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碳基結構吸波材料分類

2015-8-11 19:27:06      點擊:


結構吸波材料按吸波機理分為介電損耗型(如炭黑、石墨、導電聚苯胺等)和磁損耗型(如Fe、Co、Ni等)兩大類,其中磁損耗型吸波材料的質量重、密度大,介電損耗型吸波材料質量輕、密度小。新型碳材料以優異的介電性能和低密度而受到吸波材料研究者的關注。然而,單純的碳材料幾乎沒有磁損耗,限製了其吸波性能的提高,將碳材料和磁損耗型材料兩者結合,既可承受載荷,減輕結構重量,提高有效載荷,又能吸收雷達波,可滿足吸波材料“薄、輕、寬、強”的目標,已成為隱身材料重要的研究方向,受到各國研究人員的高度重視。


1 石墨基吸波材料

關於石墨複合材料的吸波性能研究主要集中於兩個方向,一是在透波材料中加入石墨增加材料的電阻型損耗,有利於電磁波轉變為熱能。冀誌江等[1]向閉孔膨脹珍珠岩和矽酸鹽水泥的混合物中加入石墨粉,製成具有電磁波吸收功能的砂漿層。研究表明,在一定範圍內,隨石墨含量增加,塗層的介電常數ε增大,在2~18GHz頻率範圍內的吸收峰數增多,反射率減小。但當石墨含量過大,石墨在砂漿中形成導電網絡,使複合材料對電磁波的屏蔽效能增強,吸波性能減弱。賈興文[2]指出,石墨作為吸波劑,除了增加了介電常數,增強電阻型損耗外,石墨顆粒分散在混凝土中形成無數個散射點,電磁波經過多次散射而消耗能量。二是對石墨改性,多是將其與磁損耗型物質複合。劉世傑[3]采用化學鍍法對石墨表麵進行鍍Ni-P改性,在石墨表麵包覆了一層非晶態Ni-P鍍層;與原始石墨相比,在2GHz時,鍍Ni-P非晶石墨複合材料的μ和μ分別略微增加至1.08和0.26,ε′和ε″分別明顯降低至6.6和0.4,在14GHz的最小反射率為-7.0dB,反射率小於-5dB的吸收頻帶寬達4GHz,提高吸波性能的同時拓寬了吸收頻帶。除添加磁性物質外,一些研究者對石墨的形態進行改性。Jyoti Prasad Gogoi[4]對天然石墨進行化學氧化和熱處理製得膨脹石墨,與酚醛樹脂製成含量分別為30 %(質量分數,下同),40%和50%的複合材料,對X段電磁波的屏蔽率從-40dB增加到-48dB。趙芸芳[5]在膨脹石墨層 入FeCl3,王晨[6]將石墨剝離成納米級薄片再與金屬複合,都比使用天然石墨的性能好。Al-Ghamdi A A[7]製備了納米級薄片石墨/環氧樹脂複合材料也得到了類似的結論,同時他通過熱重分析發現在環氧樹脂中加入納米級薄片石墨增加了複合材料的熱穩定性。


2 碳納米管基吸波材料

1991年Iijima首 (Carbon Nanotubes,CNTs)[8],它具有小尺寸效應、表麵效應、量子效應和宏觀量子效應等,特殊的結構和潛在的工業價值受到人們的關注。此外,它還具有特殊的電磁效應和良好的吸波效果。碳納米管表麵原子比例的升高,晶體缺陷和懸掛鍵增多,容易形成界麵電極極化,同時高的比表麵積造成多重散射,因此界麵極化和多重散射成為碳納米材料重要的吸波機製[9]。

Woo-KyunJung等[10]用兩種納米碳材料(多壁碳納米管(MWCNTs)和炭黑(CB)與玻纖、環氧樹脂製成複合吸波材料。實測結果表明,相同厚度下MWCNTs複合材料的吸波效率比CB複合材料的高3倍。Liu Zunfeng[11]製備了單壁碳納米管(SWCNTs)/可溶性交聯聚氨酯(SCPU)複合材料,當單壁碳納米管的含量達5%時,複合材料在8.8GHz處有強吸收,最大反射率可達-22dB。袁華[12]高溫堿處理多壁碳納米管使MWNTs表麵出現孔洞和凹凸結構,微波在這些結構內發生多重反射、散射,微波能量容易被衰減和吸收,致使複合材料的吸 強,頻 寬。同 時,堿 使MWNTs的長度變短,增強了量子尺寸效應,加寬了能級間距,使吸收峰能量和吸收頻帶出現在更高的頻率範圍[13]

在碳納米管表麵塗覆磁性金屬,可以增加其磁性能,顯著提高其吸波性能。林紅吉[14]將帶有羧基的CNTs和帶有氨基的Fe3O4用1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺連接起來製備了CNTs/Fe3O4新型的納米混雜複合物。在2~18GHz範圍內,CNTs的反射率大於-5dB。而該複合物的其複磁導率達到0.2以上,比飽和磁化強度達到88.4A·m2/kg,反射率小於-10dB的




於7GHz,其 -11dB。Sui Jiehe[15]在碳納米管表麵鍍了Co納米粒子,Co納米粒子的反射損失最多可達-12.2dB,CNTs反射損失最多可達-2.3dB,隻有磁損耗或介電損耗導致電磁不匹配對微波的吸收減弱,CNTs/Co既有磁損耗又有介電損耗,且電、磁損耗匹配良好,所以吸收率,反射損失可達到-16dB。研究證實,鐵氧體吸波材料具有吸收率高、有效頻段寬、匹配厚度薄等特點,吸波性能最佳,特別是具有較高磁晶各向異性的M型鐵氧體[16],受到眾多研究者的關注。為此,Sachin Tyagi[17]采用溶膠-凝膠法製備SrNi2Fe10O19/(SrFe12O19/NiFe2O4)納米微粒,摻雜碳納米管製成複合吸波材料,含10% CNTs的複合材料性能最佳,9.292GHz處反射率損失為-36.817dB,在中頻段實現強吸收,有效帶寬可達3.27GHz。

3 碳纖維基吸波材料

普通碳纖維電阻率約為10-2Ω·cm,在電磁場作用下纖維中形成較大的連續傳導電流,是電磁波的強反射體。因此,隻有經過特殊處理的碳纖維才有一定的吸波能力。碳纖維的改性處理主要圍繞調節其電磁特性,目前常用的處理工藝為:

對碳纖維進行表麵改性或摻雜改性在碳纖維表麵沉積一層具有微小孔隙的碳粒子層、磁性金屬層、碳化矽薄膜或用氟化物處理碳纖維,稱為碳纖維的表麵改性。蘭州大學徐金城[18]課題組在碳纖維表麵塗覆四氧化三鐵薄膜,當反射率為-5dB,-10dB,-20dB時,對應的電磁波吸收率可達到68%,90%,99%。天津大學萬怡灶[19]課題組也通過陰極電沉積法於碳纖維表麵製備了均勻致密的四氧化三鐵薄膜,顯著提高其吸波性能的同時也相應地增強了其力學性能。