木质基体复合材料(简称木基复合材料)是利用不同维数木质单元为基体的协同效应和加和法则，通过与异质、异型、异性的增强体或功能体单元混杂复合加工形成的新型多相材料(傅峰，2003)。木材或木质基体材料越来越广泛地应用于家具、装饰、结构材料。普通木基复合材料中木质单元的体积电阻率为10⁸~10¹¹ Ω·cm，固化后合成树脂的为10¹²~10¹³ Ω·cm。一般认为，木材和纯木质人造板属于电的不良导体，不具有电磁屏蔽效能(张显权等，2004)，而木材与金属或非金属通过适当方式制成的复合材料，具有一定的电磁屏蔽效能。

目前，用于制造导电木基复合材料的导电物质有炭黑、碳纤维、石墨、金属粉、金属纤维、金属箔、金属网、镀金属碳纤维和有机导电物质等，复合的方法包括混合、贴面，镀层处理等。金属纤维导电单元与无机和有机纤维比较，具有强度、耐磨性、导电性、导热性高，制造简单、成本低等特点，在导电和电磁屏蔽等领域具有良好的应用前景(李加种，1994；奚正平等，1998)。在木基复合材料中，单板是最大体积的木质单元，具有最小的比表面积，故可以用较少量的导电单元掺杂粘合树脂并叠层复合实现单板之间的胶层导电(傅峰等，2001)。这种功能胶合板可用于计算机房、电磁暗室等防止电磁污染或信息泄露的场合。

本研究运用功能复合材料复合度、联结型理论，根据不同导电单元的施加量及0维(粉末)、1维(纤维)的导电单元在固化胶黏剂(3维)不同联结方式，利用不锈钢纤维、黄铜纤维、超细镍粉以及石墨粉为导电单元，通过热板干燥展平，导电单元与木质单板单元的叠层复合、柔性加压等工艺，制备3层结构的落叶松(Larix principis-rupprechtii)胶合板并测试，分析胶合板的电磁波屏蔽效能，旨在为电磁屏蔽功能木基复合材料开发提供依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

落叶松单板：尺寸为200 mm×200 mm×2 mm，气干密度0.67 g·cm^-3，含水率9%~10%，来自内蒙古根河林业局。

不锈钢纤维(SF)：直径30 μm，密度8.6 g·cm^-3，电阻率9.7×10^-3Ω·m，购自河北安平金属网厂，剪成长度6~7 mm备用。

黄铜纤维(CF)：直径60 μm，含铜60%~70%、含锌30%~40%，密度8.6 g·cm^-3，电阻率1.7×10^-3 Ω·m，购自河北安平金属网厂，剪成长度6~7 mm备用。

超细镍粉(Ni)：呈暗灰色树枝状粉末，粒度400目，密度8.6 g·cm^-3，电阻率6.8×10^-3 Ω·m，含铁、钴等杂质，杂质总和不大于0.5%，购自有色金属研究总院。

石墨粉(CP)：呈黑色粉末，粒度7 μm，密度2.3 g·cm^-3，电阻率50 Ω·m，纯度99.99%，上海胶体化学厂生产。

胶黏剂：胶合板用低毒脲醛胶(UF)，固含量50%，黏度110~170 cp·s(30 ℃)，游离醛低于0.2%，pH值8.5~9.5，购自北京太尔化工有限公司；固化剂为20%氯化铵溶液，自配。

1.2 试验方法 1.2.1 制板工艺

为增加单板的平整度，在试验压机上对单板进行热板，干燥热板温度100 ℃、单位压力0.5 MPa、干燥时间1 min，干燥后单板含水率6%~7%。

对于粉末导电单元，在一定工艺条件下往脲醛树脂中调入不同种类和数量的导电单元，搅拌均匀后加入1%的氯化铵固化剂，再用毛刷对芯板的双面涂布混合胶液。对于纤维导电单元，脲醛胶黏剂经过一定的混炼工艺后加入适量的固化剂、助剂等，涂布于平整、无透隙的芯板两侧，因为纤维无法在液体中分散，所以手工施加规定量的纤维，尽量保证均匀。涂胶量和导电单元施加量均为双面施加量。涂胶后的表、芯、背板垂直组配成3层板坯。板坯经闭合陈化1 h后置于衬垫间送入压机，在热板温度120 ℃、单位压力1 MPa和加压频率1 mm·min^-1的常规工艺下，压制3层结构的、具有电磁屏蔽功能的胶合板。采用柔性加压(soft pressing)，即将板坯夹于耐热硅橡胶板中央，上下各配以抛光垫板(polished caul)，再推入压机热压。柔性加压，可缓冲加压时由于单板厚度偏差和板面各处应力差产生的应力传递，降低胶合板的压缩率，使胶层厚度分布均匀，达到均匀导电的效果(傅峰，1995；蒋华堂等，1991)。全部试验重复1次。

1.2.2 电磁屏蔽效能测试

本试验的试件制作及屏蔽效能(SE)的测量按中华人民共和国电子行业军用标准中所规定的材料屏蔽效能的测量方法(SJ 20524-1995)进行。试样外径115_-0.5⁰ mm, 开孔试样孔径12₀^+0.5 mm；使用DN 15115型立式法兰同轴测试装置连接HP E7401A EMC频谱分析仪在9 kHz~1.5 GHz的频率范围内对复合胶合板进行屏蔽电磁波效能评价与测试。

1.2.3 胶合强度测试方法

使用日本Shimadzu(岛津)公司的力学实验机，型号为AGS-500B。试件的制作和测试分别参照国家标准GB 9846.7-2004《胶合板试件的锯制》和GB/T 17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》进行。

2 结果与分析

参照SJ 20524-1995，得到所有试件在9 kHz~1.5 GHz频率范围内的电磁屏蔽效能(SE)，测试4个试件，取极值的平均值，变异系数均为10%~15%。参照GB/T 17657-1999测试胶合强度(ST)，测试4个试件，取平均值，变异系数10%~20%，结果见表 1。胶合板SE和ST的SAS方差分析结果见表 2。

2.1 胶合强度

从表 1可以看出，在本试验范围内，所有胶合板的胶合强度均超过国标GB 9846.12-2004Ⅱ类胶合板标准。从表 2显著性检验结果看出，所有胶合强度模型均不显著

从图 1可以看出，不锈钢纤维与导电粉末混和胶合板的胶合强度大于黄铜纤维与导电粉末混和胶合板的胶合强度。这是由于后者的总施加量远大于前者，随着导电单元的增加，过量的导电单元影响了脲胶与单板之间的胶合，特别是导电单元是无机物而脲胶是有机物，根据“相似者相溶”原理，大量导电单元的存在对胶合强度的提高有不利影响。随着纤维含量的降低，胶合强度有不同程度的上升，但黄铜纤维与石墨粉混和情况下，胶合强度有所下降。其原因是，纤维导电单元较长并容易弯折，在单板之间形成网状隔离层，因此比粉末导电单元对胶合强度增加更加不利。导电单元的体积分数或者称为填充率，即导电单元体积占胶液混炼热压固化后总体积的百分数，由导电单元的施加量、脲胶的固含量，以及二者的密度推算出。当导电粉末总施加量从40 g·cm^-2增大到120 g·cm^-2，由于石墨粉的密度低和粒度小，脲胶中石墨粉数量增大迅速，体积总分数增大很多，总表面积也大，造成胶膜变薄，对胶合强度有非常不利影响，甚至超过纤维导电单元的影响。同理，镍粉由于密度较大，约是石墨粉的3倍，虽然体积分数也有所增大，粉末的影响增大，但总体积分数比石墨粉小很多，还没有超过纤维导电单元的影响，表现为随纤维的减少胶合强度缓慢上升。不锈钢纤维与黄铜纤维混和的胶合板，随不锈钢纤维降低胶合强度也下降。其原因是，黄铜纤维的直径是不锈钢纤维的2倍，达到了60 μm，显然直径越大对胶合强度的不利影响也越大。同时，不锈钢表面也有极性基团(张显权等，2005)，因此比黄铜纤维更有利于胶合。

2.2 电磁屏蔽性能

电磁屏蔽性能用电磁屏蔽效能(dB)来表示，dB值越大说明材料电磁屏蔽性能越好。从表 1可以看出，不锈钢纤维与石墨粉混和时，电磁屏蔽效能从5.62~21.14 dB；不锈钢纤维与镍粉混和时，电磁屏蔽效能从0~21.14 dB；黄铜纤维与石墨粉混和时，电磁屏蔽效能从10.53~28.76 dB；黄铜纤维与镍粉混和时，电磁屏蔽效能从12.30~28.76 dB；不锈钢纤维与黄铜纤维混和时，电磁屏蔽效能从6.34~21.14 dB。从表 2显著性检验结果看出，所有电磁屏蔽效能模型均显著，混和比例对胶合电磁屏蔽性能影响显著。

从图 2、3可以看出，随着纤维导电单元的减少，胶合板的电磁屏蔽效能逐渐下降。材料的电磁屏蔽效能主要是由导电胶层的导电性决定的，当导电物质加入量太少的时候，复合材料内部不能形成有效的导电网络，只有加入足够的导电物质才能使复合材料内部形成导电网络，网络的网链多、网眼密，复材合料导电性就好(连宁等，1991)。粉末导电单元的导电机制根据粉末颗粒间的距离远近可以分为3种：1)导电通道；2)隧道效应；3)场致发射。这3种机制不是绝对不可分的，材料导电性表现为三者的综合作用，但主要是“导电通道”和“隧道效应”。纤维金属导电单元加入比导电粉末更有利于材料电磁屏蔽效能提高。导电粉末填充脲醛树脂的导电性，是由于导电微粒在树脂中形成导电网络及隧道效应所致，但由于导电胶层不可避免地会出现各种微观缺陷，如导电微粒量少且分布不均等情况，由于接触点多形成胶膜的数量多，影响了导电网络的完整性，降低其导电性能(黄婉霞, 1997)。加入的纤维金属导电单元增强了混合树脂中的导电网络，其增强作用是通过2种方式实现的：1)金属纤维之间相互搭接(毛健等，1997)；2)金属纤维与微粒相互接触。一方面短纤维存在于颗粒体系中，使一些没有相连的导电粉末聚集体短链相导通，从而形成导电网络；另外一方面导电纤维也可以使弯曲多节的聚集体链变得更为便捷，显然，纤维的量大在未能形成连续颗粒网络的体系中改善的效果更好，因此电导率提高(李鹏等，1999)。粉末导电胶层内部有许多“导电空隙”，金属纤维的加入象城市高速公路一样将各个粒子连接起来形成导电通道，减小了导电网链空隙的大小。由金属网眼对电磁波的影响规律看，可知随空隙宽度的减小，电磁屏蔽效能提高，同时由于所用金属纤维具有一定的磁导率，也有利于电磁屏蔽效能提高(黄婉霞, 1997；张振宁等，1997)。

从图 2可以看出，随着不锈钢纤维的减少，电磁屏蔽效能下降明显。其原因是，不锈钢纤维的直径小，只有黄铜纤维的一半，二者密度相近，因此在相同施加质量的条件下，不锈钢纤维的数量就是黄铜纤维的4倍。根据式(1)可知，不锈钢纤维的搭接率是铜纤维的4倍，其形成的导电网络密度更高，电磁屏蔽效能更大。

纤维搭接率公式：

不考虑边界效应和纤维宽度，其中N为纤维数量，L为纤维长度，S为单板面积。

3 结论

1) 在本试验范围内，所有试件的胶合强度均达到国家标准。导电单元的增加，对胶合强度有不利的影响。

2) 不锈钢纤维与石墨粉混和时，电磁屏蔽效能从5.62~21.14 dB；不锈钢纤维与镍粉混和时，电磁屏蔽效能从0~21.14 dB；黄铜纤维与石墨粉混和时，电磁屏蔽效能从10.53~28.76 dB；黄铜纤维与镍粉混和时，电磁屏蔽效能从12.30~28.76 dB；不锈钢纤维与黄铜纤维混和时，电磁屏蔽效能从6.34~21.14 dB。

3) 纤维金属导电单元加入比导电粉末，不锈钢纤维比黄铜纤维都更有利于材料电磁屏蔽效能提高。