铜包覆碳纤维复合材料的表面改性及其电磁屏蔽性能优化研究

为解决碳纤维(CF)与金属铜(Cu)界面结合差导致的电磁干扰(EMI)屏蔽性能不足问题，研究人员通过表面改性结合电沉积技术制备了Cu/CF复合导线与织物。该材料单纤维电导率达2.3×107 S m?1，Cu/CF织物的EMI屏蔽效能(SE)提升至83.1 dB，较原始CF织物提高30 dB，为轻量化高性能屏蔽材料开发提供了新思路。

　　

随着5G时代高频电子设备的普及，电磁干扰(EMI)已成为影响电子设备稳定性的重要因素。传统金属屏蔽材料虽导电性好，但重量大、柔韧性差，难以满足航空航天和可穿戴设备的需求。碳纤维(CF)凭借轻质高强的特性成为理想候选，但其固有电阻率较高导致EMI屏蔽效能(SE)不足。虽然通过金属镀层可提升导电性，但CF与金属（如铜）的界面结合力弱、镀层不均匀等问题长期制约性能突破。

为解决这一难题，台湾塑胶工业股份有限公司的研究团队在《Applied Surface Science》发表研究，创新性地采用表面改性结合电沉积预播种技术，成功制备出高性能Cu/CF复合材料。通过酸氧化引入羟基/羧基，再经硫醇化处理增强铜浸润性，使预沉积的铜纳米颗粒成为均匀镀层的"种子"。优化后的SH-CF@Cu/Cu导线电导率达2.3×10⁷ S m^?1，较未改性样品提升10倍；所制Cu/CF织物在0.25 mm厚度下实现83.1 dB的EMI SE，较原始CF织物提升30 dB，且保持优异柔韧性。

关键技术包括：1) 索氏提取脱除CF表面施胶剂；2) 混合酸(HNO₃/H₂SO₄)氧化构建活性官能团；3) 3-巯基丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)硫醇化处理；4) 恒电位电沉积调控铜镀层厚度；5) 矢量网络分析仪测试EMI SE。

【材料与方法】
采用PAN基TC-42S型CF，通过脱胶-氧化-硫醇化三步处理构建活性表面。SEM显示改性后CF表面粗糙度显著增加，为铜沉积提供更多成核位点。

【表面功能化】
XPS证实硫醇化成功引入-SH基团，接触角测试显示改性后CF对电解液润湿性提升60%，这是实现均匀镀层的关键。

【结论】
该研究揭示了表面化学修饰对Cu/CF界面结合的调控机制：硫醇基团通过Cu-S键强力锚定铜晶核，后续电沉积形成的致密镀层与CF形成机械互锁结构。所开发的工艺可精准控制镀层厚度（26.5 mg cm^?2），在X波段(8-12 GHz)展现出目前报道中最高的单位厚度SE值(332 dB mm^?1)，为下一代轻量化电磁屏蔽材料的设计提供了普适性策略。

这项工作的创新性在于：1) 首次阐明硫醇化处理对电沉积铜结晶行为的调控作用；2) 开发出可规模化生产的CF织物金属化工艺；3) 通过界面工程同时实现高导电性和强界面结合。研究成果对航空航天电子封装、柔性电子设备抗干扰设计具有重要指导意义。