一种基于多尺度梯度阻抗匹配网络的碳纤维电磁屏蔽复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及复合材料，具体涉及电磁屏蔽高分子复合材料，特别是涉及一种基于多尺度梯度阻抗匹配网络的碳纤维电磁屏蔽复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着5g/6g通信技术、高功率电子器件及航空航天装备的快速发展，电磁干扰（electromagnetic interference，emi）和电磁污染问题日益严峻。电磁波不仅会对精密电子设备的正常运行造成严重干扰，还会对人体健康产生潜在危害。因此，开发高性能电磁屏蔽材料已成为当前材料科学和电子工程领域的研究热点。

2、碳纤维（carbon fiber，cf）因其优异的比强度、比模量、耐高温性能以及本征导电性，被认为是制备轻量化电磁屏蔽复合材料的理想增强体，通过在聚合物基体中引入碳纤维及其衍生填料，可构建导电网络以实现电磁屏蔽功能；然而，现有碳纤维基电磁屏蔽材料在结构设计、填料协同、制备工艺等方面仍存在诸多技术瓶颈，限制了其实际应用效能。

3、参见公开号为cn205223076u的专利公开了一种具有电磁屏蔽性能的镀镍碳纤维板，其采用碳纤维布为基材，通过磁控溅射镀镍、电镀铜、电镀镍的三层镀层结构设计，在150khz~18ghz频段电磁屏蔽效能大于40db；然而，该材料以反射机制为主导，主要依靠金属镀层的高导电性反射电磁波，吸收占比低，且镀层与碳纤维界面结合主要依赖物理吸附，长期使用中易发生镀层剥落。

4、参见公开号为cn117801465a的专利公开了一种改性碳纤维电磁屏蔽复合材料，其引入zno和羰基铁粉磁性粒子，通过介电损耗与磁损耗协同作用提高电磁波吸收，尽管引入了磁性填料增强吸收，但金属镀层与碳纤维基体界面结合强度仍有限，且未采用mxene等二维纳米材料进行界面桥接，导电网络构建效率有待提升。

5、参见公开号为cn120248529a的专利公开了一种高性能宽波段电磁屏蔽碳纤维预浸料，其将mxene纳米片与水性聚合物树脂复合，实现了宽波段屏蔽，但mxene仅以简单混合方式分散于树脂中，未实现与碳纤维表面的有序锚固，未构建梯度阻抗结构。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是提供一种碳纤维电磁屏蔽复合材料，通过多尺度梯度阻抗匹配网络结构实现从阻抗匹配到损耗吸收的梯度功能设计，实现介电损耗、磁损耗和导电损耗的多机制协同，在宽频范围内实现高屏蔽效能和高吸收占比。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种碳纤维电磁屏蔽复合材料，包括沿厚度方向依次分布的阻抗匹配层、损耗吸收层、以及反射底层，且所述阻抗匹配层与所述损耗吸收层之间、所述损耗吸收层与所述反射底层之间设置有过渡界面区，

4、所述阻抗匹配层、损耗吸收层、反射底层均包含基体材料、分布在所述基体材料中的功能性填料，所述功能性填料包含镀镍碳纤维、mxene纳米片、以及fe3o4@sio2粒子，所述mxene纳米片包覆在所述镀镍碳纤维表面，并与之形成贯穿所述阻抗匹配层、损耗吸收层、反射底层的导电骨架，所述fe3o4@sio2粒子弥散分布于所述导电骨架的三维网络间隙中，且所述损耗吸收层中功能性填料的总含量高于所述阻抗匹配层中功能性填料的总含量，所述反射底层中镀镍碳纤维的含量高于所述损耗吸收层中镀镍碳纤维的含量。

5、在本发明中：fe3o4@sio2粒子的“弥散分布”与现有技术中的简单“嵌入”具有本质区别和技术优势：

6、第一：空间定位精度不同：弥散分布使fe3o4@sio2粒子精确分布于ni-cf/mxene构建的三维导电网络间隙中，而非随机分散于基体树脂中，确保了磁损耗单元与介电损耗单元的空间协同；

7、第二：界面耦合效应不同：弥散分布使fe3o4@sio2粒子与导电骨架表面形成大量异质界面，产生强烈的界面极化损耗，而嵌入方式缺乏这种有序界面耦合；

8、第三：渗流阈值调控不同：弥散分布可在较低填料含量下（2-8wt%）形成有效的磁损耗通路，而嵌入方式需更高含量才能达到相同效果；

9、第四：阻抗梯度连续性不同：弥散分布配合梯度结构可实现介电常数和磁导率的连续渐变，嵌入方式难以实现这种精确调控。

10、上述弥散分布的有益效果通过以下机理实现：fe3o4@sio2粒子的sio2壳层具有低介电常数，在ni-cf/mxene高介电网络间隙中形成介电“孤岛”效应，既避免了导电填料直接接触导致的介电常数过高，又通过壳层厚度调控实现了局部阻抗匹配优化。

11、三种填料的跨尺度级联分布形成了从毫米到纳米的全尺度电磁响应网络，提高对宽频范围内不同波长电磁波的响应能力。

12、上述技术方案优选地，所述功能性填料的总含量为7.5~47wt%，其中：所述镀镍碳纤维的含量为16~32wt%，所述mxene纳米片的含量为0.3~6wt%，所述fe3o4@sio2粒子的含量为1.2~9wt%。所述功能性填料在三层中分别形成从准连续到完全连续的导电网络，所述镀镍碳纤维的渗流阈值约8-12wt%，所述mxene纳米片为辅助性填料，过量会导致介电常数过高而恶化阻抗匹配；所述fe3o4@sio2提供适度磁损耗，过量则增加密度且磁损耗趋于饱和。

13、上述技术方案优选地，所述阻抗匹配层中：所述功能性填料的总含量为7.5~25wt%，其中：所述镀镍碳纤维的含量为6~18wt%，所述mxene纳米片的含量为0.3~2wt%，所述fe3o4@sio2粒子的含量为1.2~5wt%。

14、上述技术方案优选地，所述损耗吸收层中：所述功能性填料的总含量为12.5~38wt%，其中：所述镀镍碳纤维的含量为10~25wt%，所述mxene纳米片的含量为0.5~5wt%，所述fe3o4@sio2粒子的含量为2~5wt%。

15、上述技术方案优选地，所述反射底层中：所述功能性填料的总含量为17.5~47wt%，其中：所述镀镍碳纤维的含量为14~32wt%，所述mxene纳米片的含量为0.7~6wt%，所述fe3o4@sio2粒子的含量为2.8~9wt%。

16、上述技术方案优选地，所述复合材料总厚度为1~5mm，兼顾了屏蔽效能与轻量化需求。

17、上述技术方案优选地，所述阻抗匹配层、损耗吸收层、反射底层的厚度比为（2~4）：（3~6）：（1~3），所述阻抗匹配层实现渐变阻抗过渡，所述损耗吸收层为电磁能量耗散的主要场所，所述反射底层主要起反射作用而非吸收。

18、上述技术方案优选地，所述过渡界面区的厚度为30~150μm，基于填料浓度梯度的扩散距离和电磁波在界面处的趋肤深度计算，过薄的过渡界面区无法有效消除界面不连续效应，过厚则模糊了三层功能分区。

19、进一步优选地，所述过渡界面区中，所述导电骨架的空间密度从所述阻抗匹配层至所述反射底层连续渐变，而非突变中断。

20、进一步优选地，所述过渡界面区的厚度为30-120μm。

21、上述技术方案优选地，所述复合材料从所述阻抗匹配层至所述反射底层：其介电常数逐渐增大、磁导率逐渐增大、电导率逐渐增大。

22、上述技术方案优选地，所述阻抗匹配层的相对介电常数为5~20，确保阻抗匹配层与自由空间（空气，波阻抗z0≈377ω）之间具有良好的阻抗匹配，使电磁波能够高效进入材料内部而非被表面反射；其镀镍碳纤维含量在三层中最低，通过降低导电填料含量来控制介电常数在较低水平，其mxene纳米片在所述阻抗匹配层中以单层或少层分散状态均匀分布，确保所述mxene纳米片的二维结构特征得以保留，最大化其比表面积和界面极化效应，同时避免因团聚导致局部介电常数过高。

23、所述阻抗匹配层的磁导率接近1，主要为介电匹配而非吸收。

24、上述技术方案优选地，所述损耗吸收层的相对介电常数为10~35，表明该层具有更强的介电响应能力，可支持更大的介电损耗，确保在8.2-40ghz频段内存在有效的极化弛豫损耗。

25、所述损耗吸收层的磁导率为1.5~6，提供了适度的磁损耗，使电磁波的电场分量和磁场分量均可被有效衰减，磁性fe3o4在微波频段的自然共振频率约为1-2ghz，通过纳米尺寸效应和形状各向异性，可将有效磁损耗扩展到x波段和ku波段。磁导率为1.5-6；其镀镍碳纤维、mxene纳米片和fe3o4@sio2粒子在所述损耗吸收层中形成多尺度协同损耗网络，所述镀镍碳纤维提供导电损耗和漏电流损耗，所述mxene纳米片提供界面极化和偶极极化损耗，所述fe3o4@sio2粒子提供自然共振、交换共振和涡流损耗，三种损耗机制的协同作用可实现电磁能量的高效转化。

26、上述技术方案优选地，所述反射底层的电导率大于50s/m，较高的电导率确保该层对电磁波具有强反射能力，可将穿透损耗吸收层的残余电磁波几乎全部反射，通过最大化导电填料含量形成连续导电网络（逾渗网络完全建立后的高导通态），是实现高电导率的填料基础；其镀镍碳纤维在所述反射底层中的含量在三层中最高，形成连续导电网络以反射穿透电磁波，其形成连续导电网络以反射穿透电磁波：明确了反射底层的核心功能定位——并非吸收，而是反射，反射回的电磁波在所述损耗吸收层中再次经历吸收衰减，相当于增加了电磁波的有效传播路径，从而大幅提升总体吸收效率。

27、上述技术方案优选地，所述基体材料选自环氧树脂、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚、不饱和聚酯、酚醛树脂及其改性物中的一种或多种，具有优异的力学性能、耐热性和化学稳定性。

28、上述技术方案优选地，所述复合材料在8.2~40ghz频段内电磁屏蔽效能为65~85db，电磁波吸收率大于80%，表面反射系数小于5db，适用于航空航天器、电子设备或通信基站的电磁屏蔽领域。

29、本发明的一个目的是提供一种碳纤维电磁屏蔽复合材料的制备方法。

30、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

31、一种碳纤维电磁屏蔽复合材料的制备方法，包括：

32、（1）、对碳纤维进行化学镀镍，得到镀镍碳纤维，

33、（2）、将mxene纳米片通过静电自组装包覆于镀镍碳纤维表面，得到镀镍碳纤维-mxene复合填料，

34、（3）、采用原位接枝法在fe3o4表面包覆sio2壳层，得到fe3o4@sio2纳米粒子，

35、（4）、将镀镍碳纤维-mxene复合填料、fe3o4@ sio2粒子按梯度比例分别与基体材料复合制备阻抗匹配层、损耗吸收层、以及反射底层，各层中镀镍碳纤维-mxene复合填料形成导电骨架、fe3o4@ sio2粒子弥散分布于导电骨架的三维网络间隙中，依次铺设阻抗匹配层、损耗吸收层和反射底层，相邻各层料浆之间存在预设的填料浓度差，该浓度差驱使填料在层间接触界面处发生相互渗透和扩散，通过真空辅助浸渍，树脂基体流动带动fe3o4@sio2在层间重分布，同时真空压力使各层紧密贴合但不消除已建立的浓度梯度，固化定型后，树脂基体凝胶化将已形成的浓度梯度锁定为稳定的过渡界面区，并制得复合材料。

36、在本发明中：“弥散分布”与一般工艺方法的区别如下：

37、一般技术通常采用机械搅拌或超声分散将fe3o4@sio2粒子直接混入基体树脂中，形成“嵌入”"结构，这种工艺存在以下固有缺陷：填料随机分散，无法保证磁损耗单元与导电骨架的空间协同；高填料含量下易发生团聚，导致局部介电常数突变和阻抗失配；缺乏有序界面耦合，界面极化损耗贡献有限。

38、本发明采用“弥散分布”工艺，其核心在于：

39、首先构建ni-cf/mxene三维导电骨架作为空间模板，然后通过真空辅助浸渍成型工艺，在真空度使含fe3o4@sio2粒子的基体树脂充分渗透至骨架间隙，纳米粒子随树脂流动自动填充三维网络间隙而非包覆在骨架表面，这种“先建骨架、后填间隙”的制备方法实现了：

40、空间有序性：纳米粒子精确定位于导电网络间隙而非随机分布；

41、低含量高效性：在较低含量下即可形成有效磁损耗通路，避免了嵌入方式所需的15wt%以上高填充；

42、界面协同性：纳米粒子与导电骨架表面形成大量异质界面，产生强烈的界面极化和介电-磁耦合损耗；

43、梯度连续性：通过控制各层浸渍料浆中纳米粒子的浓度，实现磁导率沿厚度方向的连续渐变。

44、上述技术方案优选地，所述镀镍碳纤维的长度为1-10mm，所述化学镀镍的镀镍层厚度为0.5-5μm，基于电磁屏蔽效能与界面结合力的平衡：过薄则导电网络不完整，过厚则增加重量且易剥落；

45、所述mxene纳米片的长度为1-10μm，所述mxene纳米片为ti3c2tx，mxene纳米片在镀镍碳纤维表面的包覆率为60-90%，具有优异的金属导电性和丰富的表面官能团，保其能完全包覆直径约7-14μm（含0.5-5μm镍层）的镀镍碳纤维，同时保留二维纳米片的形态优势；

46、所述fe3o4@sio2粒子中fe3o4的核壳长度为50-500nm，sio2壳层的厚度为10-100nm。

47、上述技术方案优选地，在（2）的静电自组装中：静电作用电压为10-50v，组装时间为1-4h；

48、在（3）中的原位接枝法中，以硅烷偶联剂为接枝介质，在fe3o4表面原位生长sio2壳层，反应温度为60-120℃，反应时间为4-12h；

49、在（4）中的真空辅助浸渍中：真空度为-0.08~-0.1mpa，浸渍时间为2-6h，固化温度为80-200℃，固化时间为2-4h。

50、由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

51、1、通过设计三层梯度阻抗匹配网络结构，使入射电磁波在阻抗匹配层表面产生较低的初始反射率（反射系数γ<0.2），电磁波逐步进入材料内部后，在损耗吸收层中通过介电损耗、磁损耗和导电损耗的多机制协同作用被高效吸收；

52、2、采用三级多尺度协同填料体系：第一级镀镍碳纤维（长度尺度mm级）构建基础导电骨架，提供电导损耗和电磁波的多重反射散射路径；第二级mxene纳米片（长度尺度μm级）包覆于碳纤维表面形成三维导电网络，提供丰富的界面极化损耗和偶极极化损耗；第三级fe3o4@sio2粒子（长度尺度nm级）提供磁损耗机制和阻抗匹配调控功能，三种填料在空间上的有序分布和功能上的协同互补，使复合材料同时具备强介电损耗、磁损耗和导电损耗能力，实现了电磁能量的高效耗散。

53、3、多尺度填料体系的协同作用和三梯度结构的宽带阻抗匹配设计，使得复合材料在x波段（8.2-12.4ghz）和ku波段（12.4-18ghz）均表现出优异的电磁屏蔽性能。