PA11/SiC 復合材料的制備及其吸波性能研究

曾 莉, 鄭 玱, 漆 誠, 董茜娟, 劉偉建, 羅俊峰

(江西洪都航空工業集團, 江西 南昌 330024)

尼龍11(PA11)是一種性能優良的工程塑料, 在汽車、 電子電器、 軍工等領域得到了廣泛的應用[1]。 近年來隨著納米技術的發展, PA11 復合材料成為研究的熱點。 目前國外主要研究了 PA11/Au、 PA11/Si 納米復合材料并取得了一定的進展[2]。

SiC 是由Si、 C 以共價鍵結合而成的正四面體, 具有良好的化學穩定性和熱穩定性, 同時還具有良好的力學和熱傳導性能, 在光電子學、 高溫電子學、 抗輻射電子學和高頻大功率器件領域具有巨大廣泛的應用前景[3]。 除此之外, 碳化硅具有良好的吸收電磁波的性能, 是傳統型吸波材料, 其吸波性已有一定的研究[4-6]。

筆者采用有機改性法對SiC 表面處理, 改善SiC 與PA11 的相容性。 通過物理熔融共混制備PA11/SiC 納米復合材料, 測試復合材料的相對復電磁常數, 研究其電磁性質、 微波吸收性能。

1 實 驗

1.1 原料及儀器設備

尼龍11(擠塑級), 太原中聯澤農有限公司; 硅烷偶聯劑(分析純), 天津市東麗區天大化學試劑廠; 碳化硅粉體。

SHJ-36 型平向雙螺桿擠出機, 南京誠盟化工機械有限公司; SZ - 100/80 塑料注塑成型機, 上海塑料機械廠; XDQ 型塑料切粒機, 天水興田橡塑機械有限公司; 8400S 紅外光譜儀,日本島津; HP-8722ES 網絡矢量分析儀, 美國安捷倫。

1.2 SiC 表面處理

將SiC 粉與鹽酸制成質量分數為15%的SiC 懸浮液, 攪拌真空抽濾, 取出置于真空烘箱120 ℃下干燥24 h。 烘干后, 在馬弗爐中煅燒。 量取 160 mL 甲苯、 2 mL KH550、 100 g 煅燒過SiC, 分別加入到三口燒瓶中, 攪拌均勻, 油浴鍋加熱90 ℃下恒溫5 h 并持續充氮氣, 真空抽濾, 得到SiC 固體。 將SiC 在水介質中超聲分散半小時后抽濾, 置于真空烘箱中110 ℃下干燥12 h 后取出, 裝袋密封, 待用。

1.3 PA11/SiC 納米復合材料制備

將表面處理過的SiC 粉末與尼龍11 按比例混合, SiC 的質量分數分別為0%、 5%、 10%、 15%。 在雙螺桿擠出機上擠出、 造粒, 制備出PA11/SiC 復合材料。 在經注塑機注射得到標準樣條。

1.4 吸波性能測試

用HP-8722ES 網絡矢量分析儀通過同軸法測定PA11/SiC復合材料在1 ~18 GHz 頻率下的相對復電磁常數, 依據測量數據計算復合材料對電磁波的反射衰減。

2 結果與討論

2.1 紅外分析

圖1 為表面處理前后SiC 的紅外光譜圖。 從圖1 可以看出,表面處理前的SiC 在500 ~900 cm-1間存在C-Si 的伸縮振動峰,1611 cm-1和3452 cm-1為SiC 表面吸附水而產生的吸收峰。 而表面處理后的SiC 化合物中的C-Si 的伸縮振動峰增強, 波數在1120 cm-1處存在C-Si 的彎曲振動, 在波數3452 cm-1處是締合的氨基 (N-H) 伸縮振動峰, 1611 cm-1處為氨基 (N-H)的面內彎曲振動峰。 結果表明, 硅烷偶聯劑水解后的一端與SiC 表面的羥基發生了反應, 硅烷偶聯劑水解后的另一端連接上了-NH2。

圖1 SiC 表面處理前后紅外圖Fig.1 Infrared image of SiC before and after surface treatment

2.2 PA11/SiC 復合材料電磁吸波分析

圖2 顯示了不同SiC 含量的PA11/SiC 復合材料在不同的厚度下的反射損失。 從圖中可看出, 純PA11 的反射衰減很弱,不到-1 dB。 SiC 含量分別為5%, 10%, 15%的復合材料的匹配厚度分別為tm=5, 3, 2 mm, 而且最強的反射損失約為Rmax=-21, -33, -8 dB, 可以看出反射損失在填充質量比例為10%時, 電磁匹配和阻抗匹配效果最佳。 由此可得出在PA11/SiC 復合材料中起衰減作用的是SiC, PA11 則起到調節阻抗匹配的作用。

圖2 PA11/SiC 復合材料的反射衰減Fig.2 Reflection attenuation of PA11/SiC composites

另外, SiC 含量為10% 的 PA11/SiC 復合材料在厚度為2 mm 時具有比較強的吸收, 此時反射損失低于-10 dB(代表超過90%的吸收)的頻帶寬度超過4 GHz, 對微波能量吸收良好。

圖3 顯示了純PA11 的復介電常數、 復磁導率和損耗正切值與頻率的函數關系。 從圖3 可以看出, 6 個參數的值在1 ~18 GHz 整個頻率范圍內變化都很小。 圖3(a)中, PA11 的相對復介電常數和介電損耗正切值tanδE在整個頻率范圍內均未發生明顯變化, 說明PA11 中的偶極子在常溫下很穩定[7]。 介電常數虛部ε″和介電損耗正切值都維持在近乎為零的數值, 可見PA11 的介電損耗很弱, 可以忽略。

圖3 純PA11 的復介電常數、 復磁導率及損耗正切值Fig.3 Complex permittivity, complex permeability and loss tangent of pure PA11

圖3(b)中, 可以看到, PA11 的復磁導率近乎為1, 磁損耗正切值tanδM近乎為零, 可認為PA11 的磁損耗同樣可忽略。因此, PA11 是一種低損耗型介電材料。 由圖可知, PA11 基體的介電常數約為2.3, 介電損耗正切值tanδE的數量級為10-2,反射衰減不到-1 dB, PA 11 也具有良好的透波性能。

圖4(a)顯示的是SiC 含量為10%的PA11/SiC 復合材料的介電常數與頻率的函數關系。 與純PA11 相比, PA11/SiC 復合材料的介電常數增大了幾倍, SiC 的加入對PA11 的電性能影響很大。 圖4(b)中, 我們可以觀察到復合材料的磁導率實部變化不大, 但磁導率虛部變化較明顯, 特別是在低頻段變化明顯, 最大值接近0.4。 磁導率虛部的增大可解釋為SiC 在粒徑尺寸降低到納米量級后, 擁有納米的特殊效應, 顯示出良好的微波吸收性能, 而且隨粒徑的變小, 磁損耗會越強。 圖4(c)描繪了介電損耗正切值tanδE和磁損耗正切值tanδM隨頻率變化的曲線。 可知, 復合材料仍以電損耗為主, 但磁損耗不可再忽略, 而且在某個波段磁損耗還占主導地位, 將擁有電損耗和磁損耗兩種損耗機制。 PA11 和SiC 都屬于電損耗型材料, 但共混改性后的復合材料出現一定強度的磁損耗將增大對電磁波的損耗, 提高反射衰減。

圖4 SiC 含量為10%的PA11/SiC 復合材料的復介電常數、 復磁導率及損耗正切值Fig.4 Complex dielectric constant and complex permeability of PA11/SiC composites with 10% SiC content

3 結 論

對PA11/SiC 復合材料的電磁性質、 微波吸收性能進行研究分析, 可得到以下結論:

(1)SiC 經表面處理后, 硅烷偶聯劑水解后的一端與SiC 表面的羥基發生了反應, 硅烷偶聯劑水解后的另一端連接上了-NH2, 說明改性是成功的。

(2)對PA11/SiC 復合材料電磁性質進行測試, 發現SiC 的加入, 改變了尼龍11 的電性能, 復合材料的磁導率虛部變化明顯。 當填充質量比例為10%的復合材料在厚度為2 mm 時具有比較強的吸收, 基本滿足了對吸波材料 “寬、 輕、 薄、 強”的要求, 可作為一種微波波段優異的吸收材料。