碳纖維在吸波材料中的應用

趙 璐，郭 永*，白云峰，趙建國，李 江

(1.山西大同大學應用化學研究所,山西大同037009；2.山西大同大學化學與化工學院,山西大同037009)

碳纖維在吸波材料中的應用

趙 璐1,2，郭 永1,2*，白云峰2，趙建國2，李 江1,2

(1.山西大同大學應用化學研究所,山西大同037009；2.山西大同大學化學與化工學院,山西大同037009)

綜述了吸波材料的設計要點，碳纖維在吸波材料設計過程中的發展現狀，碳纖維吸波材料的最新進展，提出了碳纖維吸波材料的研究方向.

碳纖維 吸波材料 復合材料

隨著電子、無線通信技術突飛猛進的發展,電磁輻射已成為一種新的污染源,世界衛生組織把其列為世界三大公害之一[1].在民用領域,電子元件小型化、高度集成化及電子儀器儀表輕量化、高速化以后,極易受電磁干擾使其動作失誤,從而帶來嚴重后果;電磁輻射還會泄漏信息,使計算機等儀器處于無信息安全保障狀態;此外,在國防軍事領域,隨著各種新型雷達、先進探測器及其精確制導武器的問世,防空和反導彈系統的能力日益增強,現代戰爭中作戰飛機、巡航導彈、戰略導彈、艦艇和坦克等武器系統受到越來越嚴重的威脅.

為了更好地解決電磁輻射對人們日常生活的影響及提高武器系統的生存能力和突防能力,開發具有吸波能力的材料已成為當前世界各國重點研究領域之一.

1 吸波材料的設計

吸波材料,又稱微波吸收劑,是指能對電磁波產生衰減吸收作用的一類材料.吸波材料最先用于軍事領域的武器隱身,現在逐漸應用于工業及民用領域消除電磁波對生物體的危害.

吸波材料按吸收機理可分為電損耗型和磁損耗型.其中電損耗型材料的典型代表包括炭黑、碳化硅、鈦酸鋇鐵電陶瓷、碳納米管及特種碳纖維等,其特點是具有較高的電損耗正切角,通過電場的相互作用來吸收電磁波,吸收效率主要由材料的介電常數決定.磁損耗型材料則以羰基鐵粉、納米鐵氧體粉、磁性金屬粉及磁性纖維等為代表,該類材料具有較高的磁損耗正切角,對電磁波的衰減主要來自于磁損耗.

吸波材料按其成型和承載能力,可以分為涂覆型和結構型兩大類.目前已報道的有很好的吸波性能的納米材料[2-4],多為涂覆型吸波材料,沒有承載能力,給應用帶來困難.結構吸波材料具有承載和減小雷達散射截面的雙重功能,它既能減輕結構質量,又能提高有效載荷,已得到廣泛應用.

高性能的吸波材料要滿足兩個條件[5]:一是電磁波盡可能無反射地進入吸波材料,即吸波材料與自由空間的阻抗匹配要好;二是電磁波進入吸波材料后盡快地被損耗掉,即材料的電磁損耗要大.第一個條件利用多層吸波材料可以得到解決,第二個條件只有通過尋找電磁損耗大的材料.常規材料一般磁導率較小而介電常數較大,不利于阻抗匹配的實現,而且電磁損耗也不可能特別大,所以常規吸波材料的發展受到一定的限制.

傳統的粉體吸波劑普遍存在著密度大、單位厚度吸收率低等缺點.這就要求,在新型吸波材料的研制和開發上,需要充分滿足“薄、輕、寬、強”等要求.

2 碳纖維吸波材料

碳纖維不但能作結構吸波材料,其短纖維還能作為涂覆型吸波材料的吸收劑.與其它吸波材料相比,碳纖維不僅具有硬度高、高溫強度大、熱膨脹系數小、熱傳導率高、耐蝕、抗氧化等特點,還具有質輕、吸收頻帶寬的優點.基于碳纖維已表現出來的優良性能及在實際的應用中的潛在發展空間,碳纖維復合材料已成為新型吸波材料的重要一員.

通過研究碳纖維的吸波性能和吸波機理,并對碳纖維吸收材料進行改性和結構設計,研制出高性能的碳纖維復合材料是現在研究的熱點[6].

碳纖維的電阻率約為10～2 Ω·cm[7],是雷達波的強反射體.只有通過特殊處理的碳纖維才具有吸波性能,碳纖維的處理主要圍繞調節電阻率的目標,目前的處理工藝有:

1)降低碳纖維的碳化溫度,以降低其晶化溫度,使其結構變得疏松,這種方法效果較好,但是會明顯降低碳纖維的模量與強度.

2)改變碳纖維橫截面的形狀和大小,即生成異型截面的碳纖維,可以精確控制其電導率.文獻[8]報道的異型截面有:角錐形、三角形、U形、W形、Y形、箭形、中空三角形等.

3)對碳纖維進行表面改性,包括在碳纖維表面沉積一層帶微孔的碳粒或噴涂一層金屬層、無機非金屬陶瓷涂層以及高分子涂層,或在室溫下對碳纖維用鹵素氟化物浸漬處理等,均可改善纖維的電磁和吸波性能[9].

另外,還可以通過調節SiC和C的不同摻雜比例,經人工設計制備出有較高力學性能和吸波性能的SiC-C纖維.

3 最新研究進展

針對以上的幾種工藝,國內外學者做了大量的研究.如螺旋碳纖維[10-11]、碳納米管[12]的研究取得了可人的成果.

楊國偉等[13]以中間相瀝青為原料,采用氮壓式紡絲機制備了不同炭化溫度的中空截面瀝青基碳纖維,通過SEM表征了其斷面形貌,利用矢量網絡分析儀研究了炭化溫度對中空碳纖維電磁損耗性能的影響.結果顯示,最佳的炭化溫度為900℃時,中空碳纖維具有最大電磁損耗;研究了鋪層方式對復合材料吸波性能影響,利用弓形法對復合材料的反射率進行了測試,結果顯示,碳纖維交叉鋪層時,吸波合格帶寬為10 GHz,最大吸收峰在25 dB.

劉新等[14]采用SEM、XRD及XPS等測試技術,對異形截面聚丙烯腈基碳纖維(ICF)和T300碳纖維的表面形貌、組織結構及化學組成進行了研究.結果表明:ICF的截面形狀成近似正三角形,截面異形度為13.16%;與樹脂基體可以形成較強的界面作用;其力學性能與T 300接近,可作為結構材料的增強體使用.分別采用四電極法、網絡法和雷達散射截面(RCS)法研究了2種纖維增強的復合材料的電磁性能和吸波性能,結果表明:ICF的電阻率比T300大;在高頻電磁波作用下,ICF復合材料的介電常數虛部(ε″)及損耗角正切(tanδ)均比T 300復合材料大;其復合材料對頻率在16 GHz左右的電磁波的反射率為-8 dB.研究發現,異形截面碳纖維復合材料同時具有承載和吸波的作用,將是一種有前途的結構吸波材料.趙東林等[15]開展了異型截面碳纖維的研究工作,并且制備成功,同時也對其電磁特性進行了初步的研究,結果表明該異型截面的碳纖維不僅具有極高的介電損耗,同時也兼具較高的磁損耗,是一種非常有潛力的吸波碳纖維.

朱紅等[16]通過化學鍍法在碳纖維基體上包覆純金屬鎳層,獲得一種新的功能復合材料.通過對包覆前后樣品在2～18 GHz范圍內的復介電常數的實部和虛部系數、復磁導率的實部和虛部系數等電磁參數進行分析比較,可以看出在低頻處復合材料的電磁損耗都較純碳纖維粉有較大提高,可應用于微波吸收材料.李志鵬等[17]采用化學鍍法對膨脹石墨/碳纖維復合材料表面鍍鎳、鐵、鈷,對包覆后的樣品進行了SEM、EDS、XRD、IR和磁性能表征,結果表明,膨脹石墨/碳纖維復合材料表面均勻包覆了一層金屬物質,其鎳、鐵、鈷總質量約占75%,磷約占5%,鍍覆后產品在近紅外波段反射率明顯增大,磁性能明顯增強,復合材料的磁滯回線的面積和剩磁都很小,屬于軟磁性材料.HP 8722ES矢量網絡分析儀測量了樣品在2～18 GHz頻率范圍的復介電常數和復磁導率,根據吸收屏理論公式計算出反射損耗、匹配頻段及匹配厚度,結果表明,當dm=0.4 mm時,反射衰減最大可達-14.6 dB,反射衰減＜-5 dB的頻寬可達10.4 GHz.馬鐵軍等[18]以碳氈為骨架,通過沉積鎳或鎳鐵合金,獲得具有良好吸波性能的結構吸波材料;碳氈經鍍鎳鐵合金后制備的復合材料,在9 GHz和17 GHz出現了兩個反射衰減峰,這對拓寬吸波材料的頻帶寬度具有指導性參考價值.黃小忠等[19]用溶膠-凝膠技術在碳纖維表面涂覆BaFe12O19型鐵氧體,制得具有磁性涂層的連續碳纖維.該碳纖維具有獨特的電磁性能,沿軸向磁化時,可以獲得較大的μ與ε.Yang等[20]在碳纖維表面電鍍鐵并與環氧樹脂基體復合,研究了不同裝載量下樣本的磁共振頻率、介電常數等參數,結果表明,樣品有較高的介電常數值.曾祥云等[21]研究了碳纖維布鍍鎳吸波材料的吸波性能后發現,碳纖維布適量鍍鎳后有較好的吸波性能,隨著鎳含量的增加,吸波性能有一極大值,而且鍍鎳碳纖維布在KU波段的吸波性能優于X波段.孟輝等[22]制備并研究了鍍鎳的碳纖維與羰基鐵粉混合的涂層,結果表明,其可起到減小面密度的效果,單獨使用羰基鐵粉涂層的面密度為3.5 kg/m2,而碳纖維/羰基鐵粉涂層面密度則為3.2 kg/m2,同時反射率小于-5 dB的頻寬明顯加寬,并且向低頻移動.王海泉[23]利用化學氣相沉積法在碳纖維表面沉積TiC,結果表明這種復合材料對頻率為2 GHz左右的電磁波有很強的吸收性能,且明顯高于傳統的吸收劑SiC、鐵氧體;TiC/C復合纖維制成的吸波板在15～35 GHz頻段內也具有良好的電磁波吸收性能,有效帶寬超過5 GHz,最大吸收峰達到-15 dB.高文等[9]研究了在碳纖維表面共沉積SiC涂層對碳纖維復合材料微波性能的影響,結果表明:SiC涂層對纖維的電磁參數影響很大,可在一定程度上使其復合材料的介電常數和介電損耗角正切值減小,吸收率增加,沉積產物主要是SiC晶體,是SiC纖維的晶型.

徐海霞等[24]考察了碳纖維/玻璃纖維復合并澆注硅溶膠制成的纖維氈的介電和吸波性能.結果表明:復合材料的介電常數隨著碳纖維含量的增加而增加,隨頻率的增加而降低,具有明顯的頻響效應.復合材料具有明顯的雙峰吸收性能,且最高吸收峰隨著厚度的增加向低頻移動.當含量為碳纖維1%,復合材料厚度為6、7、8 mm時,反射率小于 -10 dB的頻段分別為 4.2～10.5、3.9～9.3、3.8～7.7 GHz.沈國柱等[25]使用溶膠凝膠法制備了M型六角鐵氧體,測量了鐵氧體和短切碳纖維復合材料在Ku波段的電磁參數,并根據電磁參數設計了雙層吸波材料.結果表明: M型鐵氧體復合材料的介電損耗和磁損耗都比較小,而短切碳纖維復合材料具有較高的介電損耗;內外層材料相同但厚度不同的雙層復合材料表現出不同的微波吸收特性,其中,內層為M型鐵氧體復合材料、外層為碳纖維復合材料、層厚分別為1.5 mm和0.5 mm的雙層復合材料,表現出優良的微波吸收性能,反射率在 -10 dB以下的有效帶寬覆蓋了整個Ku波段,最大吸收位于15.3 GHz處,反射率約為23.0 dB.鄒田春等[26]分別研究了平行和正交排布碳纖維/環氧復合材料的微波吸收特性,發現碳纖維平行排布吸波材料只在入射電場方向與纖維排布方向平行時才具有吸波性能;隨纖維間距的減小,其反射衰減曲線的最大吸收峰向高頻方向移動;纖維支數增大,吸波性能增強.正交排布碳纖維的吸波性能與纖維的間距密切相關.當纖維間距為8 mm時,可獲得有效帶寬4.7 GHz、最大吸收峰值-21.6 dB的反射衰減.

4 展望

碳纖維吸波材料已應用于多國戰斗機,是一種非常有發展前途的吸波材料.未來碳纖維吸波材料的發展方向是在較寬的頻率范圍內穩定的吸波性能,結構和功能一體化,低成本等.研究的熱點領域是對碳纖維的表面改性等.隨著各國科學家對新型碳纖維吸波材料的不斷開發,及對現有碳纖維材料的不斷改性,相信碳纖維吸波材料的應用領域會越來越廣.

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Abstract:Designment of absorbing materials were summarized,development of carbon fiber in absorbing materials were studied, advance of carbon fiber absorbing materials were reviewed,suggestions on developing of carbon fiber adsorbing materials were discussed.

Key words:carbon fiber;absorbing materials;compound material

〔編輯 楊德兵〕

Application of Carbon Fiber in Absorbing Materials

ZHAO Lu1,2,GUO Yong1,2,BAI Yun-feng2,ZHAO Jian-guo2,LI Jiang1,2
(1.Institute of Application Chemistry,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009; 2.School of Chemistry and Chemical Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009)

TB332

A

2010-09-02

國家自然科學基金項目[21073113]；山西大同大學青年科學研究項目[2010Q10][2008Q9]

趙璐（1982-），女，四川眉山人，碩士，助教，研究方向：材料化學.*郭永,男,碩士生導師,教授,通信作者.

1674-0874(2010)06-0044-04