往往可以与导电填料构成协同作用以获得更好的导电网络,从而提高系统EMISE。这里我们在前一工作的基础上引入了中空玻璃微球(HGM),采用同样的方法制备了含微球和碳管的三相高分子复合材料。这种无机中空微球具有很好的化学稳定性、耐高温性,并且质量轻价格低,是制备吸波材料理想的原材料,同时微米尺寸大小也使其可以很容易与高分子基体结合。结果显示,嵌入系统的HGM可以促进导电网络的连续性,从而使材料的导电率提高。同时,HGM还可以对入射电磁波进行多次的散射和反射作用。因此,HGM与3D导电网络的协同作用极大的提高了复合材料的EMISE。此外,HGM本身导热率很低,它的引入增加了样品的孔隙率降低了材料的热传递效率,使得材料整体的热导率降低。这部分的工作提供了一种低导热高屏蔽性能的复合材料,可以满足更多应用领域的需求。3.到目前为止,构建隔离结构系统成为一项非常有前景的降低导电填料含量的技术,近些年它也得到了广泛研究。在隔离体系中,导电粒子主要集中分布在高分子基体粒子表面而非随机分散在整个基体中。据我们所知,关于以PVDF为基体的隔离结构复合材料的研究还很少。这部分工作中,我们首先用水蒸气诱导相分离的方法制备了大小均一的PVDF微球,然后以微球和碳管为原料,通过热压制备出具有隔离结构的PVDF/MWCNTs复合材料。密实的MWCNTs层充当了导电网络的作用,使得在碳管含量较低的情况下,样品就获得了较高的导电性和电磁屏蔽性。通过对不同热压温度下制得的样品性能比较,结果也再一次证实了隔离结构的优势。同时,我们研究了样品厚度对屏蔽性能的影响,发现厚度越高屏蔽性能越好。4.一些磁性材料例如磁性金属、金属氧化物及金属合金等也常被用来制备电磁屏蔽材料,并表现出很强的微波吸收能力。有研究表明,CPCs的电磁屏蔽性能主要依赖于填料的介电性能与磁性能。因此,有科研工作者将磁性粒子与导电填料相结合用于开发高性能电磁屏蔽材料。我们在前一工作基础上引入了羰基铁(CI)磁性粒子,将导电填料炭黑(CB)与磁性粒子同时分布在PVDF基体粒子表面,制备了兼备磁性能与导电性能的PVDF/CB/CI隔离结构复合材料。由CB与Cl粒子组成的隔离通道,充当着导电网络的作用,提供了电磁屏蔽材料所需的导电率。而Cl的引入赋予复合材料一定的磁性能,并且Cl含量越高,样品的饱和磁化强度越高。得益于导电性与磁性能的协同作用,样品的电磁屏蔽性能得到很大提升。