一种三维编织碳纤维/MXene/环氧树脂电磁屏蔽复合材料及其制备方法

一种三维编织碳纤维/mxene/环氧树脂电磁屏蔽复合材料及其制备方法
技术领域
1.本发明属于电磁屏蔽材料及其制备领域，特别涉及一种三维编织碳纤维/mxene/环氧树脂电磁屏蔽复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.随着5g移动信号的迅速发展，各种电子设备得到了广泛的应用，提高了人们的生活水平，但也带来了严重的电磁干扰(emi)和辐射。这些小型化的设备会产生电磁波，影响电子系统的正常使用，甚至引起电磁信息泄露。另外如果人体长期暴露于电磁辐射中，会对人体健康产生有害影响，如会引起恶心、头痛、眼部问题、癌、和对婴儿大脑发育的不良影响。一些医疗植入物或设备(例如，助听器、胰岛素泵和心脏在交替电场中也很容易发生故障。因此迫切需要一个优良的屏蔽体使电磁污染局限在一定范围内，削弱其向外扩散的能力。目前防电磁辐射防护已成为科技与工程领域最为活跃的课题之一。
3.复合材料是由经过人为选择的、含有一定数量比的两种或两种以上的组分(或组元)人工复合而成，其各组分界面明显，具有一定的特殊功能。层合复合材料在航空航天、船舶、运动器材等领域有着广泛的应用，但其作为主承力结构，受力后容易分层破坏，不能满足工程应用要求。而三维编织复合材料的一体性，使之在受外力破坏时几乎不发生分层，近年来三维编织复合材料逐渐替代传统复合材料成为工程应用的首选。
4.近年来，越来越多的工程领域开始关注三维编织复合材料，同时提出了结构功能一体化的三维编织复合材料。结构功能一体化的三维编织复合材料在满足电磁屏蔽性能要求的同时具备良好的力学性能，可广泛应用于要求材料轻质、高强、电磁屏蔽性能稳定的场所中，如屏蔽室外壳、飞机蒙皮、设备舱等。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种三维编织碳纤维/mxene/环氧树脂电磁屏蔽复合材料及其制备方法，该电磁屏蔽复合材料轻质高强，具有优异抗冲击性、屏蔽效能、耐高温，能够克服现有电磁屏蔽材料力学性能不足的缺陷，实现结构功能一体化。
6.本发明提供一种电磁屏蔽复合材料，所述复合材料以多孔隙的三维编织碳纤维为增强体，以mxene为填充粒子，以环氧树脂为基体，所述mxene连通了相邻的碳纤维长丝之间电路，在环氧树脂中形成三维网络通道。
7.优选地，所述三维编织碳纤维结构包括三维四向、三维五向、三维六向或三维七向。
8.优选地，所述mxene包括ti3c2t
x
、v2ct
x
、nb2ct
x
、mo2ct
x
、nb4c3tx、v4c3t
x
中的一种或几种。
9.优选地，所述环氧树脂包括间苯二酚环氧树脂、丙三醇环氧树脂、酚醛多环氧树脂中的一种或几种。
10.本发明还提供一种电磁屏蔽复合材料的制备方法，包括：
11.(1)碳纤维利用编织工艺制备三维编织碳纤维；
12.(2)将环氧树脂溶解于稀料，加入mxene，分散，得到电磁屏蔽填料分散液；
13.(3)将步骤(2)中电磁屏蔽填料分散液搅拌并超声处理，加热挥发稀料，然后加入固化剂，脱泡，得到树脂混合液；
14.(4)利用成型工艺，将步骤(3)中树脂混合液对步骤(1)中三维编织碳纤维进行树脂灌注，固化，得到电磁屏蔽复合材料。
15.优选地，所述步骤(1)中碳纤维为6-24k碳纤维。
16.优选地，所述步骤(1)中编织工艺为：通过四步法或二步法编织工艺使编织纱相互交织。
17.优选地，所述步骤(2)中稀料包括丙酮、乙醇、乙二醇、甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、二氧六环中的一种或几种。
18.优选地，所述步骤(3)中树脂混合液组分按照重量百分比包括：mxene 2％-15％，环氧树脂40％-50％，固化剂34％-42.5％，稀料5％-15％。
19.优选地，所述步骤(3)中固化剂包括脂肪胺/改性脂肪胺固化剂、脂环胺/改性脂环胺固化剂、聚酰胺固化剂、芳香胺/改性芳香胺固化剂、酚醛胺固化剂中的一种或几种。
20.优选地，所述步骤(4)中成型工艺包括真空辅助树脂传递工艺、树脂传递模塑工艺或真空灌注成型工艺。
21.本发明还提供一种上述电磁屏蔽复合材料在飞机骨架、蒙皮、电子设备以及各种功能性元器件中的应用。
22.有益效果
23.(1)本发明具有耐高温性，碳纤维长期工作温度可达300℃左右，并保持力学性能不下降(强度超钢材)，可应用于航天和军事的极端条件下。
24.(2)本发明三维编织碳纤维多向纱有助于导电以提高电磁屏蔽性能，三维编织的多向纱在各个方向上形成了导电通路，有利于电子在交变电场时的来回运动，增加了欧姆损耗，提高了电磁屏蔽性能。
25.(3)本发明三维编织准各向同性，对各方向的电磁波都有吸收，相比于单层铺层或是导电填料复合材料，三维编织预制件纤维的取向有四个以上，能实现对各个方向电磁波的吸收。
26.(4)本发明力学性能优异，三维编织碳纤维/环氧树脂保持了三维编织件的优良的力学性能，在外力作用下不易分层；具有高比强度、比模量；抗疲劳性能好；振动阻尼能力强，吸振性能好；耐烧蚀性卓越；可设计性强，成型工艺较为简单；过载时安全性能好等优势。
27.(5)本发明电磁屏蔽性能稳定，树脂作为最外层的材料可以有效保护mxene，防止其氧化，从而保证复合材料的性能可靠性和稳定性。
附图说明
28.图1为本发明三维编织碳纤维/mxene/环氧树脂电磁屏蔽复合材料的结构示意图，其中，1为碳纤维三维编织预制件；2为mxene；3为表层环氧树脂。
29.图2为实施例1制得的碳纤维/mxene/环氧树脂电磁屏蔽复合材料的屏蔽效能。
具体实施方式
30.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。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。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
31.实施例1
32.一种三维编织碳纤维/mxene/环氧树脂电磁屏蔽复合材料，以三维四向碳纤维三维编织预制件为增强体，树脂混合液包括以下重量百分比的组分：mxene 15％，环氧树脂40％，固化剂34％，稀料11％；其中mxene为muld-ti3c2t
x
。
33.具体地，本实施例中，环氧树脂为常熟佳发化学有限责任公司生产的jc-02a，固化剂为常熟佳发化学有限责任公司生产的jc-02b，mxene为苏州北科纳米科技有限公司生产的风琴状muld-ti3c2t
x
,碳纤维为日本东丽生产的t300碳纤维。
34.本实施例还提供了一种三维编织碳纤维/mxene/环氧树脂电磁屏蔽复合材料制备方法，包括以下步骤：
35.(1)利用四步法编织工艺制备编织三维四向预制件；
36.(2)将40g环氧树脂用22g丙酮稀释；
37.(3)在步骤(2)所得的稀释后的环氧树脂中加入15g muld-ti3c2t
x
填料并分散均匀得到电磁屏蔽填料分散液；
38.(4)将步骤(3)所得的电磁屏蔽填料分散液进行25℃恒温磁力搅拌并进行频率为40khz，时间为30min的超声处理；
39.(5)将步骤(4)所得的超声后的电磁屏蔽填料分散液加热以挥发绝大部分稀料并加入34gjc-02b固化剂混合均匀；
40.(6)将步骤(5)所得的加入固化剂后的电磁屏蔽填料分散液置于60℃的真空烘燥箱中脱泡1.5h；
41.(7)分散液温度保持60℃，真空度保持0.1mpa，通过真空辅助树脂传递模塑工艺将步骤(6)所得的脱泡后的电磁屏蔽填料分散液对步骤(1)所得的编织预制件进行树脂灌注；
42.(8)将步骤(7)所得的经树脂灌注后的编织预制件于烘箱中进行固化，90℃下烘2h，110℃下烘1h，130℃下烘4h，即得碳纤维/mxene/环氧树脂电磁屏蔽复合材料。
43.电磁波吸收效能测试采用安捷伦pan-ln523b矢量网络分析仪，按照波导法对三维编织碳纤维/mxene/环氧树脂复合材料进行测试。在8.2-12.4ghz频段范围内，测试材料的吸收及反射功率值。具体测试数据如表1所示：
44.表1电磁波吸收效能测试
45.测试频率/ghzra8.20.440.568.80.320.679.40.240.7610.00.170.83
10.60.130.8711.20.100.8911.80.080.9112.40.080.92
46.从表1可以看出，丙酮的加入使环氧树脂粘度大大下降，促进了mxene在树脂体系中的均匀分散。mxene连通了相邻的碳纤维长丝之间电路，在树脂基体中形成了高效的电磁传输三维网络通道，显著提升了其导电性和复合材料的电磁波吸收性能，使得更多的电磁波被材料吸收。此外，三维编织预制件内部含有较多的空隙，电磁波穿过时在孔壁上不断反射，增加电磁波的传输距离，从而使电磁波能量在电磁场中经历多次反射，最后以热能的形式损耗掉。实例1制备的材料密度为1.82g/cm3,满足电磁屏蔽材料轻量化的发展要求。
47.力学测试采用instron dynatup 9250落锤式冲击试验机，冲击头为7.2550kg的方形冲击板，冲击压缩能量量为15j，每25ms采集一次数据。具体测试数据如表2所示：
48.表2冲击测试
[0049][0050][0051]
从表2可以看出，该材料在15j能量冲击下，最大载荷在0.46ms时，可达10.34kn，且材料在冲击作用下不发生分层，抗冲击性能优异。
[0052]
实施例2
[0053]
一种三维编织碳纤维/mxene/环氧树脂电磁屏蔽复合材料，以三维五向碳纤维三维编织预制件为增强体，树脂混合液包括如下重量百分比的组分：mxene 2％，环氧树脂50％，固化剂42.5％，乙醇5.5％；其中mxene为v2ct
x
。
[0054]
具体地，本实施例中，环氧树脂为常熟佳发化学有限责任公司生产的jc-02a，固化剂为常熟佳发化学有限责任公司生产的jc-02b，mxene为苏州北科纳米科技有限公司生产的单层v2ct
x
，碳纤维为日本东丽生产的t300碳纤维。
[0055]
本实施例还提供了一种三维编织碳纤维/mxene/环氧树脂电磁屏蔽复合材料制备方法，包括以下步骤：
[0056]
(1)利用四步法编织工艺制备编织三维五向预制件；
[0057]
(2)将50g环氧树脂用15g乙醇溶液稀释；
[0058]
(3)在步骤(2)所得的稀释后的环氧树脂中加入2g v2ct
x
填料并分散均匀得到电磁屏蔽填料分散液；
[0059]
(4)将步骤(3)所得的电磁屏蔽填料分散液进行25℃恒温磁力搅拌并进行频率为40khz，时间为30min的超声处理；
[0060]
(5)将步骤(4)所得的超声后的电磁屏蔽填料分散液加热以挥发绝大部分稀料并加入42.5gjc-02b固化剂混合均匀；
[0061]
(6)将步骤(5)所得的加入固化剂后的电磁屏蔽填料分散液置于60℃的真空烘燥箱中脱泡1.5h；
[0062]
(7)分散液温度保持60℃，真空度保持0.1mpa，通过真空辅助树脂传递模塑工艺将步骤(6)所得的脱泡后的电磁屏蔽填料分散液对步骤(1)所得的编织预制件进行树脂灌注；
[0063]
(8)将步骤(7)所得的经树脂灌注后的编织预制件于烘箱中进行固化，90℃下烘2h，110℃下烘1h，130℃下烘4h，即得碳纤维/mxene/环氧树脂电磁屏蔽复合材料。
[0064]
采用安捷伦pan-ln523b矢量网络分析仪，按照波导法对三维编织碳纤维/mxene/环氧树脂复合材料进行测试，如表3所示。在8.2-12.4ghz频段范围内，电磁波屏蔽吸收功率最高可达0.83。在冲击能量为15j的冲击测试中，试件最大载荷达6.67kn表现出良好的抗冲击性能，如表4所示。
[0065]
表3电磁波吸收效能测试
[0066]
测试频率/ghzra8.20.580.428.80.490.519.40.400.5910.00.320.6710.60.260.7311.20.210.7811.80.190.8112.40.170.83
[0067]
表4冲击测试
[0068]
时间/ms载荷/kn0.0000.236.250.466.670.695.520.925.251.155.151.385.061.614.461.844.45