镀银玻纤掺杂FIP电磁屏蔽导电橡胶的设计与可靠性

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随着现代科学技术的迅猛发展,电子电器设备不断向功能化、集成化、高频化和数字化方向发展,由此带来的电磁干扰危害也日益严重。电磁辐射产生的电磁干扰一方面对电子系统内部的路由设计产生严重影响,同时也会干扰电子系统内部和外部环境中敏感元件的正常工作,引起信息技术设备的信息泄露,并对外部生态环境造成威胁。对于电子电路系统的外壳封装,其机壳是铜、铝等金属材料,属于导电性能良好的导体,本身具有很好的电磁屏蔽效果,因此,在外壳接合处的电磁泄漏成为电磁干扰的主要来源。现有技术中,已经有学者开始采用在界面接合处加载导电弹性体(如导电橡胶)的方式来实现外壳的电磁密封和屏蔽,但由于缝隙泄漏的多样性,目前依然存在设计和操作困难、密封不完全和可靠性差等一系列的问题。因此,研究综合性能稳定的现场成型(FIP)电磁屏蔽导电橡胶,满足国内市场对高综合性能FIP电磁屏蔽导电橡胶的需要具有非常重要的意义。  目前,针对电磁屏蔽导电橡胶的研究,从节省成本的角度考虑,国内外学术机构主要集中在通过碳系材料的改性填充来制备电磁屏蔽导电橡胶,但是其综合导电性和电磁屏蔽效果都相对较低。同时,国内外商业公司也尝试采用填充高导电性金属粉末的方式制备高电磁屏蔽导电橡胶,但是制备的导电橡胶依然存在填充粉末单一、可靠性不足等缺点。针对以上问题,本文创新性地采用“Ag-Cu树枝粉填充为主,镀银玻纤掺杂为辅”的方式制备了性能稳定的高电磁屏蔽效能导电橡胶,并通过添加白炭黑、偶联剂、触变剂和抑制剂等各种助剂的方式使导电橡胶具有了良好的力学性能,导电橡胶综合性能很好。  在电磁屏蔽导电橡胶等聚合物导电复合材料中,压力是改变导电填料体积分数和导电网络形态的外界因素,能促使复合材料的导电性能发生变化。这是聚合物导电复合材料研究领域中备受关注的新课题。导电复合材料的电阻在压力的作用下呈现的变化规律,称为压阻特性。同时,在恒定压力下复合材料的体积电阻率还会随着时间发生变化,呈现一定的随时间变化的电阻蠕变效应。本文主要对不同导电颗粒添加含量的导电橡胶在轴向压力作用下的压阻效应和电阻蠕变效应进行研究。结果表明,导电橡胶在轴向压力(σ)作用下体积电阻率随着压力的增大而减小,呈现负压阻变化效应(NPCR)。这是因为导电橡胶复合材料在受轴向压力作用时,导电粒子相互靠近,导致复合材料组分体积发生变化而引起的渗流行为。尤其是内部导电粒子的含量处于渗流阈值附近时这种现象更加明显。同时,复合材料在恒定压力下的静置过程中,其体积电阻率随着时间的增加而非线性下降,呈现典型的电阻蠕变现象。同时,本文按照渗流理论推导的压阻效应和电阻蠕变效应模型计算值和实测值吻合很好,很好地解释了其变化的内在机制。  此外,针对本文开发的电磁屏蔽导电橡胶应用过程中可能出现的不同外部环境,系统研究了导电橡胶在100℃高温环境、85℃-85%RH高温高湿环境和3.5%盐雾环境下的加速服役老化行为。结果发现,100℃高温环境对导电橡胶的力学性能的改变最为明显,而在85℃-85%RH高温高湿环境和3.5%盐雾环境下的变化趋势要小很多,原因是在100℃高温环境下橡胶材料产生了二次硫化现象。此外,100℃高温环境下导电橡胶的体积电阻率上升最快。时效过程在96h时间内体积电阻率从0.0024Ω·cm上升到了0.1Ω·cm左右。该现象是导电橡胶内部Ag-Cu粉末裸露的Cu表面发生氧化和橡胶基体在高温下产生的热膨胀共同作用而产生的结果。在室温自然环境时效恢复过程中,导电橡胶的体积电阻率下降非常快,但终值依然远大于起始值。而在85℃-85%RH高温高湿环境的体积电阻率变化要小得多。虽然也存在Ag-Cu粉末氧化和热膨胀的双重作用,但是由于作用幅度相对较小,同时高湿环境提供的水汽也是很好的导电介质,所以其体积电阻率虽有一定幅度的变化,但与100℃高温环境相比要小。3.5%盐雾环境下的体积电阻率在加速时效过程和自然恢复时效过程都几乎没有变化。这是因为导电粒子和基体在时效过程中都几乎没有变化,而盐雾环境介质本身也是很好的导电介质,因此导电橡胶的导电性能很稳定。  最后,针对电磁屏蔽导电橡胶应用过程可能出现的连接金属基体,系统研究了其在85℃-85%RH高温高湿环境和在3.5%氯化钠水溶液中的电偶腐蚀现象。金属基体产生电偶腐蚀的主要原因是导电橡胶填充粒子的电极电位较高,与连接金属腔体存在一定的电位差,因此在腐蚀介质存在的情况下金属基体较容易产生腐蚀,尤其是如镁铝等活性很高的金属更加明显。而在高温高湿环境下,活泼金属表面镀一层活性较低的镍层有利于降低其腐蚀速度。
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