納米氧化鋅晶須對乙炔碳黑/丁腈膠復合材料的吸波性能的影響

摘要本文研究了納米氧化鋅晶須對乙炔碳黑(CB)填充丁腈膠復合材料的吸波性能的影響。結果表明，納米氧化鋅晶須可以大大地提高NBR/CB復合材料的吸波性能；添加25份的ZnOw可達到的最大反射損耗值為16.92dB，比不加納米氧化鋅晶須增加60.5%，10dB以上的頻寬2.22GHz，；添加50份的ZnOw可達到的最大反射損耗值為35.55dB，比不加納米氧化鋅晶須增加237.3%， 10dB以上的頻寬有3.215GHz。同時研究了復合納米氧化鋅晶須對乙炔碳黑(CB)填充丁腈膠復合材料的吸波性能的影響，結果同樣表明，復合納米氧化鋅晶須大大地提高NBR/CB復合材料的吸波性能，同時設計了三層的阻抗過渡結構材料，表明多層阻抗過渡結構材料的吸波性能比單層的好。

關鍵詞 納米氧化鋅晶須 乙炔碳黑 丁腈膠 吸波性能

中圖分類號：O6 文獻標志碼：A

Effect of Nano ZnO Whiskers on the Microwave-Absorbing

Property of NBR/CB Composite

LIAO Ningtao[1]， WANG Juying[2]， XUE Peng[3]， ZHANG Xinghua[4]

([1]Guangzhou SCUT Bestry Technology Co.， Ltd.， Guangzhou， Guangdong 510600;

[2]Guangdong Baiyun University， Guangzhou， Guangdong 510600;

[3]Foshan Plastic Co.， Ltd.， Foshan， Guangdong 528000;

[4]Guangdong University of Technology， Guangzhou， Guangdong 510600)

AbstractThis paper researches the influence of nano-zinc oxide whisker acetylene to carbon black (CB) filled nitrile rubber composites absorbing properties. The results show that zinc oxide whisker can greatly improve the NBR / CB composites absorbing properties; Add up to 25 copies of ZnOw maximum return loss is 16.92dB， increased 60.5% than without zinc oxide whiskers， 10dB bandwidth of more than 2.22GHz; Add up to 50 copies of ZnOw maximum return loss is 35.55dB， increased 237.3%than without zinc oxide whiskers， 10dB bandwidth of more than a 3.215GHz. Also studied the zinc oxide whiskers on the acetylene carbon black composite (CB) filled nitrile rubber composites absorbing properties， the results also show that the composite zinc oxide whiskers greatly improved NBR / CB composites absorbing properties， while the design of a three-tier structure of materials， the impedance of the transition， that transition of multi-resistance of structural materials absorbing the good performance than single-layer.

Key wordsZinc oxide whisker; Acetylene carbon black; NBR; absorbing properties

0 前言

吸波材料是一種重要的功能材料，最先應用于軍事上，隨著科學技術的發展，開始在民用領域應用，如作為微波暗室材料，微波衰減器元件及微波成型加工技術。在信息通信及網絡技術高度發達的今天，家用電器、通訊設備以及手機等釋放的電磁波，這些都可能使人產生疾病。①因此，吸波材料的應用將會越來越廣。吸波材料通常是由基體材料和吸波劑制得的復合材料，吸波劑主要有無機鐵磁性物質和導電性聚合物及微金屬粉。近些年來，國內外學者開始研究手性材料和納米材料的吸波特性，但是，從目前的研究現狀來看，吸波材料要有較好的吸波特性，僅憑單一吸波劑制成的吸波材料還是不夠理想的。因此，采用多種組分作為吸波劑來提高材料的吸波性能是很有必要的。②

1 實驗

主要原料：丁腈-34（NBR-34）德國拜爾公司；乙炔碳黑(CB) 福建南平化工廠；納米氧化鋅晶須(ZnOw) 牌號為AT-X， 復合納米氧化鋅晶須(c-ZnOw) 牌號 為AT-41、AT-42 成都交大晶宇科技有限公司。

1.1 工藝流程和工藝條件

把NBR膠料于雙輥開煉機中進行初煉、塑化，然后加入硫化劑、活化劑、防老劑進行混煉，再加入乙炔碳黑、無機填料和增塑劑，進行混煉、薄通，然后加入硫化促進劑，再混煉、抽片，然后在平板硫化機中壓制成型（溫度160oC，壓力10MPa）冷卻、脫模，得到試樣，規格為180€?80€?.4mm。 配方如下（質量份）：

1.2 性能測試

用自由空間法測試材料的吸波性能，測量頻率范圍為8GHz~18GHz。

2 結果和討論

2.1 納米氧化鋅晶須對NBR/CB復合材料吸波性能的影響

Fig.1 Absorbing Curves of NBR/CB， NBR/CB/ ZnOw

圖1為在NBR/CB(100/25)復合材料中加入不同量的氧化鋅晶須特性曲線。從圖1可以看出納米氧化鋅晶須的加入使吸收峰強度增加，加入25份的ZnOw在10.00GHz時達到最大反射損耗值16.92dB，比不加納米氧化鋅晶須增加60.5%%，10dB以上的頻寬2.22GHz。加入50份的ZnOw吸收峰在10.879GHz時達到最大反射損耗值35.55dB，在10dB以上的頻寬有3.21GHz。

這是因為ZnOw具有空間四針狀結構，在復合材料內部容易形成具有一定尺寸的三維網孔結構。③一方面ZnOw起到了環形導電網的作用。這些無數環形導電網使電磁波能量感應形成耗散電流，從而實現對微波能量的吸收。另一方面ZnOw具有很大的長徑比在外加電場作用下，尖銳的針尖容易形成局部的強電場，有限的導電率導致ZnOw針狀體短時間電極化。在這種情況下，各針狀體作為電偶極子與入射電磁波產生諧振而消耗其能量。而ZnOw含量的增加，NBR基體中的三維網孔、環形導電網增加，因而提高了材料的吸波性能。

同時，納米氧化鋅晶須的加入使吸收峰向高頻方向移動，這是因為越多納米氧化鋅晶須的加入，內部導電網絡越密集，形成許多微小的電容，頻率越高隧道效應越明顯，對高頻的響應越好。

2.2 復合納米氧化鋅晶須對NBR/CB復合材料吸波性能的影響

圖2所示的加入復合納米氧化鋅晶須后的吸波效果，復合納米氧化鋅晶須為碳黑和納米氧化鋅晶須的混合物（實際上等于增加了CB的用量）。從圖2可見加入25份復合納米氧化鋅晶須后在8-18GHz范圍內最大吸收衰減值為11.46dB，頻寬在10dB以上的只有0.49GHz，從曲線趨勢看最大吸收峰應該在更低的頻率上，而且吸收峰強度也增加，加50份復合納米氧化鋅晶須后在8-18GHz范圍內最大吸收衰減值為7.37dB，頻寬在10dB以上的沒有出現，這是因為吸收峰隨量的增加向低頻移動了，從曲線趨勢看吸收峰強度也將會是增加的。

由于復合納米氧化鋅晶須，并不是純ZnOw粒子，隨著含量的增加，碳黑的量相應增加，使得材料的電導率增大，則由導電損耗部分對電磁波的損耗增大。

Fig.2 Absorbing Curves of NBR/CB， NBR/CB/ c-ZnOw

2.3 阻抗過渡設計

在以上研究的基礎上，我們設計了三層的吸波劑含量從外到內濃度依次增加的梯度吸波材料。從外到內，三層內吸波劑（碳黑/復合納米氧化鋅晶須，比例為1:1）份數比例為：2：3：5，各層厚度為0.4mm、1mm、1mm，其吸波性能見圖3，2#曲線。其在8-18GHz內，最大吸收衰減值為46.37dB，10dB以上的頻寬有1.79GHz。與前面所述的幾個單層對比，其對電磁波的吸收大大增強。一方面是因為采用低乙炔碳黑含量的表層，阻抗較小，更好地與自由空間的阻抗匹配，讓最大限度的讓電磁波進入復合材料內部而不被反射掉。另一方面是各層阻抗的不同，電磁波在各層及層與層的界面間進行反復的多次折、反射并發生吸收。這使得某個范圍內的電磁波被重復的吸收而大大衰減。而隨著每層吸波劑濃度的增加，損耗峰的強度和頻寬也有所增加，這從圖1我們也可以知道。

Fig.3 Absorbing Curves of NBR/CB/c-ZnOw (100/25/25)，

3 結論

本文對于在NBR/CB復合材料中加入納米氧化鋅晶須(ZnOw)的研究，結果表明，加入25份ZnOw在10.0GHz時達到最大反射損耗值16.92dB，比不加納米氧化鋅晶須增加60.5%，10dB以上的頻寬2.22GHz。加入50份的ZnOw吸收峰在10.879GHz時達到最大反射損耗值35.55dB，比不加納米氧化鋅晶須增加2.3倍，在10dB以上的頻寬有3.21GHz。復合納米氧化鋅晶須的加入可以增強NBR/CB（下轉第174頁）（上接第125頁）復合材料的吸波性能，同時隨著復合納米氧化鋅晶須量的增加，吸收峰可以向低頻移動。多層阻抗過渡結構材料的吸波性能比單層材料明顯提高。

注釋

①王慶華(Wang Qinghua)譯.電磁公害漫談.國外科技動態(Recent Developments In Science Technology Abroad)，1996.7:29.

②張興華，童速玲，薛鵬等.含結晶水無機物在吸波材料中的作用.高分子材料科學與工程， 2005.21(1):222-224.

③楚瓏晟，周柞萬.氧化鋅晶須毫米波隱身涂料的研制.功能材料(增刊)，2001.10:?836-838.