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  1、注射成型多层碳纳米管和聚苯乙烯复合材料的电导率和电磁干扰屏蔽特性Mehdi Mahmoodi a, Mohammad Arjmand b, Uttandaraman Sundararaj b, Simon Park a,*a 机械及制造工程，卡尔加里大学，卡尔加里，加拿大T2N 1N4b 化工及石油工程，卡尔加里大学，卡尔加里，加拿大T2N 1N4摘 要 多层碳纳米管（MWCNT）/聚苯乙烯（PS）复合材料是注射到配置了三个不同型腔的模具中成型的。对熔体采用高剪切应力能达到碳纳米管在聚苯乙烯中的高度取向的效果。浇口和流道的设计以及加工条件对复合材料的体积电阻的影响，需要从厚度以及流动方向两方面

  2、来考察。加工条件包括模具的温度，熔体温度，注射/保压压力和注射速度等。实验表明。通过改变注加工条件，注塑成型试样的体积电阻率可以在7个数量级之间变化。模压复合材料的电磁屏蔽性能（EMI SE）能够最终靠考察碳纳米管的取向程度来研究。随着在PS基体上注塑成型的碳纳米管的对其度增加，电磁屏蔽系数EMI SE减小。这项研究表明，模具的设计和加工条件对注射成型的碳纳米管填充的复合材料的电导率和电磁屏蔽行为有显著影响一、 介绍由于碳纳米管（CNTs）具有优越的机械、热学和电磁性能，它可当作热塑性塑料的较有前景的的添加剂1,2。因为碳纳米管/聚合物复合材料具有较高的电气性能，加上它们在静电耗散、电磁干扰（E

  3、MI）屏蔽、印刷电路的写作和透明导电涂料的制作方面的成功应用，这些材料已经在学术界和工业界引起了极大关注3,4。很多研究者已经研究了使用熔体混合法制备的碳纳米管与热塑性塑料复合材料的电学性质，但只有极少数的研究选择了注射成型方法制备的导电高分子材料（CPCs）。注塑成型是制造热塑性塑料部件的常见方法。相比于其他制造工艺，如压缩成型，注射成型能在较短生产周期内制备碳纳米管/聚合物复合材料，并且有能力生产复杂的三位零件，这使得注塑成型法适用于大批次生产复合材料。此外，它广泛适用于多种热塑性塑料。注塑过程中的剪切流，明显影响着复合材料中碳纳米管的取向度。它能减小纤维之间接触的概率，从而将渗透阀值提

  4、升到更高的聚合物浓度水平6,8,9。当期待获得高导电性的制品时，这是注塑成型的一个劣势。但是当期望得到碳纳米管在特定方向的高度取向时，这就成了注塑成型的一个优势。一些研究人员已经研究过碳纳米管在注塑成型制品中的取向状况。Abbasi等人8使用不相同的成型路线研究了碳纳米管在聚碳酸酯中的取向状况，得出的结论是：相比于压缩成型，使用微注射成型能获得碳纳米管的高度取向，并且由此导致了更高的渗透阀值。Villmow等人6研究了工艺参数对注塑件体积表面电阻的影响，并得出结论：熔体温度和注射速度以及它们之间的相互作用，对试样的体积电阻率有着最大影响。据我们所知，目前还没有研究报告说明模具设计对注塑件电导率的

  5、影响。类似于碳纳米管基复合材料的导电性，人们对这类材料的电磁屏蔽性能(SE)做了广泛研究。碳纳米管的高电导率和高的宽比已经使其成为制造低填充量的高性能电磁屏蔽材料的良好选择。Al-Saleh和Sundararaj10采用了不同厚度与不同的MWCNT的浓度来研究多层碳纳米管（MWCNT）/聚丙烯（PP）复合材料的电磁屏蔽机理。结果发现，在MWCNT/PP复合材料中，吸收是主要屏蔽机理，其次是反射。在以往的研究中11，我们考察了不同浓度MWCNT组分的MWCNT/聚碳酸酯（PC）复合材料的电磁屏蔽效率（EMI SE）。根据结果得出材料的厚度和碳纳米管负载都能够明显影响碳纳米管填充复合材料的电磁屏蔽效率

  6、。以往关于碳纳米管填充复合材料的电磁屏蔽效率的研究中，研究者大多采用模压成型和解决方案为基础的加工方法来塑造试样10,12,13。然而，这种方法不适合于大规模生产聚合物部件，例如，与注塑成型工艺相比，模压成型需更长的成型时间，而且限于制造简单的二维制品。此外，基于解决方案的的加工方法很费时，而且有可能是在混合过程中损坏碳纳米管的表面特征。本文的重点是考察工艺参数和模具几何形状对注塑成型的MWCNT/PS复合材料的电学性能以及电磁屏蔽效率的影响。为实现这个目标，我们设计和制造了一个配有三个型腔的注塑模具。模具的温度，熔体温度，注射/保压压力以及注射速度被作为可变参数考虑。文中探索和讨论了碳纳米管的取

  7、向状况对注塑成型的导电高分子材料的电磁屏蔽行为的影响。在考察模压成型和和注塑成型样品的复介电常数时对此作了进一步研究。本文的其余部分组织如下：第二节介绍材料，实装置，模具设计和加工条件。第三节介绍实验结果和进行有关讨论，将涉及到注塑成型的MWCNT/PS复合材料的形态特征，体积电阻，电磁屏蔽效率以及介电常数。二、 材料以及实验装置将MWCNT的质量分数为20%的MWCNT/PS复合母粒（Hyperion Catalysis, MA, USA）稀释到MWCNT的质量分数为5%。多层碳纳米管呈气相生长，通常是10-15nm的外径包裹着一个直径为5nm的空心内径生长8。长度介于1到10m，而其密度约

  8、为1.75cm3。纯PS (Styron 610,Americas Styrenics LLC)，熔体流动指数为11g/10min(200C/5kg)，密度为0.94-0.96g/cm3 ，分别用以稀释母料。在使用之前，所有材料都要在80下至少干燥四小时。采用同向双螺杆挤出机将母料稀释为质量分数为5%的MWCNT/PS复合材料。实验中使用的是微注射成型机（Boy 12A），螺杆直径18mm，长径比（L/D）为20。采用两个级别（较大值和较小值），四种因素的析因设计进行了一系列实验，目的是研究工艺参数对成型试样的体积电阻和电磁屏蔽效率（EMI SE）的影响。四种因素包括模具的温度(c1)，熔体温度

  9、（c2），注射/保压压力（c3）和注射速度（c4）。根据最大可能的时间间隔来选择设定点，同时要考虑到微注塑机的的限制和纯PS的建议加工条件。保压和冷却时间恒定为8s和10s，分别适用于所有实验。需要注意的是，在整一个完整的过程中，保压压力与注射压力取相同值。体积电阻率从模塑成型试样的充模流动方向以及厚度方向两方面测量。使用三轴微铣中心（Kern Micro MC2522）设计和加工配有三个型腔的注塑模。使用700m的锥度为2的碳化钨锥端立铣刀具。主轴转速为1000.000rpm。型腔大小相同，都是22.8610.16 2.00 mm，但是喂料的浇口和流道不同。图1（a）是根据表1给出的尺寸所设计的模具

  10、的示意图。型腔#1使用梯形流道和边缘浇口进料，型腔#2使用梯形流道和扇形浇口喂料，型腔#3采用的也是梯形流道和边缘浇口，但浇口位于矩形型腔的长边。流道和浇口的尺寸都使用MoidflowTM软件针对PS成型的过程作了平衡分析，以确保所有型腔同时充满。 图1（b）是使用控制量有限元法软件（Moidflow软件的商标，第五版）模拟的填充阶段的示意图，显示所有型腔的填充时间相同。所有样品都有相同的模腔形状，但是流到和浇口的形状和位置各不不同。下一节将给出关于模具的详细描述。表2和表3分别给出了试验中设定的工艺参数。图1（a）模具设计示意图图1（b）使用MoldflowTM软件所作的型腔填充模拟压缩成型机

  11、(Carver, Wabash, IN)用来制造和注塑成型样品同样大小的矩形试样，一边比较两种成型方法所的样品的电导率。压缩成型在200，344.7bar (5000psi)条件下进行5min。使用两种不同的测量装置来测量注塑成型和压缩成型样品的体积电阻率。Loresta GP阻抗分析仪（型号为MCP-T610，日本三菱化学有限公司）适用于测量体积电阻率小于104cm的样品，采用的标准是ASTM 257-75。体积电阻率大于104cm的试样使用连接到Keithley测量夹具的Keithley 6517A万用电表测量，测量时使用的电压为10V。使用Agilent矢量网络分析仪(VNA)(型号为8

  12、719 ES)，在X波段频率范围内测量试样的电磁屏蔽效率和介电常数。矩形试样（22.8610.16 2.00 mm）被放在两个X波段波导管之间，波导管连接到VNA的不同端口。要测试的样品略大于X波段波导管的窗口。VNA发出信号，通过波导管到达被夹在中间的试样，这其中的能量由VNA提供。反射波和透射波由三个波探测器测量，以计算反射和吸收效率。表1 型腔尺寸设计表2 实验采用两种设定值、四个因素变化的析因设计，四个因素分别是：c1-模具的温度，c2-熔体温度，c3-注射/保压压力，c4-注射速度三、 结果和讨论表3 实验设定值实验中使用透射电子显微镜（TEM）来表征模压复合材料。通过改变塑造成型的导

  13、电高分子材料的工艺参数和模具几何形状，造成了厚度方向和充模流动方向上的体积电阻率的变化，对此我们将加以讨论。此外，我们还研究了具有不一样电导率的注塑成型复合材料的电磁屏蔽效率和介电常数。3.1形态特征 当碳纳米管形成网络时，聚合物基体内就形成了导电通道，这时碳纳米管的浓度被称为逾渗阀值。如前所述，取向降低了碳纳米管之间的相互接触，这能明显影响逾渗阀值的大小。为了检查PS基体里碳纳米管的取向和分布状况，使用透射显微镜（日立H-7650）来扫描样品。供扫描的样品要在室温下用玻璃刀切成薄片（厚度为70nm）。 图2（a）显示的是型腔#1所成型制品的充模流动方向上的透射电子显微镜照片。可以观察到碳纳米管

  14、在PS基体中分散良好，证明了双螺杆挤出机的高效混合能力。流动方向也可以从图中观察到。如图，碳纳米管更多地是沿着长轴排列在流动方向上，是因为注塑成型中的剪切流动作用。然而，考虑到碳纳米管缠绕弯曲的结构，其中一些仍横向排列在流动方向上。图2（b）是模压成型试样的透射电子显微镜照片。如图所示，观察不到明显的择优排列。图2 扫描电镜照片（a）平行于流动方向，采用工艺条件#14注塑成型，（b）模压成型3.2电阻 图3给出了测量到的试样在厚度方向的电阻率。图中显示了三个不同型腔成型的碳纳米管/聚苯乙烯复合材料的电阻率，并与模压成型试样的电阻率作了比较。结果显示，加入质量分数5%的碳纳米管后，相对于纯聚苯

  15、乙烯，体积电阻率下降了10个数量级。有趣的是，根据流道、浇口和加工条件的不同，复合材料厚度方向的体积电阻率的变化能够达到7个数量级。 图3中能够正常的看到，前三个和最后三个实验测得的试样的电阻率最大，此时c2(熔融温度)是最小的。这个结果能这样理解：降低熔体温度会提高熔体粘度，从而熔体所受剪切力增大，导致了碳纳米管的取向度增加。这能够更好的降低碳纳米管之间接触的几率，以此来降低了电子通过碳纳米管网络的可能性。 体积电阻率的最小值（即电导率的最大值）出现在实验5，8，9和12中。从表2能够准确的看出，这几组实验中的c2(熔融温度)取的是最大值。体积电阻率的下降是因为聚合物中导电网络的形成。低注射速度和高熔体温度会

  16、使熔体粘度和剪切速率减小，以此来降低了剪切应力，相对而言，就有利于碳纳米管逾渗网络的形成。相比于其他两种型腔，使用了边缘浇口的型腔#1显示出了最小的体积电阻率。值得一提的是，在型腔#1和型腔#2的比较中（分别采取了边缘浇口和扇形浇口），采用边缘浇口的型腔制品的体积电阻率（#1）比采用扇形浇口的型腔的制品的体积电阻率（#2）要小。 试样沿流动方向的电阻率如图4所示。测量平行于流动方向的电阻率时，使用从浇口附近切下的2.00mm厚的切片。应指出的是，测量型腔#3的试样的电阻率时要从平行于试样长边处切片。与试样厚度方向的电阻率类似，在平行于流动方向上我们大家可以测量到相差7个数量级的体积电阻率。在注塑成型试

  17、样中，采用工艺参数#14，型腔#1得到的体积电阻率最大（2.291012）；采用工艺条件#9，#2型腔得到最小体积电阻率（1.58104）。 在观察流动方向上的体积电阻率时乐意不难发现一个有趣的趋势。型腔#1成型的试样表现出了最大的体积电阻率。换句线能够获得碳纳米管在流动方向的最高取向。值得一提的是型腔#1采用的是梯形流道，边缘浇口位于矩形型腔的短边上。（图1（a）。型腔#2（梯形流道，扇形浇口）的试样表现出最小的电阻率，是因为在型腔#2中更加有助于碳纳米管的的导电网络。型腔#3制得的试样的电阻率介于#1和#2的试样电阻率之间。 在比较厚度和流动方向上的电阻率时可观察到另外一个

  18、有趣的现象。#1的制品在流动方向上显示出了最大的体积电阻率（图4），而在厚度方向上其体积电阻率却最小（图3）。因此能得出结论，在用于本研究的型腔中，边缘浇口的型腔所得制品在流动方向上体积电阻率最大，而在厚度方向体积电阻率最小。 另外一个有趣的现象是扇形浇口的型腔（型腔#2）的制品在流动方向和厚度方向上的体积电阻率。对于这种型腔，流动方向上的体积电阻率明显小于厚度方向上的体积电阻率。这是因为相对于流动方向，厚度方向上碳纳米管之间的接触比较少。 与厚度方向上的电阻率类似，在实验5，8，9和12中可以观察到流动方向上最低的体积电阻率（图4）。这四个实验的试样是在高熔体温度、低注射速度的条件下制备的

  19、，再次表明了这两个工艺参数对复合材料的体积电阻率有最大影响。 图3 模压成型制品厚度方向上的体积电阻率图4 模压成型制品平行于流动方向上的体积电阻率为了分析流动方向上的电阻率数据，我们使用统计分析数据软件（Minitab软件公司的商标，第14版）来寻找每个因素及其组合的重要性。主要因素对型腔#1制备的试样的体积电阻率的影响被绘制在图5（a）中。此图显示了每个独立变量（c1-c4）对体积电阻率的影响。从图5（a）可见，c2（熔体温度）和c4（注射速度）对试样体积电阻率的影响最大。然而，如前所述，这种显著影响可以归因于它们改变了施加于熔体和碳纳米管的剪切力。 为了更好地理解影响体积电阻率的各个因素

  20、间的相互作用，图5（b）绘制出了交互图。在此图中，表示出了所有可能的两个因素相互作用的体积电阻率的平均值。交互图中的平行线意味着两个因素之间没有相互作用，反之则意味着有相互作用。图像之间的分歧越大，则这两个因素的相互作用越大。从图5（b）中可以看出，c2和c4之间的相互作用（文中以c24表示）以及c3（注射/保压压力）c4之间的相互作用（c34）对复合材料的体积电阻率影响最大。当c2保持在较小值（215）不变，c4从较小值上升到较大值，可以观察到体积电阻率有明显上升。当熔体温度c2被设定在一个较高值（240）时，注射速度（c4）对体积电阻率的影响较低；而在低熔体温度（215）时，注射速度的影响

  21、更为显著。这是因为此时注射速度的增加会给熔体剪切速率带来相当大的提高。对于c34（c3c4间的相互作用）来说，当c3被设定在较大值时，随着c4从较小值变化到较大值，同样可以观察到体积电阻率的增加。在较高注射/保压压力下，高分子链倾向于保持在流动方向的链取向。也就谁说，更高的保压压力能减少熔体松弛，更多的链段和碳纳米管在填充方向上被诱导取向。因此在较高注射/保压压力（c3）下，碳纳米管在流动方向上的排列更为整齐，因此复合材料的体积电阻率也就越大。一些参数之间的相互作用，例如c12，c13，c14，对制品的体积电阻率无显著影响。 图5（a）Minitab绘制，对于使用型腔#1成型的制品的平均体积电

  22、阻率的影响因素图5（b）Minitab绘制，对于使用型腔#1成型的制品的平均体积电阻率的影响因素之间的相互作用因此能得出结论，高熔体温度和低注射速度有利于减少碳纳米管的取向，提高注塑成型试样的电导率。而且，相比较于边缘浇口，使用扇形浇口获得的制品有更高的电导率。3.3电磁屏蔽效能（EMI SE） 电磁干扰（EMI）被定义为影响电子系统，使其很难或不能工作的不良信号。使用导电屏蔽体可以阻挡这些有害电磁波。目前，电子涂层或镀层的聚合物被广泛用于电磁屏蔽，但这些材料有一些缺点，例如涂层/镀层易分离、难以回收利用等14,15。为最大化的减少加工成本，提高效益，可以用碳纳米管嵌聚合物基体中形成导电复合

  23、材料，用它来与入射波相互作用。 为了获取低填充量、高电磁屏蔽效能的复合材料，了解导体材料的电磁屏蔽机理是十分必要的。接下来的段落将讨论导电的块状材料的电磁屏蔽机理，并研究电磁屏蔽测试所得的结果。 当电磁波遇到屏蔽体，屏蔽体内部的电子或其他带电粒子即产生散射场或者感应场以响应入射波。感应场会影响屏蔽体内的总场，从而影响带电粒子的运动。关于入射波的屏蔽有三种不同机理，分别是：反射、吸收和多重反射。 当屏蔽体离干扰场源足够远（处于远场区），入射波可视作平行波，它的电磁和磁场相互垂直16,17。当入射波到达屏蔽体时，一部分波通过与表面电荷的相互作用被反射回来。移动电荷载体（电子和空穴）在反射过程中与电

  24、磁波相互作用。因此，考虑到移动电荷载体的作用，用作电磁屏的蔽材料往往是导体。然而，这并不意味着导电性是电磁屏蔽的绝对标准，因为导电性需要填料之间相互连接，而这并不是电磁屏蔽所必需的。但是，在之前的研究工作已经证实，提高导电性可以提高电磁屏蔽效能。 导体材料的另一种电磁屏蔽机理是吸收。一部分穿透进屏蔽体内的入射电场通过这一机理被削弱。入射波的振幅以指数形式（e-Z）衰减，这里是屏蔽体的衰减常数，Z是距离屏蔽体表面的距离。对于良导体来说，衰减常数和材料的趋肤深度（）相关，遵循=-1，而=1f，f指的是频率（HZ），和分别是材料的磁导率和电导率16,17。趋肤深度是指波的振幅衰减到入射初始值的e-1

  25、（e=2.178）倍时与材料表面的距离。为获得显著的吸收效果，材料需要有电偶和/或磁偶极子和大量的移动电荷载体，以便于电磁场发生相互作16,18,19。 最后一种电磁屏蔽机理是多重反射，指的是屏蔽体内部的内部反射。据报道说，当屏蔽体厚度小于趋肤深度时，多重反射会降低整体的屏蔽效能。而当屏蔽体厚度大于趋肤深度或者吸收机理的屏蔽效能大于10dB时，多重反射可被忽略10,13,16,17,20。 根据下面的公式（1），反射、吸收、多重反射的屏蔽效能SER、SEA、SEMR综合作用于整体的电磁屏蔽效能16： SE=SER+SEA+SEMR=10log(PinPout) （1）式中 Pin入射波能量；

  26、Pout透射波能量。 碳纳米管的取向影响了试样的电导率，进而会影响材料的电磁屏蔽效率。为研究这其中的关联，我们选取了不同电导率的试样。选择三种不同工艺条件下（#4，12和16三种条件）制备的样品，先前的实验已测得它们制备的试样分别具有高、中、低三种电导率。本文电磁屏蔽效能相关章节中，平均电导率定义为每种工艺参数下厚度方向和流动方向电导率的平均值。表4列出了所选样品的平均电导率（S/cm）和电磁屏蔽性能（dB）。为了更直观地理解电磁屏蔽性能（EMI SE）和电导率/电阻率之间的关系，根据图4中给出的EMI SE数据，图6绘制出了不同电阻率（cm）下试样的电磁屏蔽性能（dB）。纯PS的EMI SE

  27、几乎为零，它的导电性也是微不足道的。表4 工艺条件#12,4,16下使用不同型腔成型的制品的平均体积电阻率（cm）,电导率（S/cm）和相应的电磁屏蔽效率（dB）体积电导率的减小或者电导率的增加，都可以提高试样的EMI SE。要注意的是所有试样的MWCNT含量相同（都是5wt.%），因此他们有相同的移动电荷载。也就是说，在具有具有更高电导率的试样中存在其他因素使得它们的EMI SE更高。为澄清这一点，接下来的几段分别讨论了模塑成型导电高分子的电磁波吸收和反射行为。 对于单片反射材料来说，下面三个方程分别确定了反射、吸收和多重反射效能：SER=168+10log(rrf) （2）SEA=1314

  28、drr （3）SEMR=20log1-e-2de-j2d （4）式中 r屏蔽体相对于铜的电导率； r屏蔽体相对于线H/m）； f电磁波的频率； d屏蔽体厚度； 屏蔽体的趋肤深度。 然而，上述方程仅适用于导电块状材料，应用于具有其他填料排列方式的导电高分子材料，所得结果可能不准确。很明显，吸收效能与电导率和磁导率有直接关系，而反射效能随着电导率增加而增加，随着磁导率增加而降低。 图7描述的是反射效能（SER）和吸收效能（SEA）与体积电阻率的自然对数的关系。随着碳纳米管粒子取向度增加，新手效能降低，而有趣的是，反射效能却呈相反趋势。对于模压成型制品来说，电导率最高的试样

  29、，吸收效能显著高于反射效能。随着导电高分子材料中碳纳米管排列的随机性增加，其极化、介电常数虚部和电导率都会增大，从而介电常数的实部增大，最终导致吸收效能增加。这点将在下一章进一步引用介电常数数据解释。图6 注塑成型和模压成型的复合材料的EMI SE（dB）对比，横坐标为体积电阻率（cm）的对数图7 压塑成型和采用工艺条件#4,6,12注塑成型的试样对电磁波的反射和吸收随着电导率的降低，在电磁屏蔽上反射比吸收表现出更大的作用。一种解释是是多层碳纳米管在注塑成型制品表面的取向度更高。碳纳米管在模制成型导电复合材料的表层取向度比芯层高，尤其是当熔体被施加了高剪切应力时更是如此。Villmow等人6做

  30、过此方面的研究。因此，对于具有更高取向度的试样（对应工艺条件#4,16）来说，希望有更多的多层碳纳米管暴露在表层，这能使表面有更多的相相互作用的载流子。具有较高碳纳米管取向度的试样可能会有更大的反射效应。3.4复介电常数分析 为了进一步阐明碳纳米管填充复合材料的吸收效能，需要研究其介电常数。当电磁波到达导体表面，会引发导体内部的两种不同电流，即传导电流和位移电流22。传导电流由自由电子定向移动形成，提供材料内部的介电损耗（介电常数的虚部）。位移电流由固有电荷引起，例如极化作用（介电常数的实部）23。 复介电常数被定义为*=-j，式中表示材料介电常数的实部。主要受到材料内部分子极化数目的影响。表

  31、示介电常数的虚部，对于板状材料而言它等于0。0=8.85410-12F/m，表示真空中的介电常数，而表示应用场的角频率。图8使用NicholsonRossWeir method法绘制出了所选择的三种工艺条件（#4,12,16三种）下模压成型和注塑成型制品的介电常数的实部和虚部。 如图8所示，随着电导率的增加（电阻率下降），介电常数的实部和虚部都会增加。为弄清楚这个现象，我们可以假设MWCNT/PS复合材料相当于一个电容（MWCNT/PS）与一个电阻（MWCNT）并联的电路。由于取向度较大的样品体积电阻率较大，这些工艺条件（#4,16两种工艺条件）下多层碳纳米管之间的间隙比其他条件下要大。因此，

  32、在相邻碳纳米管之间传递电子的可能性就比较小。 对于模压成型制品和以工艺条件#12注塑成型的制品来说，由于碳纳米管的取向随机性较大，相邻碳纳米管之间的间隙较小，因此，电子有较高的机会传递。值得一提的是，在碳纳米管之间狭小、绝缘的间隙里，存在强度很高的电场，其强度高于宏观电压M，这是等于平均粒径的导电填料平均交界处的宽度25,26的一个因素25,26。这种高轻强度的电场提供了足够的能量，使得电子在绝缘间隙中能以电流的方式传导。因此，在模压成型和以工艺条件#12注塑成型的制品中可以观察到较大的介电常数虚部。 如图8所示，影响制品极化状况的介电常数的实部，往往随着电导率的增加而下降。模压成型和注塑成型

  33、MWCNT/PS复合材料，根据型腔、加工条件的不同，电导率发生变化，介电常数的实部也就随着在11-16（F/m）之间变化。当一个电场施加于导电复合材料上时，固有电荷，例如电子和质子，倾向于重新排布，这就是所谓极化。界面极化是已有的关于导电复合材料的报道中最常见的。然而，由于存在介电松弛，这类极化在低频段（X波的频率范围）的影响力较小。据认为，碳纳米管填充聚合物复合材料的高介电常数实部成因于碳纳米管和聚合物的极化27,28。 通过减小体积电阻率来增加介电常数的实部，这种方法可以归因于PS基体中碳纳米管颗粒之间间隙的减小以及邻近颗粒间电场强度的增加，这使得聚合物基体的极化增加。对于模压成型样品来说

  34、，碳纳米管排布的随机性有助于电子极化，因此可以增加介电常数的实部。高介电常数实部能提高吸收机理的电磁屏蔽效能。 因此可以得出结论，如果期望注塑成型碳纳米管填充复合材料具有较高电磁屏蔽性能，模具的设计和工艺条件的设定必须要有利于获得碳纳米管在热塑性基体中的随机分布。正如我们的实验所揭示的那样，多层碳纳米管在PS基体中的随机分布提高了导电复合材料的电导率和电磁屏蔽性能，也提高了制品介电常数的实部和虚部。图8 使用工艺条件#4,6,12注塑成型的CPC的介电常数的实部（a）和虚部（b）四、结论本实验研究了三种不同模腔注塑成型的MWCNT/PS复合材料的体积电阻率和电磁屏蔽效率能。这些型腔的形状尺寸相

  35、同，但是在注塑过程中采用了不同的流道和浇口喂料。采取两个级别（较大值和较小值）、四种因素的析因设计研究了工艺参数对试样电导率的影响。结果表明，选用较高熔体温度和较低注射速度能获得具有较高电导率的制品。此外能够准确的看出，相比较于扇形浇口，使用边缘浇口在流动方向上可获得较高体积电阻率，而在厚度方向上的体积电阻率较小。 试验中测量和比较了具有不同电导率的模制成型试样的电磁屏蔽效能。根据结果得出，导电复合材料注塑成型时工艺参数对制品的电磁屏蔽特性有显著影响。EMI SE随着碳纳米管取向度升高而减小。文中讨论了反射和吸收两种机理对电磁屏蔽性能的作用。实验表明，随着屏蔽体表面碳纳米管取向度的增加，反射机理的作用

  36、增强，而吸收机理却相反。多层碳纳米管随机排布的试样有着更高的介电常数实部和虚部，因而它们对电磁波的吸收作用也就更强。五、致谢 作者要感谢Tieqi Li博士和来自加拿大诺瓦化工，卡里加尔公司的Jeri-Lynn Bellamy女士在聚合物混合中所提供的帮助。同时要感谢美洲苯乙烯公司捐赠的苯乙烯材料和Michal Okoniewski博士和来自卡里加尔大学电子和计算机工程的Thomas Apperley先生在EMI SE测量方面所提供的帮助。参考文献1 Koerner H, Price G, Pearce NA, Alexander M, Vaia RA.Remotely actuated p

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