镍基导电涂料微波反射性能研究

data-full-width-responsive="true"> 摘要：以微米镍粉和丙烯酸乳液为原料制备复合导电涂料，研究了涂料中镍粉和水的含量以及涂层厚度对涂膜微波反射率的影响，并分析了涂膜的微观结构。结果表明，当镍粉含量为40% ~ 50%、水为20% ~ 30%时，所得涂膜中镍粉分散均匀；当涂层厚度为(140 8) m 时，涂膜在频率为2 ~ 18 GHz 范围内的微波反射率最高，达到铝板的60% ~ 70%。1 前言电子、电气、通讯及信息产业的飞速发展给人们带来了一系列新的问题，主要表现在电磁波辐射带来的危害：如电磁波干扰、电磁波信息泄密及电磁环境污染等。这已经成为一个越来越严重的问题[1]。我国从20 世纪80 年代末期才开始对导电涂料的研究和开发，其主要用作电磁波屏蔽涂料[2]。经历30 年的发展，相继开发出了碳系导电涂料[3]、镍系导电涂料[4]、铜系导电涂料[5]等多个品种。但是大部分的研究只针对导电涂料的低频电磁屏蔽性能，而对导电涂料在高频波段的微波性能很少涉及。本文主要研究镍基导电涂料在微波厘米波段(2 ~ 18 GHz)对微波的反射性能，主要用作军用微波强反射涂料。其原理是将镍粉作为导电填料，加入水性丙烯酸乳液中做成涂料，刷涂于涤纶布表面后测试它在微波厘米波段(2 ~ 18 GHz)的反射率[6]。2 实验2 1 原料与仪器水性丙烯酸乳液，北京互益化工厂；导电镍粉(平均粒径2 m)，北京安特普纳科贸有限公司；增韧剂，美国盛创；蒸馏水、成膜剂和导电助剂，自制。反射率测试系统，由中国运载火箭技术研究院703 所提供。2 2 涂料的制备涂料基础配方如下：镍粉 40% ~ 50%丙烯酸乳液 25%蒸馏水 20% ~ 30%增韧剂SH-100 1%成膜剂(丙二醇醚) 1%导电助剂(聚吡咯) 1%将丙烯酸乳液按照一定的配比加入蒸馏水中，搅拌20 min 后，将导电助剂、成膜剂、增韧剂加入溶液中，最后将镍粉加入溶液中搅拌均匀。2 3 微波反射率的测试将涂料刷涂于20 cm 20 cm 的涤纶布上，常温固化后用反射率测试系统测试其微波反射率。该系统的工作方式为扫频测量，可使测量范围达到2 ~ 18 GHz。其装置如图1 所示。将发射天线与接收天线对称地置于圆弧上，该平面与试样所在的平面互相垂直。由发射天线对吸波材料产生激励，其反射信号被接收天线捕捉到。该系统与弓形法测反射率系统类似，但其最大不同是试样下面的支架是强吸波材料而不是铝板。2 4 微波反射率的表征以5 mm 厚标准铝板的微波反射率为基准，测出反射率后，通过公式(1)计算出反射功率，用涂料的反射功率与标准铝板的反射功率作比较[7]。式中P反表示涂料的反射功率， P入表示铝板的反射功率，R 表示用弓形法测试系统测出的涂料的反射率(单位为dB)。公式(1)由公式( ) 1 1 2 R =10lg( P1/ P2) 演变而来。其中，1 P 表示试样的反射波功率， 2 P 表示试样的入射波功率，1 R 表示样品的反射率。测试时，先把铝板放在样板支架上，把铝板的反射率调为零，即铝板的反射功率等于测试系统电磁波的入射功率。然后，再把所测样品放在样板支架上测其反射率，测出的反射率即为公式(1)中的R，而公式(1)中的P P反入即为样品的电磁波反射功率与测试系统的电磁波入射功率之比值。而测试系统的电磁波入射功率又等于铝板的电磁波反射功率，所以公式(1)中的P P反入即为测试样品与铝板的反射功率之比。这样就把测得的涂料的微波反射率R 通过公式(1)转化成为了涂料的反射功率相对于标准铝板的反射功率的百分比，能够更直观的表征涂料的微波反射性能。3 结果与讨论3 1 镍粉含量对涂料微波反射性能的影响图2 为不同镍粉含量的强反射涂料涂膜的频率反射率曲线。导电涂料的导电机理有掺合性导电高聚物无限网链理论和隧道效应两种[2]。由F Bueche 提出的掺合性导电高聚物无限网络理论认为，在含有金属微粒的高聚物体系中，当金属微粒的浓度达到某一临界值时，体系中的金属微粒会形成一种导电无限网，载流子可以在其中作自由移动，从而使绝缘体变成半导体或导体。导电网链越多，填料粒子分布越均匀，导电性就越高。隧道效应是指导电粒子之问的距离小到某一值时，电子在热振动作用下产生迁移运动，从而形成导电网络。由此可知，涂料中镍粉的含量对涂层的导电性有很大的影响。由图2 可以看出，当涂料中镍粉含量为20%时，涂料中导电网络没有形成，对微波的反射性能很低；当镍粉的含量达到40%以后，涂料形成了导电网络，微波反射性能得到很大提高，涂层对微波的反射率达到铝板的70%；在镍粉含量为50%时，由于粒子在基料中已构成导电通路的网络，镍粉含量增加并不能使导电通路明显增多，因此漆膜的微波反射性能提高不明显。此时，在高频阶段，涂料的反射性能反而有下降的趋势。这是由于镍粉含量太高，容易在局部形成沉降所致。因此，兼顾涂料的导电性和较好的涂层性能，并考虑到生产成本，宜选取镍粉含量在40% ~ 50%的稳定区域。3 2 水分含量对涂层反射性能的影响图3 为涂料中水分含量不同时的频率反射率曲线。从图3 可以看出，将水分的质量分数控制在20% ~30%之间，涂层的反射性能最好，超过或降低对涂料的反射性能都不利。当水含量较低时，涂料较干，导电填料在涂料中不能够充分分散和湿润，容易成团，而且涂刷性也不好；当水含量较高时，由于挥发量较大，固化时间过长，导致镍粉易沉降于乳液底部，从而使导电填料中的导电网链、粒子间距受到影响，故涂膜反射性能降低。3 3 涂层厚度对反射性能的影响图4 为厚度不同时涂层的频率反射曲线。从图4 可以看出，随着涂层厚度的增加，其反射性能逐渐升高。当厚度达到(140 8) m 后再增加厚度，涂层反射性能随厚度的增加反而下降。原因是当涂层厚度薄时，其导电网链还没有完全形成或网链不完整，因而导电性能比较低；随着涂层厚度增加，导电网络基本形成，反射率在高频时明显提高；随着涂层厚度继续增加，涂层的表干时间显著增长，这时由于受金属微粒的沉降及树脂浮于涂层表面的影响，涂料的导电性能下降，反射率降低。3 4 涂层的表面形貌镍涂层的导电性是由于镍粉微粒在涂层中形成导电网络及隧道效应所致。如果实际操作工艺不成熟或受到外界条件影响较大，导电涂层会产生各种微观缺陷，如针孔、沉降以及导电微粒分布不均匀等情况，这会在很大程度上影响导电网络的完整性和隧道效应的实现，导致导电性能降低。而且如果配方设计不当，如涂料中镍粉含量较高时，镍粉的分散性能变差，部分镍粉呈现堆积状态，这显然对导电通道的形成不利。因此，镍粉在涂料中的分布越均匀，涂层的导电性与微波反射性能就越好。图5 是所制备的反射涂料涂膜的SEM 照片。由此看出，镍粉在涂层中的分布较均匀。3 5 涂膜的物理机械性能按配方制备的反射涂料涂膜的物理机械性能如表1所示。表1 表明，涂膜的各项物理机械性能均达到国标要求。4 结论采用微米级的导电镍粉和水性丙烯酸乳液为原料，制备了水性镍基导电涂料，用弓形法测试了涂层的微波反射性能。实验结果表明，涂层厚度对涂层的微波反射性能有较大的影响，当涂层的厚度为(140 8) m、镍粉的含量为40% ~ 50%、水的含量为20% ~ 30%时，涂料中镍粉分布均匀，涂层的微波反射性能最好，能达到铝板的60% ~ 70%。该涂料可用作微波强反射涂料。