抽象

1.简介

当电子设备受到不需要的电磁辐射干扰时，会发生电磁干扰（EMI）。EMI屏蔽是指通过用作屏障的材料反射和/或吸收电磁辐射。EMI屏蔽的重要性涉及用于可靠的电子和辐射源[快速增长要求1，2，3 ]。

EMI屏蔽机制包括反射，吸收和多次反射。反射的主要机制依赖于材料中存在的移动电荷载流子（电子或电子空穴）。因此，即使通常不需要，也经常使用诸如金属的导电材料。然而，已发现屏蔽以通过连接被增强[ 1，2 ]。次要机制是吸收。为了获得显着的吸收率，屏障应该具有与电磁辐射场相互作用的电和/或磁偶极子。吸收损耗正比于屏蔽的厚度和是的函数σ - [R ，μ - [R ，其中σ ř是相对于铜的导电性和μ - [R是相对磁导率。随着频率的增加而反射吸收增加倾向于降低[ 1，2]。第三种机制是多次反射，它指的是屏蔽中各种表面或界面处的反射。该机制要求在屏蔽内存在大的表面区域或界面。这种屏蔽的实例是包含具有大表面积的填料的复合材料。因此，它主要基于复合材料的结构几何特性。当反射表面或界面之间的距离大于趋肤深度时，可以忽略由于多次反射引起的损失。趋肤深度与频率，电导率或透湿性[的增大而减小1，2 ]。

屏蔽材料的性能通常由EMI屏蔽效能（SE）定义。该值以分贝（dB）表示材料的屏蔽质量。大多数屏蔽材料的介质SE为30 dB。这相当于令人满意地减少了99.9％的干扰信号[ 4 ]。迄今为止，聚合物复合材料和金属材料是EMI屏蔽材料最常用的候选材料[ 5 ]。许多研究[的6，7，8]专注于使用载有导电填料，纤维，纳米管和/或分散颗粒的聚合物复合材料。然而，这些方法具有缺点，即：难以加工，不可回收和高成本。作为具有优良的导电性或高磁导率，如铜，银，和镍的金属材料，虽然表现出很大的EMI屏蔽性能，高重量和密度限制他们的一些应用中的[ 9，10，11 ]。因此，开发具有合理屏蔽效果和足够机械性能的轻质材料是必要的。

Woodceramics是环保且可成形的多孔碳材料，由木材或木质材料制成，浸渍酚醛树脂，并在高温下真空碳化。在热解过程中，木材或木质材料变成软质无定形碳，浸渍的酚醛树脂变成硬质玻璃碳。值得注意的是，木陶瓷继承了木材的层次多孔结构。因此，木材陶瓷是由无定形碳和玻璃碳组成的多孔复合材料[ 12 ]。木材陶瓷的有趣的应用已经发现，诸如热绝缘，高温过滤和催化[ 13，14，15]。

人们也开始兴趣开发用于EMI屏蔽的木质陶瓷。Shibata等。[ 14 ]在热真空炉中用废酚纸和酚醛树脂制造木陶瓷。结果表明，废纸木材陶瓷在100 MHz时具有30 dB的电屏蔽效能，在300 MHz或更高时具有40至43 dB的电屏蔽效率，在100 MHz时的磁屏蔽效能为30 dB，在约400 MHz时的屏蔽效率为37 dB。建议优良的SE是由介电损耗引起的[ 14 ]。Suda等人。[ 16]通过在650和750℃下用PF树脂浸渍中密度纤维板（MDF，在热和压力下用粘合剂粘合的非结构木纤维板）制备木材陶瓷，然后在相对湿度10％-70％下检查性能。温度为20至100°C。发现木材陶瓷的电阻随温度和/或相对湿度的增加而线性下降。由于电阻和湿度/温度之间具有出色的线性[ 16 ]，木质陶瓷可以用于湿度和温度传感器。哦等人。[ 17]研究了不同碳化温度和树脂浸渍比下松木锯末木材陶瓷的电性能。电阻随着碳化温度的增加而降低（没有表明在1000℃以上进一步变化）和/或树脂浸渍比。研究结果表明，木质陶瓷可用于EMI屏蔽，加热和传感器材料[ 17 ]。李等人。[ 18用微波辐射制备木材陶瓷（碳化烟梗和PF树脂复合材料）。结果表明，随着微波辐射时间的延长，质量损失率，体积收缩率和表观密度增加，而体积电阻率和开孔率降低。类似地，随着表观密度随PF树脂的质量分数增加，质量损失率，体积收缩率，体积电阻率和开孔率降低。随着微波功率的增加，质量损失率，体积收缩率和开孔率增加，而表观密度和体积电阻率降低[ 18 ]。

尽管已经研究了木材陶瓷的一些EMI屏蔽性能，但是关于工艺参数对木材陶瓷的EMI SE的影响知之甚少。本研究旨在通过在高温和真空环境下碳化浸渍PF树脂的木粉来制造木材陶瓷。研究了碳化温度和木材/树脂比对EMI SE和木材陶瓷微观结构的影响。所获得的数据预计将导致残余木材利用，作为木材加工业的高价值副产品。

2。材料和方法

2.3。EMI SE的测量

基于ASTM D 4935-99“测量平面材料的电磁屏蔽效能的标准测试方法”，使用EMI SE测量系统（由东南大学，中国南京开发的法兰同轴传输线测试装置）。测量的频率范围为30 MHz至1.5 GHz。实验组件和设备的连接如图1所示。

 

图1

用于电磁干扰（EMI）屏蔽效能（SE）测试的法兰同轴传输线装置示意图。

3。结果与讨论

3.1。形态学

图 2a显示木材陶瓷通常是多孔碳材料，此外，数字1指向的部分显示由PF树脂产生的玻璃碳，数字2指向的部分显示由木粉形成的无定形碳，而黑色区域显示空隙。这种微观结构与Zhang等人的研究结果一致。和钱等人。[ 19， 20 ]。图 2b-d分别显示了在650,800和1000℃的碳化温度下木材陶瓷的SEM图像。与图 2c，d相比，当在650℃下烧结木材陶瓷时，横截面上的结构是松散的并且很少观察到连续相（图2）。B）。然而，在800℃下烧结的木材陶瓷上可以清楚地观察到玻璃碳连续相（图 2c）。相反，随着烧结温度达到1000℃，连续相逐渐减少。这种现象可能是由于玻璃碳的气化在1000℃时更强。浸渍的木粉收缩并且碳颗粒与升高的碳化温度紧密接触。由于碳化木粉的收缩率较高，碳化木粉之间的距离随着温度的升高而增大。

 

图2

不同碳化温度下木材陶瓷的微观结构（木材：树脂= 40:60）。（a）无定形碳和玻璃碳; （b）650°C; （c）800°C; （d）1000℃。

图3a -c分别显示了在1000℃下具有不同木材/树脂比例，60：40,50：50和40:60的木材陶瓷的微结构。如图所示，所有木质细胞壁都通过填充PF树脂来实施。由于主要的木结构保持良好的形状，木材细胞壁开始显示碳化后的玻璃碳的特征，木结构变得更密集，导致木坑的消失。图 3d显示酚醛树脂也可以填充木材的空隙。张等人。[ 19]还发现一定量的酚醛树脂能够阻挡碳化烟梗的多孔结构。随着PF树脂含量的增加，在木材轴向管胞和射线细胞中观察到PF树脂碳化留下的玻璃碳。在木材/树脂比例为40:60时，玻璃碳化现象更加明显。

 

图3

在1000℃下不同木材/树脂比率的SEM图像。（a）60（木材）：40（树脂）; （b）50（木材）：50（树脂）; （c）40（木材）：60（树脂）; （d）碳化PF在空隙中留下的玻璃碳。

3.2。碳化温度对EMI SE的影响

如图4所示，木材陶瓷（1000°C）的SE从47到33 dB急剧下降，频率从30增加到550 MHz，SE在550 MHz-1.5 GHz的带宽内波动在35到40 dB之间。很明显，从30 MHz到1.5 GHz，所有SE都超过30 dB，这表明木材陶瓷具有中等EMI SE水平。

 

图4

碳化温度对SE的影响（木材：树脂= 50:50，表观密度为0.649 g / cm 3（650°C），0.645 g / cm 3（800°C）和0.639 g / cm 3（1000°C）分别）。

在测试频率范围内，SE（800°C）大多超过30 dB。SE从35降至26 dB（30 MHz-550 MHz），然后逐渐增加至40 dB（550 MHz-1.5 GHz）。频率超过750 MHz时可实现中等EMI SE电平。

SE（650°C）的范围大多在25 dB左右。随着频率高于1.3 GHz，SE迅速增加。当频率超过1.35 GHz时，SE大于30 dB。

碳化温度对SE的影响因频率范围而异。SE在30 MHz-1.0 GHz频率范围内的碳化温度较高时得到改善。根据EMI屏蔽的主要机制，高导电率可以增强SE。Oh等人的研究。[ 17 ]表明，随着碳化温度的升高，电阻会降低。因此，较低的电阻有利于改善木材陶瓷的导电性和SE。根据多重反射机制，这种衰减需要存在大的表面区域或界面区域，如多孔或泡沫材料，或含有填料的复合材料，填料在屏蔽中具有大的表面积[ 1]]。SEM图像显示，当木材陶瓷从800℃烧结到1000℃时，碳化连续相，木粉和碳颗粒接触区域的尺寸逐渐减小，导致表面积增加。Chung等人。发现，由于趋肤效应（即高频电磁辐射仅与导体表面区域相互作用的现象），较大的表面积应提供更好的屏蔽[ 1 ]。

在1.0-1.45GHz的频率下，在800℃下获得的木材陶瓷的SE略高于在1000℃下的SE。650°C的SE迅速增加，频率高于1.3 GHz。这种趋势可以通过介电损耗来解释。可以从更高频率的木材陶瓷的介电函数测量中获得更大的介电常数[ 14 ]。因此，提出木材陶瓷的介电损耗导致EMI SE的增加。

木材陶瓷的结构可以引起反射，吸收和多次反射，这可以使得在800℃下获得的SE大于在1.0℃以上1000℃下获得的SE。在800℃和1000℃下获得的SE均大于在650℃下获得的SE。因此，碳化温度的升高可以提高SE。

3.3。木材/树脂比对EMI SE的影响

图5显示了木材/ PF树脂比率对木材陶瓷SE的影响，频率范围为30 MHz至1.5 GHz。在所有测试比率中，木材/ PF树脂比率为50:50的SE是最高的。当木材/树脂比例为60:40时，SE随着频率的增加逐渐减少。在30 MHz-350 MHz的较低频率范围内，SE超过30 dB。相反，当木材/ PF树脂比率为40:60时，SE在30和700 MHz之间稳定增加，然后在700 MHz至1.5 GHz之间波动约27 dB。

 

图5

木材/树脂比例对SE的影响（碳化温度为1000°C，表观密度为0.639 g / cm 3（50:50），0.625 g / cm 3（60:40）和0.642 g / cm 3（40:60） ）， 分别）。

根据Shibata等人的研究。[ 14 ]时，碳化温度和PF树脂含量有直接关系到木材陶瓷[的比表面积14，21 ]。李等人的研究。[ 18 ]也表明，PF树脂的比例越大，木材陶瓷的表观密度越大。随着PF树脂量的增加，质量损失率，体积收缩率，体积电阻率和开孔率降低[ 18 ]。这可以通过树脂含量影响木材陶瓷SE的提议来解释。因此，木材陶瓷的SE取决于浸渍的PF树脂的量。

4。结论

从这项研究中得出以下结论：

随着碳化温度的升高，木材陶瓷中的连续相玻璃碳增加然后减少。PF树脂的作用是使木质细胞壁碳化以获得玻璃碳的特性。树脂含量的增加可以将玻璃碳沉积到木材轴向管胞和射线细胞中。

在碳化温度为650,800和1000℃，木材/树脂比为50:50时，木材陶瓷的EMI SE在30MHz-1.5GHz的频率范围内。碳化温度的升高增强了SE。至于碳化温度为1000℃，木材陶瓷的SE达到中等水平。

木材陶瓷的SE受木材/树脂比率的显着影响。在30MHz-1.5GHz的频率范围内，比率50:50的SE显着高于比率60:40和40:60的SE。