金属纤维填充聚合物复合材料作为电磁屏蔽材料和吸波材料具有广泛的应用前景(John, 1990; Chen et al., 2004; 谭松庭等，1999)。金属纤维由于长径比较大，在复合材料中能够有效地形成导电网络，因此大大减少了导电粉末填充时的“闲置体积”，同时由于形成网络时的搭接次数多，因而使接触电阻减少很多，所以用较少的金属纤维用量即可赋予复合材料优良的导电性能(范五一等，1996；于杰等，2005)。导电纤维填充脲醛树脂胶黏剂制备电磁屏蔽胶合板(华毓坤等，1995；刘贤淼，2005)是木基电磁屏蔽复合材料的研究主流，但现阶段该研究方向存在一些不足。目前该类研究主要将导电纤维直接与胶黏剂混炼后热压制备电磁屏蔽胶合板，通过增加导电纤维填充量来提高材料屏蔽效能，然而单一增大导电纤维填充量使得胶合板胶合强度大大降低，材料胶合强度与屏蔽性能产生了互相制约，表现出屏蔽效能低和频带窄的缺点。要解决这样的问题，首先需要通过制备单独的导电层，然后与单板叠层复合制备胶合板。本文采用直径小、导电性好等特点的铜纤维[铜纤维是目前广泛用作制备复合型电磁屏蔽材料的主要品种之一，它具有导电性好(Chenga et al., 2000)、价格适中、加工容易、塑性和韧性较好等优点]与脲醛树脂以及装饰板表层纸进行热压复合制备了导电膜片，它将主要被用于叠层复合制备电磁屏蔽胶合板。本文主要研究了膜片的导电性能，并对相关的结构与性能关系进行了探讨。

1 材料与方法 1.1 试验材料

铜纤维：60 μm(Φ)×5 mm，60 μm(Φ)×10 mm和60 μm(Φ)×15 mm，购于河北安平金属网厂，密度为8.6 g·cm^-3，体积电阻率为5.0×10^-5Ω·cm；胶黏剂：环保型胶合板用低毒脲醛胶(30-910)，固含量52%，黏度110~170 cps (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；落叶松单板：购于内蒙古根河林业局，裁成规格为250 mm×250 mm×2 mm的单板；聚四氟薄膜，购于北京橡胶市场；装饰板表层纸，购于北京科诺森华木材厂；丙烯酸树脂，北京东方化工厂。

1.2 试验方法

先将装饰板表层纸和聚四氟薄膜(作为脱膜使用)分别固定在木质单板上，铜纤维经筛网均匀铺撒在涂有脲醛树脂和丙烯酸树脂的表层纸上，将2块附有表层纸的板坏经闭合陈放30 min后送入压机。采用胶合板常规热压工艺压制膜片，重复2次。热压条件为压板温度120 ℃、单位压力1 MPa和加压时间6 min。脲醛树脂胶液的施加量为150 g·m^-2，丙烯酸树脂的施加量为60 g·m^-2。铜纤维的施加量分为9个水平：10，20，30，40，50，100，150，200和250 g·m^-2。

1.3 测试试样的制备

导电膜片脱膜冷却24 h后制备成外径115_-0.5⁰ mm标准圆盘试样，然后用120目的砂纸砂光处理后进行薄层电阻(膜片中心3个不同位置)的测试。试件样品取值为4个相同制备条件下样品的平均值，同时裁减小块试件用来观察纤维分布状态。

1.4 性能测试

1) 导电膜片的薄层电阻测定  本测试方法主要用于测试屏蔽材料的薄层电阻以及研究薄层电阻随压强的变化规律。系统主要采用图 1和图 2所示的测试电极实现对平板材料薄层电阻的测试，测试采用四电极法。该套测试系统为东南大学参照美国军标所开发，其中毫欧计型号为TH2513B，测试量程范围为1 μΩ~20 kΩ，精度为0.05%。

图 2中，R_j表示表面接触电阻，R_v表示体电阻，I表示恒流源，V表示电压。毫欧计有4个电极，其中2个电极为电流馈电端，2个电极为电压测试端。采用毫欧计内部的直流恒流源对测试件馈电，同时测出电极两端的电压，则根据欧姆定律可得电阻R=V/I。此时测得的电阻R是材料表面接触电阻R_j和体电阻R_v之和。本论文将测得的电阻看作是材料的薄层电阻。

2) 厚度测定  在导电膜片试样上任意取20个点，用厚度仪测定，再取其平均值。

3) 导电膜片纤维分布状态表征  用Olmplus光学显微镜(40倍)观察试样中铜纤维的平面分布状态。用Olmplus实体显微镜(200倍)观察复合材料断面中纤维的分布状况。

2 结果与分析 2.1 导电膜片的厚度分布

表 1是5，10和15 mm铜纤维导电膜片厚度结果分析数据，从表中可以看出，随着铜纤维填充量的增大，导电膜片厚度在增加。同时还可以看出，5 mm铜纤维导电膜片厚度变异系数在5%~12%范围内，10 mm铜纤维导电膜片厚度变异系数在5%~15%范围内，15 mm铜纤维导电膜片厚度变异系数在6%~17%范围内。3种不同长度铜纤维导电膜片厚度平均值变异系数都较小，可以认为导电膜片的厚度分布较为均匀，铜纤维在导电膜片的分布较为均匀。

2.2 导电膜片纤维分布状态表征

1) 铜纤维在导电膜片平面方向的分布  图 3是铜纤维(5 mm)在导电膜片平面方向的分布图，从图中可知，随着铜纤维填充量的增加，其交叉排列的混乱程度一直在增加。在纤维填充量低时(如10~40 g·m^-2)，铜纤维在导电膜片中的分布很松散，几乎没有相互搭接。随着纤维含量的增加(如50~100 g·m^-2)铜纤维开始相互搭接，形成网络，但网络和网络之间的距离较大，不易形成连续搭接。当填充量达到150 g·m^-2以上时，铜纤维相互连接的网络之间开始贯通，并随着铜纤维含量的增加进一步完善。

2) 铜纤维在导电膜片断面中的分布  图 4是导电膜片(10 mm，铜纤维)横断面的照片，由图可知，在填充量为100 g·m^-2以下时导电膜片断面层只存在1个或2个铜纤维单列的横切面。随着铜纤维填加量的增大，纤维横切面的数量在增加，出现互相叠加的现象。到填充量为250 g·m^-2时，厚度方向上纤维出现了互相交叉的现象，导电膜片在断面上也存在导电网络，由此认为导电膜片的导电结构是“二维导电网络”逐渐发展成为“三维导电网络”。

2.3 导电膜片电性能与铜纤维含量的关系

导电复合材料的电阻随导电填料的增加而降低，当填料含量达到一个临界值时，材料的电阻在较小的施加量范围内急剧降低，此后，电阻率随施加量的变化明显变缓，这一临界值叫做“渗流阈值”(傅峰等，2001；Wu et al., 1997; Goncharenko et al., 2004; Mclachlan, 1991)。

表 2为5，10以及15 mm铜纤维/脲醛树脂导电膜片的薄层电阻随铜纤维含量的变化关系。在测试材料薄层电阻时，由于TH2513B型低电阻测试仪测试量程范围为1 μΩ~20 kΩ，当材料的薄层电阻高于20 kΩ时，本仪器无法测试，因此将此时材料的薄层电阻统一用20 kΩ代替。根据以上数据作图 5表示3种不同长度铜纤维/脲醛树脂导电膜片薄层电阻随纤维含量的变化关系。从图中可以看到，铜纤维含量对导电膜片电阻的影响非常明显。随着铜纤维含量的增加，导电膜片的薄层电阻在低含量范围内很大，但当铜纤维含量增至某一数值时，电阻发生突变，此时的铜纤维含量称为“渗流阈值”。结合表 2以及图 5可以得出结论：5 mm铜纤维填充脲醛树脂导电膜片的渗滤阈值为16%(质量百分比)，10和15 mm铜纤维填充脲醛树脂导电膜片的渗滤阈值为8.7%(质量百分比)。

铜纤维含量与导电膜片导电性能呈以上关系，原因与铜纤维在导电膜片中的分散状态有关。当含量低时，铜纤维之间距离较大，难以直接相互搭接，不足以形成导电网络或部分区域能相互搭接，但整个区域无法形成连续的“导电网络”，故电阻较大。但当含量达到“阈值”时，铜纤维之间的距离缩小至能够相互搭接，开始形成有效的导电网络，因此电阻开始发生突增，故此时的“阈值”也就是能否形成连续“导电网络”的“临界值”。当开始形成“导电网络”后，随着铜纤维含量的增加，铜纤维的搭接数目呈显著增加，网络数目倍增，“导电网络”不断完善，故电阻大大减小；当导电膜片中的“导电网络”数目达到最大值时，也即“导电网络”的最完善程度后，电阻便不再随铜纤维的含量而变化。由此可见，铜纤维填充脲醛树脂导电膜片具有“渗滤效应”，其结构应是网络结构，并且导电膜片的“三维导电网络”对铜纤维含量具有“临界完善程度”。

2.4 导电膜片电性能与铜纤维长度的关系

研究表明导电纤维的长径比对复合材料的导电性能有很大的影响，一般来说，长径比越大，材料的导电性能越好。本文中铜纤维的直径为固定值，纤维长径比的变化可以看成是纤维长度的变化。图 5可以看到纤维的长度对导电膜片导电性能的影响。图 5反映了薄层电阻随纤维含量的变化情况，由图可以看出相同含量、不同长度的导电膜片的电阻是不同的。铜纤维长度为5 mm的试样电阻值在填充量为40 g·m^-2时发生了突变，而长度为10和15 mm的试样电阻值在填充量为20 g·m^-2时就发生了突变。这是由于长径比越大，纤维之间越容易搭接，越有利于导电通路的形成，从而降低了导电膜片的渗滤阈值。

2.5 导电膜片的压阻特性

图 6反映了10 mm铜纤维/脲醛树脂导电膜片3个不同位置(填充量为200 g·m^-2)在逐步加压过程中电阻随压力的变化情况。由图可见，随着压力的增加，导电膜片的电阻逐渐减小。并且开始下降幅度很大，但达到某一确定值后，电阻随着压力的变化不再发生明显变化。分析其原因：丙烯酸树脂属于热塑性固体，受压前导电膜片的导电网络中铜纤维搭接并不紧密，压力作用下，丙烯酸树脂开始发生一定的塑性压缩，原来膜片中未接触的铜纤维间距开始缩小并产生搭接。当压力增大到一定程度时，导电网络出现了一个“临界完善程度”，低于这一临界程度时，导电膜片的导电网络随压力增大继续完善，相应的电阻在不断下降；高于这一临界程度时，随着压力的变化，导电网络的完善程度不再发生明显提高，导电膜片的电阻不再发生明显变化。由压阻特性和结构表征可知，导电膜片导电结构确实应为“三维导电网络”结构。

3 结论

1) 导电膜片是铜纤维填充脲醛树脂所制备的导电复合材料，具有较好的导电性能。当铜纤维填充量增加到100 g·m^-2时，膜片的导电结构开始由“二维导电网络”逐渐发展成为“三维导电网络”。

2) 导电膜片厚度平均值变异系数都较小，可以认为导电膜片的厚度分布较为均匀，铜纤维在导电膜片的分布较为均匀。

3) 随着铜纤维含量的增加，膜片的薄层电阻发生突变，膜片呈现“渗滤效应”，同时具有压阻特性。其中5 mm铜纤维填充脲醛树脂导电膜片的阈值为16%，10和15 mm铜纤维填充脲醛树脂导电膜片的阈值为8.7%。

4) 铜纤维长度对导电膜片的导电性能有较大的影响，相同填充量下，长径比越大，导电性越好，渗滤阈值越低。