雷达吸波材料研究

雷达吸波材料研究（精选7篇）

雷达吸波材料研究 第1篇

在现代化战争尤其是在超视距空战中,雷达讯号探测成为探测飞机、导弹等的最可靠的方法,因此,减弱作战飞机的雷达反射信号强度,便成为飞机设计中提高隐形能力的最关键和最重要的因素[1]。

早在20世纪60年代中期,西方国家就已对飞行器隐身进行了大量探索,研制出YF-12、SR-71、D-21等具有一定隐身能力的飞机。随着物理理论以及计算机、电子、控制、材料技术的进步,1975 年第一代隐身飞机F-117A“夜鹰”问世,1981年美国空军开始发展第二代隐身飞机B-2隐身轰炸机。1991年的海湾战争中,美国出动F-117 隐身战机1000多架次,无一损伤;出动的架次仅占总出动架次的2%,却成功地攻击了预打击目标数的43%,取得了很好的战绩。1999年的科索沃战争中,美国首次动用B-2隐身轰炸机,多次对南联盟的军事目标狂轰滥炸,自己却未损失1架,令世人对隐身技术的巨大威力产生了深刻的印象。1997年9月7日,第三代隐身飞机F-22试飞成功,将高空、高速和隐身性能结合在一起,标志着隐身技术已经成熟[2]。

雷达探测时,发射机通过脉冲发生器产生脉冲信号,由定时器协调,通过天线发射出去,发射的雷达波入射到目标表面,产生反射,发射回波又经过天线到达接受机,回波信号非常微弱,经放大器放大百万倍后送到显示屏(雷达屏幕)显示[1]。

雷达波隐身技术是指通过优化探测目标的外形或者在探测目标表面进行涂装处理使之显著吸收雷达波,从而降低雷达回波能量,达到隐藏探测目标的目的[3]。与外形技术相比,雷达吸波材料在飞机隐身技术中占有重要地位,特别是对现役飞机的隐身性能的改装有重要意义。目前,研究和开发高性能的雷达吸波材料成为各国军事技术领域中的一个重大课题[4]。

1 雷达吸波材料的吸波机理

雷达吸波材料是指能够吸收衰减入射的电磁波,并将电磁能转化成热能耗散掉,或者通过干涉使电磁波消失的一类材料。按材料的成型工艺和承载能力,吸波材料可以分为涂覆型和结构型两大类[3,4]。涂覆型吸波材料一般将吸收剂(微粉或纤维)与有机溶液、乳液或液态高聚物(粘结剂)混合制成功能复合涂料,刷涂或喷涂到雷达目标的表面[5]。结构型吸波材料一般将吸收剂分散在各种纤维增强的结构复合材料(如碳纤维复合材料)中,具有承载和吸波的双重作用[6,7]。从设计原理上来说,涂覆型吸波体又分为干涉型和吸收型。本文主要对吸收型涂覆吸波体(吸波涂层)的吸波机理进行相关介绍。

当雷达波入射到材料表面时,一般会发生反射、吸收和透射,期间遵循能量守恒定律[8]。为了更加有效地吸收入射的电磁波,吸波涂层要求具备以下两个特性:一是雷达波能够尽量入射到材料内部而不是在涂层表面就被反射掉,即阻抗匹配特性;二是进入材料内部的雷达波能被涂层迅速地吸收衰减掉,即衰减特性[9,10]。

表征吸波材料性能最主要的参数是材料电磁参数,包括复介电常数(ε=ε′+ε″)、复磁导率(μ=μ′+μ″)。通过调整材料的电磁参数可以优化材料的吸波性能,尽可能增加对入射雷达波的吸收。 一般用式(1)计算吸波涂层的反射率[11]:

一般,在ε′和ε″足够大的基础上,μ′和μ″越大,涂层对雷达波的吸收性能越好。但考虑到阻抗匹配条件,ε和μ的虚部不是简单的越大越好,而是应当根据具体吸波材料的设计来确定电磁参数的最佳值。既要考虑阻抗匹配,减少雷达波在涂层界面的反射,又要考虑加强对已进入涂层的雷达波的吸收,避免雷达波的再次返回。除此之外,在实际应用中,也应该考虑吸波材料的密度、粒度、形状、工艺性、化学稳定性以及耐环境特性,使材料尽量满足“薄、宽、轻、强”的条件。

2 吸波材料的损耗机制

吸波材料按照其损耗机制可以分为电阻型、电介质型以及磁介质型[12,13,14]。

对于电阻型吸波材料,其损耗主要来源于电导损耗。导电载流子在材料内部定向漂移,形成传导电流,以热能的形式将入射的电磁波损耗掉,主要代表物质为炭系物质(如炭黑、石墨、碳纤维、纳米碳管等)、非磁性金属微粉、导电高分子等。对于电介质型吸波材料,其损耗主要来源于介质弛豫极化级谐振损耗,主要代表物质为陶瓷材料,如BaTiO3、金属氧化物、氮化铁、SiC、Si/C/N等。对于磁介质型吸波材料,其损耗主要来源于磁损耗,主要包括趋肤效应引起的涡流损耗、磁滞损耗和磁后效等引起的剩余损耗,主要代表物质为铁氧体、羰基铁、氮化铁、磁性金属粉末等。

3 几类吸波材料的研究进展

3.1 BaTiO3及其复合材料

BaTiO3具有优良的介电性能、极化效应且化学稳定性好、成本低廉,是一种很有前途的雷达波吸收剂,国内外学者对BaTiO3吸收剂进行了广泛的研究。BaTiO3的复介电常数实部主要与偶极子极化和界面极化有关,其损耗则主要是与极化相关的弛豫所引起的[15,16],球磨时间[17]、球磨工艺[18]、粉体粒度[19]等对BaTiO3的介电性能都会有一定的影响。提高吸波效率和拓宽吸波频段是BaTiO3吸收剂目前研究和发展的重点。王桂芹等[20]制备了BaTiO3/环氧树脂复合吸收材料,测试了其在8~18GHz频段内对雷达波的吸收性能,发现当BaTiO3体积分数为20%时吸波性能最佳,有效带宽(<-10dB)达10GHz;当BaTiO3含量为30%,吸波峰有所改进,在12.8GHz处达到-18dB,但有效带宽降低,他们从吸波机理方面对此进行了解释。王桂芹等[20,21,22]对Ba-TiO3与Ni、Co、Ni-Co、CoFe2O3复合粉末的制备工艺及涂层的吸波性能进行了研究。研究表明,含针状和薄片状Ni颗粒的BaTiO3/Ni复合粉体与石蜡的复合体,在1.7mm的匹配厚度下最小反射损耗值达-50.3dB,并且针状和薄片状颗粒的微波吸收能力显著优于球状颗粒;BaTiO3/Co-Ni复合粉体的复介电常数和复磁导率依赖于镀层成分。Co、Ni物质的量比为3∶1和1∶3时,相应粉体与石蜡的复合体在较小的厚度下表现出良好的吸波效果。特别地,当Co、Ni物质的量比为3∶1时,在9.8~18GHz频段内的电磁波吸收率高于90%,而厚度仅为1mm;通过溶胶-凝胶法制备的Ba-TiO3/CoFe2O4复合粉体,随着BaTiO3相对含量的增加,Ba-TiO3包覆层均匀性降低,缺陷浓度增大。复合粉体的组分改变对复介电常数的影响较大而对复磁导率的影响相对较小。当BaTiO3体积分数为70%时,吸波性能达最佳,在1.2mm厚时石蜡基复合体的最小反射损耗值为-41dB。 韩霞光[23]、刘延坤等[24,25]对稀土掺杂BaTiO3的电磁性能进行了研究,发现Nd、La掺杂对钛酸钡的电磁性质与吸波性能的改变最大,当La掺杂量为0.6%、涂层厚度为2mm时,最小反射损耗值在9.8GHz处达到-41dB,有效带宽达1.7GHz。

3.2 铁氧体及其复合材料

铁氧体是铁元素与氧元素化合形成的各类型化合物,属亚铁磁性材料,是应用最早、最广泛、技术最成熟的一类雷达吸波材料,已广泛应用于隐身飞行器,如F-117A机身、B-2机身和机翼蒙皮、TR-1高空侦察机等[26]。铁氧体的吸波性能来源于其既有亚铁磁性又有介电性能,其相对磁导率和相对电导率均呈复数形式,它既能产生介电损耗又能产生磁致损耗[27]。AliSharbati等[28]采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备了M型铁氧体SrMnx/2(TiSn)x/4Fe12-xO19,测试了x=0、1、2、3时的电磁参数,研究表明,当x=3、f=9.7GHz时,反射率损耗达到最小值-39dB。同时,他们对Mg、Zr掺杂的铁氧体SrMgxZrxFe12-2xO19也进行了相关研究[29]。 Muhammad Javed Iqbala等[30]对W型铁氧体BaCoZnFe16-2yAlyCeyO27在y=0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0时的电磁吸波性能进行了研究,发现y=0.2与0.4时表现出优异的吸波性能,同时涂层厚度对电磁波的吸收也有较大影响,随着厚度的增加,涂层对低频电磁波的吸收能力增强。R.S.Meena等[31]采用固相反应法制备了Co、Mn掺杂的U型铁氧体Ba4Co2-xMnxFe36-O60,当x=1、涂层厚度为1.7 mm时表现出最优的吸波性能,最小反射损耗为-28dB。Adriana M.Gama等[32]研究了MnZn铁氧体含量对铁氧体/橡胶复合材料的吸波性能的影响,发现当MnZn铁氧体的含量为20%(质量分数)时,复合材料的吸波性能最好,有效带宽为4.5GHz,最小反射损耗达-37dB。

3.3 铁(镍)氮化物

铁(镍)氮化物具有高电阻率、高的抗氧化性、耐腐蚀性以及作为软磁性材料的高铁磁性,它与高分子基体复合成涂层,有望成为一种新型高效吸波材料。王飞等[33]通过固-气反应合成了FexN(x=4,3)纳米粒子、γ′-Fe2.6Ni1.4N纳米粒子和γ′-Fe1.7Ni2.3N包覆γ-Fe1.7Ni2.3纳米复合粒子,测试了其在2~18GHz范围内的电磁参数。Fe4N/Fe和Fe3N/Fe4N纳米粒子分别在3.6~11.2GHz和4.6~13.6GHz范围内反射损耗值小于-10dB,对应的匹配厚度分别为1~2.99mm和0.83~2.49 mm。在4.6~7.6GHz和7.0~9.2GHz范围内反射损耗值小于-20dB。镍的掺杂导致其自然共振频率向低频移动。不同含量的 γ′-Fe1.7Ni2.3N包覆γ-Fe1.7Ni2.3纳米复合粒子分别在2~6.4 GHz和3.6~7.8GHz范围内反射损耗值小于-10dB,最小的反射损耗值为-53.5dB和-35.4dB。杨志民等[34]在不同温度制备出了Fe4N质量分数超过95%的吸收剂粉末,其中540 ℃制备的Fe4N吸收剂可以实现较高的吸收剂体积分数,由该吸收剂粉末、环氧树脂和固化剂制备的2mm厚的吸波材料可以实现在3GHz反射率低于-18dB。

3.4 SiC、SiCf、Si/C/N及其复合材料

陶瓷材料具有优良的力学性能和热物理性能,它耐高温、强度高、蠕变低、膨胀系数低、耐腐蚀性强,且化学稳定性好,常被用作高温吸波材料。Cecilia Bartuli等[35]采用大气等离子喷涂的方法制备了一系列陶瓷涂层,并对其电磁性能做了测试分析。SiC具有耐高温、质量轻、韧性好、强度大、吸波性能好,而且使用温度范围宽,是应用广泛的一类陶瓷类高温吸波材料,其常作为添加剂或复合材料基体使用。关莉等[36]利用溶胶-凝胶法制备SiO2/SiC复合粉体,吸波性能测试表明,SiO2/SiC复合粉体具有一定的吸波效果,20%(体积分数)含量的SiO2/SiC复合粉体样品在18GHz时反射率达-2.07dB,BaTiO3、Fe3O4的加入实现复合吸波效果,当V(SiO2/SiC)∶V(BaTiO3)∶V(Fe3O4)=6∶2∶2,在5.75GHz时反射率达到-13.97dB,合格带宽为10.08GHz。吴友朋等[37]研究了掺杂碳化硅对纳米炭黑/环氧树脂复合涂层吸波性能的影响,在质量分数为5%的炭黑中添加50%(质量分数)的碳化硅制备厚度为2mm的涂层,反射衰减率在7.5~13.5GHz宽频范围内均优于-10dB,吸收峰最大值达-40dB。陈兆晨等[38]研究发现,将碳化硅颗粒填充到碳纳米管/环氧树脂复合材料中可提高其吸波性能,碳化硅颗粒的填充量存在最佳值为质量分数6%,此时复合材料在632~13.36GHz频率范围内对电磁波有低于-10dB的反射率,有效带宽达到7.04GHz,最大反射衰减-27.3dB。罗发等[39]研究了由SiC(N)纳米吸收剂制备的SiC(N)/LAS吸波材料的介电性能,材料中形成的碳界面层使得吸波材料的复介电损耗明显升高,提高了吸波材料对电磁波的吸收能力,从而降低吸波材料对微波的反射率,使材料表现出优异的高温吸波性能。耿健烽等[40]以硅溶胶为粘结剂,氧化铝为主要填料,纳米Si/C/N复相粉体为吸收剂,制备了一系列不同吸收剂含量的耐高温吸波涂层。当纳米Si/C/N复相粉体的质量分数为2.92%,涂层厚度为1.6mm、1.7mm、1.8mm时,最高吸收峰随着厚度的增加向低频移动,反射率均小于-4dB。

3.5 碳纳米管

自1991年日本学者发现碳纳米管以来[41],由于其独特的结构,优异的物理、化学、力学性能,成为一维材料研究的热点。碳纳米管属于类石墨结构,具有相当好的导电性。由于碳管是中空的,这种独特结构为碳管的管壁改性及管内掺杂提供了可能。通常将碳纳米管加入绝缘树脂或聚合物基底材料中形成复合材料,或者在碳管内部进行铁磁材料掺杂、碳管外铁磁性金属包覆后形成碳纳米管-磁性链复合物[42]。彭志华[43]对碳纳米管的微波吸收机理进行了研究。Ali Ghasemi等[44]研究了MWCNTs/掺杂钡铁氧体纳米复合材料的电磁性能,与纯净的MWCNTs和掺杂钡铁氧体相比,复合材料的吸波性能有了明显的改进,其最大反射损耗随着MWCNTs体积分数的增加而显著增加。华绍春等[45]采用微弧等离子喷涂制备了7%(质量分数)碳纳米管/纳米Al2O3-TiO2复合吸波涂层,其厚度为1.5mm时,反射损耗值最小为-24dB,有效带宽为3.36GHz。汪刘应等[46]采用等离子喷涂技术制备了5% (质量分数)CNTs/Al2O3-TiO2复合涂层,测试了其高温吸波性能,研究表明复合涂层具有较好的高温吸波性能,25 ℃ 时复合涂层的反射率峰值为-7.86dB,随温度的升高,涂层的反射损耗峰值不断减小,谐振频率向低频移动,300 ℃ 时复合涂层的反射率峰值为-12.88dB,小于-5dB频带宽为4.48GHz。刘顾等[47]采用微弧等离子喷涂技术制备了CNTs-SiC/Al2O3-TiO2复合涂层,在一定范围内随着涂层厚度的增加,涂层吸波能力显著提高,其谐振频率不断向低频移动。

4 吸波材料的发展趋势

热喷涂雷达吸波涂层研究现状与展望 第2篇

现代无线电技术和雷达探测系统的迅猛发展,极大地提高了战争防御系统的搜索和跟踪目标的能力,传统作战武器受到的威胁越来越严重。隐身技术作为提高武器系统生存、 突防,尤其是纵深打击能力的有效手段,已经成为集陆、海、 空、天和电磁五位一体的立体化战争中最重要和最有效的突防战术手段,受到世界各军事大国的高度重视[1,2]。在现代战争中,雷达是探测目标的最可靠手段,因此雷达隐身是隐身技术的重点。目前雷达隐身主要通过雷达吸波材料和外形隐身设计这两条技术途径缩减军事目标的雷达散射截面RCS(Radar cross-section)来实现[3]。其中雷达吸波涂层因其制备过程简单,施工方便,不受工件形状限制等诸多优势而成为飞行器隐身,尤其是在役装备隐身性能改进的理想措施[4]。现有的雷达吸波 涂层制备 工艺主要 有热浸镀、旋涂法、电泳沉积和热喷涂等,其中热喷涂技术具有可喷涂材料种类多、工作效率高和成本低等特点,成为雷达吸波涂层制备的研究重点[5]。

本文首先简要介绍了雷达吸波材料的工作机理,然后从热喷涂铁氧体、炭系材料、碳化硅、金属微粉和导电陶瓷5个方面阐述了热喷涂雷达吸波涂层的研究现状,重点评述了涂层电磁参数及吸波性能调控途径。在此基础上,对热喷涂雷达吸波涂层的研究进展进行了系统的总结,最后,提出了热喷涂吸波涂层当前所亟需解决的问题。

1吸波材料的机理

雷达吸波材料的基本原理是材料对入射电磁波实现有效吸收,将电磁波能量转换为热能或其他形式的能量而耗散掉。入射电磁波遇到吸波材料时分别被反射、吸收和透过, 图1为电磁波与吸波材料作用示意图[6]。

吸波材料要达到对入射电磁波尽可能多的吸收,应具备2个特性,即波阻抗匹配特性和衰减特性[7]:(1)电磁波从空气入射到材料介质表面,当入射电磁波在材料介质表面发生的反射最小,同时尽可能多地透射进入介质内部,而不是在其表面就被反射。此时要求材料的表面的阻抗与空气的阻抗匹配。换言之,也就是要求材料的相对磁导率和相对介电常数尽量接近。(2)进入材料内部的电磁波因损耗而迅速地被吸收,这就要求材料具有足够大的电阻损耗、介电损耗和磁损耗。在满足阻抗匹配的条件下,复介电常数虚部和复磁导率虚部越大,损耗越大,越有利于材料对电磁波的吸收。

目前,材料的吸波性能一般使用反射率R(单位为dB)表示。其中以R<-10dB(对电磁波达到90%的吸收)的频带宽度来表示材料的吸波性能。根据传输线理论[8],电磁波由阻抗为Z0的自由空间垂直入射到阻抗为Zin的介质表面时, 反射率表达式为:

式中:f为电磁波频率,d为吸波材料厚度,c为光速,Z0为入射波在自由空间的阻抗,Zin为入射波在自由空间与材料界面处的阻抗,μr和εr分别为材料的相对磁导率和相对复介电常数。

2热喷涂铁氧体吸波涂层

铁氧体是研究得比较多且比较成熟的传统吸波材料,它广泛应用于隐身飞行器,如F-117A机身、B-2机身和机翼蒙皮仪及TR-1高空侦察机等。由于强烈的铁磁共振吸收和磁导率的频响效应,铁氧体吸波材料具有高频吸收性能好、吸波频带宽 等特点,被广泛应 用于隐身 领域[9,10,11]。Bartuli等[12]通过大气等离子喷涂分别制备了损耗导体、介电体和尖晶石铁氧体3种基体的复合涂层,发现粉末与等离子气体间的相互作用使得涂层与原材料的组分有所不同。另外,有文献报道了 热喷涂制 备NiZn和MnZn铁氧体涂 层的研究[13,14,15],但是在喷涂过程中铁氧体材料晶体结构发生变化, 因此需对所得到的涂层进行适当退火。

国内外对热喷涂制备铁氧体吸波涂层的研究已进行了多年,但由于涉及军事应用,公开报道比较少。从现有的文献来看,目前国外侧重于采用热喷涂技术直接沉积具有适当相组成和磁性能的BaFe12O19和BaCoTiFe10O19涂层,并研究其性能。Lisjak等[16,17]研究发现,在采用大气等离子喷涂或超音速火焰喷涂制备BaFe12O19和BaCoTiFe10O19涂层过程中,过“热”的工艺参数导致涂层内存在所不期望的二次相, 因而通过造粒方式和工艺参数调整有利于大量Ba-铁氧体晶体结构的保 留。Bobzin等[18]对喷雾干 燥制备的BaCO3+ Fe2O3颗粒进行热处理和反应烧结,采用大气等离子喷涂制备的涂层中保留了较高含量的BaFe12O19。Lisjak等[16]对固相烧结BaFe12O19粉末经球磨、喷雾干燥和等离子喷涂制备的涂层进行研究,发现其结晶较差,将其在1100~1300 ℃退火后晶体结构显著改善。在BaCoTiFe10O19涂层研究方面, Bégard等[19]分析了通 过固相反 应-喷雾干燥 制备的BaCoTiFe10O19粉末经喷涂所得到的涂层,发现采用“冷”工艺参数可以控制Ba-六角铁氧体的完全熔融,从而沉积得到具有一定含量的六方晶相BaCoTiFe10O19涂层。此外,为了保持喷涂过程中BaFe12O19的晶体结构,Lisjak等[20,21]将BaFe12O19与低熔点聚酯或聚乙烯混合喷涂制备BaFe12O19/聚酯和BaFe12O19/聚乙烯,并研究了其电磁波吸收性能。最近,装甲兵工程学院Liu等[22]研究了等离子喷涂软磁性尖晶石铁氧体涂层的摩擦磨损和吸波性能,研究发现,涂层的磨损机制主要表现为分层和脆性断裂,磁损耗是提高其吸波性能的主要因素。Wei等[23]探索了等离子喷涂W型六角铁氧体涂层的吸波性能,结合强度和反射率的测试表明:涂层的结合强度可以达到28MPa,涂层在Ku波段具有较高的电磁波吸收性能。

3热喷涂炭系和碳化硅吸波涂层

3.1热喷涂炭系吸波涂层

炭系吸收剂包括炭黑、石墨和碳纳米管等。炭系吸收剂的优点是密度小,制成材料的电导率控制在半导体量级时可以得到较好的吸波性能。在炭系吸收剂中,碳纳米管具有强度高、韧性好和比面积高的特点,是新一代最具发展潜力的吸波材料[24,25,26]。华绍春等[27]以微弧等 离子喷涂 法制备了7%(质量分数)碳纳米管/纳米Al2O3-TiO2复合吸波涂层, 发现500 ℃时1.0mm厚的涂层最小高温反射率为-12.2 dB,小于-10dB频带宽为2.0GHz。汪刘应等[28]采用等离子喷涂技术制备了5%(质量分数)CNTs/Al2O3-TiO2复合涂层。研究发现,相比CNTs而言,CNTs/Al2O3-TiO2复合涂层的 高温氧化 性能有一 定提高, 起始失重 温度从471.29 ℃提高到507.8 ℃,在300 ℃ 时CNTs/Al2O3-TiO2复合涂层的反射率峰值为-12.88dB,小于-5dB频带宽为4.48GHz。此外,他们[29]还系统研究了不同碳纳米管管径对CNTs/Al2O3-TiO2复合涂层吸波性能的影响规律,发现随管径的增加,涂层厚度为1.5mm的CNTs/Al2O3-TiO2复合涂层的反射率峰值先减小后增大,小于-5dB频带宽度逐渐减小,小于-10dB频带宽度不断增大,谐振频率向高频移动。苏进步等[30]以碳纳米管与堇青石为原料,通过喷雾干燥技术制备了CNTs/堇青石复合粉末,采用大气等离子喷涂制备了不同碳纳米管含量的碳纳米管/堇青石涂层(如图2所示)。研究结果表明,当碳纳米管含量增加到7%时,复介电常数的实部和虚部值最高,此后,由于喷涂过程中CNTs的氧化导致增加CNTs含量的CNTs/堇青石涂层的复介电常数降低。经过对比优化,碳纳米管含量为7%,涂层厚度为2.4mm的碳纳米管/堇青石涂层的吸波能力最佳,其最小反射率为-15.61dB,小于-10dB的频带宽度为2.35dB。石墨作为应用比较早的雷达波吸收剂,在现阶段仍然受到许多研究人员的重视。杨勋等[31]通过分析等离子喷涂石墨/氧化铝涂层发现,所得到的涂层中有氮化铝生成,并且涂层的介电常数和介电损耗均随石墨含量的增加而增大。

3.2热喷涂碳化硅吸波涂层

碳化硅是共价键性极强的半导体,具有高强度、高模量、 耐腐蚀和低密度的特点。此外,碳化硅熔点高达2840 ℃,氧化后可生成致密SiO2保护膜,因此它还具有耐高温和抗氧化的优点[32]。袁晓静等[33]以喷雾造 粒技术对 纳米β-SiC/ LBS复合粉末进行团聚造粒,研究了超音速火焰喷涂制备的 β-SiC/LBS复合涂层的吸波性能,结果表明,纳米β-SiC含量为46%(质量分数)时,复合涂层的最小反射率达到-13dB, 并且在电磁波频率为14~18GHz范围内,涂层的反射率均小于-10dB,频带宽度为4GHz。此外,β-SiC/LBS涂层与基体的结合强度为8.46 MPa,在拉伸过程中表现出脆性断裂。考虑到碳化硅的吸波性能和抗高温氧化性,刘顾等[34]采用微弧等离子喷涂技术制备了CNTs-SiC/Al2O3-TiO2涂层。 由于纳米SiC颗粒吸附在碳纳米管上,涂层的高温氧化性能相比CNTs/Al2O3-TiO2涂层有所 提高,CNTs-SiC/Al2O3TiO2复合涂层的失重 温度相比 碳纳米管 由471 ℃ 升高到511 ℃。同时纳米SiC也起到了吸收部分电磁波的作用。当涂层厚度从0.9 mm增加到1.8 mm时,反射率峰 值由 -4.10dB增加到-12.27dB,小于-5dB的频带宽增加到9.36GHz。

4热喷涂金属微粉吸波涂层

在金属微粉吸波涂层研究方面,以基体材料的不同可分为热喷涂树脂基和陶瓷基雷达吸波涂层。树脂基复合材料具有比强度、比刚度高,耐腐蚀和便于大面积涂覆的独特优点,成为国际材料领域最活跃的研究开发前沿之一。在树脂基吸波涂层研究方面,Yuan等[35]采用低温高速火焰喷涂在铝基体上沉积制备了α-Fe含量为70%(质量分数)、厚度为1.5mm的纳米α-Fe/环氧树脂涂层,其在12.8~14.5GHz频率范围内反射率低于-10dB,频宽为2.65GHz。以同种喷涂方式,Yuan等[36]还系统探索了 α-Fe/聚酰胺涂层中 αFe质量分数和涂层厚度对涂层电磁波吸收性能的影响规律。

金属/陶瓷是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的陶瓷-金属复合材料,其既保持了陶瓷的高硬度、耐高温抗氧化等特性,又具有较好的韧性。热喷涂金属/陶瓷可以使基体和粒子之间或粒子之间形成良 好的结合,涂层的厚 度可控,因此热喷涂制备金属/陶瓷涂层受到了研究者的重视。 Zhao等[37]以Al和Fe2O3为原料,采用反应等离子喷涂工艺制备了Fe/FeAl2O4涂层,研究了在8.2~12.4GHz频段内Al/Fe2O3比例对涂层介电性能和吸波性能的影响,并且探索了涂层的极化和损耗机制。Zhou等[38]采用喷雾造粒技术团聚造粒,以内送粉低功率等离子喷涂沉积得到的Al2O3/Nb涂层含有较多的孔隙及少量裂纹,金属Nb在涂层内呈现典型的层片状结构分布。通过涂层的反射率优化计算表明,当涂层中Nb的含量为10%(质量分数)、厚度为1.5mm时,涂层在10.0~11.8GHz频率范围内的反射率小于-10dB,频带宽度为1.6GHz,最大吸收峰为-18.7dB。

基于涂层抗高温氧化性能的考虑,很多抗氧化性能较好的金属微粉 被用作热 喷涂金属 陶瓷涂层 的吸收剂 材料。 Zhou[39]以FeCrAl合金为吸收剂,通过短切FeCrAl纤维与Al2O3粉料高能球墨、喷雾干燥的造粒工艺,以等离子喷涂制备了FeCrAl/Al2O3吸波涂层。通过与传统喂料粉末对比发现,采用球磨-团聚的粉末所制备的涂层均匀致密,孔隙含量较少并且涂层内金属相大多以颗粒状分布而仅少量以层片状分布。涂层在厚度1.3mm和FeCrAl含量为41%(质量分数)时,在9.1~10.6GHz频率范围 内反射率 小于 -10 dB,最小反射率为-37.5dB。另外,此FeCrAl/Al2O3涂层表现出较高 的结合强 度:厚度为1.5 mm、FeCrAl含量为41%(质量分数)的涂层结合强度可以达到15 MPa。武志红等[40]和Zhou等[41]以NiCrAlY为吸收剂,分别采用两种不同的造粒工艺,通过微弧等离子喷涂制备了NiCrAlY/Al2O3复合涂层,系统研究了NiCrAlY含量对涂层介电性能的影响规律和作用机理。虽然以上所述吸收剂具有相对较好的抗氧化性,并且在常温条件下具备一定的电磁波吸收性能,但在高温环境长时间工作的情况下,仍然会导 致吸波性 能的变化。因此,单独靠吸收剂自身的抗氧化性,不能满足吸波材料在高温氧化环境中长时间工作的应用要求[42]。而采用合适的工艺实现对喂料颗粒吸收剂的防氧化包覆或对涂层防氧化后处理是提高热喷涂金属/陶瓷吸波涂层使用寿命的有效途径之一。

5热喷涂导电陶瓷吸波涂层

导电性陶瓷颗粒作为吸收剂具有高温吸波性能的特性。 武志红等[43]通过大气等离子喷涂制备了MoSi2颗粒均匀分布于Al2O3基体的MoSi2/Al2O3涂层,发现涂层介电性能与MoSi2含量紧密相关:MoSi2含量越高,涂层的介电损耗值越大,并且复介电常数实部随频率的增大 而呈现出 降低的趋 势。Ti3SiC2的室温电导率为4.5×106Ω-1·m-1,还具有较高的熔点、较低的密 度和良好 的高温抗 氧化性能[44]。Su等[45]研究了Ti3SiC2组分含量对等离子喷涂Ti3SiC2/堇青石涂层介电和吸波性能的影响。研究发现,涂层中Ti3SiC2含量的增加显著提高了涂层的复介电常数,其中含量为30% (质量分数)并且厚度为1.8mm的涂层反射率在X波段内均低于-5dB,吸波性能较好。Bin等[46]以等离子喷涂技术制备了Cr2O3和B4C陶瓷涂层,研究结果表明,B4C陶瓷涂层对毫米波具有较好的吸收,而通过计算发现Cr2O3和B4C双层涂层对电磁波的吸收性能更好。

近年来,ZnO作为吸收 剂成为雷 达吸波材 料研究的 热点,在热喷涂ZnO吸波涂层方面也取得了一系列有价值的研究成果。Zhou等[47]采用微弧等离子喷涂工艺制备了ZnO/ Mullite复合涂层。研究结果表明,在热喷涂高温焰流作用下,涂层内有新相ZnAl2O4、Zn2SiO4生成。涂层中ZnO含量的增加使涂层的实部和虚部值显著增加,经过900 ℃热处理后,涂层的实部和虚部值明显降低。在以微弧等离子喷涂制备的ZnO/Al2O3复合涂层中,ZnO含量的增加使涂层复介电常数增加,其中介电常数虚部随频率的变化规律与德拜理论一致[48]。而经过900 ℃高温热处理10h后,由于氧化锌与氧化铝形成铝酸锌,消耗掉了作为吸收剂的氧化锌,从而使得涂层复介电常数和吸波性能显著降低。Wei等[49]研究了退火温度和退火气氛对ZnO/Al2O3涂层介电性能的影响机制,发现在空气气氛退火的条件下,涂层复介电常数实部和虚部值显著降低;而经过真空环境退火后,涂层的复介电常数相比未处理过的涂层呈现出增加的趋势。这说明氧化锌吸收剂的吸波性能受气氛中氧分压的影响比较显著。另外,在涂层制备工艺调控方面,韦萍等[50]探索了喂料制备工艺对ZnO/Al2O3涂层介电性能的影响,研究表明,采用控制喂料制备工艺也是调节等离子喷涂ZnO/Al2O3涂层复介电常数的有效途径之一。

尽管氧化锌含有较高浓度的载流子,并且不存在高温氧化问题,但是在热喷涂过程中容易与氧化物基体材料发生化学反应,使得其吸波性能调控难度较大。此外,采用热喷涂所制备的ZnO基复合涂层在高温使用环境中容易与基体氧化物发生进一步化学反应,使涂层的吸波性能大幅度降低。 因此,选择合理的氧化锌表面处理工艺,阻止氧化锌与基体氧化物材料的相互化学反应成为电磁参数可调控、吸波性能优良的热喷涂氧化锌涂层亟待解决的问题。

6展望

热喷涂雷达吸波涂层具有生产效率高、成本低的明显优势,是近年来出现的一 种新型雷 达吸波涂 层制备技 术。目前,雷达吸波涂层不仅要满足传统吸 波涂层 “厚度薄、频带宽、质量轻、吸收强”的要求,还需要满足新型武器装备所要求的耐高温、抗氧化和高结合强度等应用性能。近年来,国内外对热喷涂雷达吸波涂层进行了大量的探索研究,在涂层吸波性能调控方面取得了一定的突破,热喷涂雷达吸波涂层下一步研究重点集中在以下几个方面:

(1)合理选择吸收剂和基体材料体系,探索喷涂过程中抗氧化且互不反应的材料组合,研究其电磁参数与涂层组分性能的关系。通过喷涂工艺参数的优化,得到性能优异的雷达吸波涂层。

(2)吸波涂层附着于武器装备表面,在应用过程中需要经受气流的冲刷和强烈的机械震动。因此,在满足对电磁波有效吸收的前提下,应提高吸波涂层的结合强度。而对于耐高温吸波涂层,还需要其具有良好的抗热震性能。

碳基吸波材料的研究新进展 第3篇

1 石墨基吸波材料

关于石墨复合材料的吸波性能研究主要集中于两个方向,一是在透波材料中加入石墨增加材料的电阻型损耗,有利于电磁波转变为热能。冀志江等[1]向闭孔膨胀珍珠岩和硅酸盐水泥的混合物中加入石墨粉,制成具有电磁波吸收功能的砂浆层。研究表明,在一定范围内,随石墨含量增加,涂层的介电常数ε增大,在2~18GHz频率范围内的吸收峰数增多,反射率减小。但当石墨含量过大,石墨在砂浆中形成导电网络,使复合材料对电磁波的屏蔽效能增强,吸波性能减弱。贾兴文[2]指出,石墨作为吸波剂,除了增加了介电常数,增强电阻型损耗外,石墨颗粒分散在混凝土中形成无数个散射点,电磁波经过多次散射而消耗能量。二是对石墨改性,多是将其与磁损耗型物质复合。刘世杰[3]采用化学镀法对石墨表面进行镀Ni-P改性,在石墨表面包覆了一层非晶态Ni-P镀层;与原始石墨相比,在2GHz时,镀Ni-P非晶石墨复合材料的μ′和μ″分别略微增加至1.08 和0.26,ε′和 ε″分别明显降低至6.6和0.4,在14GHz的最小反射率为-7.0dB,反射率小于-5dB的吸收频带宽达4GHz,提高吸波性能的同时拓宽了吸收频带。除添加磁性物质外,一些研究者对石墨的形态进行改性。Jyoti Prasad Gogoi[4]对天然石墨进行化学氧化和热处理制得膨胀石墨,与酚醛树脂制成含量分别为30 %(质量分数,下同),40 % 和50%的复合材料,对X段电磁波的屏蔽率从-40dB增加到-48dB。赵芸芳[5]在膨胀石墨层间插入FeCl3,王晨[6]将石墨剥离成纳米级薄片再与金属复合,都比使用天然石墨的性能好。Al-Ghamdi A A[7]制备了纳米级薄片石墨/环氧树脂复合材料也得到了类似的结论,同时他通过热重分析发现在环氧树脂中加入纳米级薄片石墨增加了复合材料的热稳定性。

2 碳纳米管基吸波材料

1991年Iijima首先发现碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)[8],它具有小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子效应等,特殊的结构和潜在的工业价值受到人们的关注。此外,它还具有特殊的电磁效应和良好的吸波效果。碳纳米管表面原子比例的升高,晶体缺陷和悬挂键增多,容易形成界面电极极化,同时高的比表面积造成多重散射,因此界面极化和多重散射成为碳纳米材料重要的吸波机制[9]。

Woo-KyunJung等[10]用两种纳米碳材料(多壁碳纳米管(MWCNTs)和炭黑(CB))与玻纤、环氧树脂制成复合吸波材料。实测结果表明,相同厚度下MWCNTs复合材料的吸波效率比CB复合材料的高3倍。Liu Zunfeng[11]制备了单壁碳纳米管(SWCNTs)/可溶性交联聚氨酯(SCPU)复合材料,当单壁碳纳米管的含量达5% 时,复合材料在8.8GHz处有强吸收,最大反射率可达-22dB。袁华[12]高温碱处理多壁碳纳米管使MWNTs表面出现孔洞和凹凸结构,微波在这些结构内发生多重反射、散射,微波能量容易被衰减和吸收,致使复合材料的吸收峰明显增强,频宽也明显拓宽。 同时,碱处理使MWNTs的长度变短,增强了量子尺寸效应,加宽了能级间距,使吸收峰能量和吸收频带出现在更高的频率范围[13]。

在碳纳米管表面涂覆磁性金属,可以增加其磁性能,显著提高其吸波性能。林红吉[14]将带有羧基的CNTs和带有氨基的Fe3O4用1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺连接起来制备了CNTs/Fe3O4新型的纳米混杂复合物。在2~18GHz范围内,CNTs的反射率大于-5dB。而该复合物的其复磁导率达到0.2以上,比饱和磁化强度达到88.4Am2/kg,反射率小于-10dB的频带宽度大于7GHz,其中最小反射率达到-11dB。Sui Jiehe[15]在碳纳米管表面镀了Co纳米粒子,Co纳米粒子的反射损失最多可达-12.2dB,CNTs反射损失最多可达-2.3dB,只有磁损耗或介电损耗导致电磁不匹配对微波的吸收减弱,CNTs/Co既有磁损耗又有介电损耗,且电、磁损耗匹配良好,所以吸收率,反射损失可达到-16dB。研究证实,铁氧体吸波材料具有吸收率高、有效频段宽、匹配厚度薄等特点,吸波性能最佳,特别是具有较高磁晶各向异性的M型铁氧体[16],受到众多研究者的关注。为此,Sachin Tyagi[17]采用溶胶-凝胶法制备SrNi2Fe10O19/(SrFe12O19/NiFe2O4)纳米微粒,掺杂碳纳米管制成复合吸波材料,含10% CNTs的复合材料性能最佳,9.292GHz处反射率损失为-36.817dB,在中频段实现强吸收,有效带宽可达3.27GHz。

3 碳纤维基吸波材料

普通碳纤维电阻率约为10-2Ωcm,在电磁场作用下纤维中形成较大的连续传导电流,是电磁波的强反射体。因此,只有经过特殊处理的碳纤维才有一定的吸波能力。碳纤维的改性处理主要围绕调节其电磁特性,目前常用的处理工艺为:

3.1 对碳纤维进行表面改性或掺杂改性

在碳纤维表面沉积一层具有微小孔隙的碳粒子层、磁性金属层、碳化硅薄膜或用氟化物处理碳纤维,称为碳纤维的表面改性。兰州大学徐金城[18]课题组在碳纤维表面涂覆四氧化三铁薄膜,当反射率为-5dB,-10dB,-20dB时,对应的电磁波吸收率可达到68%,90%,99%。天津大学万怡灶[19]课题组也通过阴极电沉积法于碳纤维表面制备了均匀致密的四氧化三铁薄膜,显著提高其吸波性能的同时也相应地增强了其力学性能。

掺杂改性是指在制备碳纤维时将其他成分与纤维的制备原料混合从而改善纤维的电磁性能,或增加其损耗电磁波的机理的方法。王雯[20]从碳纤维的前驱体聚丙烯腈(PAN)开始改性,分别以铁粉、草酸亚铁(FeC2O42H2O)、纳米铁粉(nano-Fe)与PAN混合压制成膜改性为磁性材料前驱体,经过热处理制得复合Fe3O4的电磁损耗型碳基复合材料。当涂层厚度d=2mm时掺杂Fe样品表现出优异的吸波性能,反射率低于-10dB的频率从11.8~17GHz,有效吸收频宽达到5.2GHz,其次是掺杂nano-Fe。在前驱体中掺杂Fe和nano-Fe制备的碳基复合材料,改善了碳基体的磁导率,提高了其吸波性能,拓宽了吸波频段,并且使吸收峰向低频移动。Xie Tianshi[21]在聚丙烯腈中掺杂聚甲基丙烯酸甲酯制备多孔碳纤维。由于孔隙的存在,雷达波在纤维内多重反射、散射,微波能量易被衰减和吸收。要达到相同的吸波效果,炭黑或碳纳米管的用量为20% ~30%,而多孔碳纤维的用量仅为4%~6%。

3.2 制备有螺旋形手性结构的碳纤维

电磁波入射到一般介质中,交变电场诱导介质的极化,交变磁场诱导介质的磁化。而当电磁波入射到手征材料中时,交变的电场既诱导介质的极化又可诱导磁化,产生电磁耦合,从而强烈衰减入射波[22]。所以适当尺寸的手征材料具有一定的吸波性能。螺旋形碳纤维是典型的手征结构,其吸波机理在于它特殊的螺旋几何形状。

日本Motojima S等[23]合成的微单螺旋碳纤维,螺旋外径为1~3μm,单纤维直径为0.5μm,螺距为1~3μm,螺旋长度为1mm。刘登友等[24]采用CVD法在石墨碳层上合成尺寸更小的纳米级微螺旋碳纤维,单纤维直径约为400nm,螺旋外径约为800nm。国内外普遍采用Fe、Co、Ni等金属催化剂在高温下热解乙炔、甲烷等含碳化合物的方法制备螺旋炭纤维,但该方法螺旋结构产量低,工艺复杂,条件苛刻,而且需要使用有毒或可能造成环境污染的助催化剂。基于配位聚合的纳米螺旋纤维原位生长技术,有研究者[25]合成了以聚乙炔为主要成分的有机聚合物螺旋纤维。周祚万[26]将这些有机聚合物螺旋纤维热处理碳化后得到螺旋碳纤维,螺旋形貌基本保持不变。该工艺简单、条件温和,炭化产率较高。赵东林[27]以螺旋形碳纤维作为吸收剂制备蜂窝夹芯结构吸波材料,当复合材料的厚度为9.5mm时,最大吸收峰在10.4GHz,反射损耗为-21.62dB;在3.76~18GHz的频率范围内反射损耗小于-10dB,有效频宽为14.24GHz。

3.3 改变碳纤维截面的形状和大小,制备异形截面碳纤维

当雷达波射入时,特殊的截面形状使异形截面的碳纤维产生了类似于手征介质的耦合效应,使得异形截面碳纤维具有了额外的磁损耗机制[28,29]。

Stone等[30]发现与圆形碳纤维相比,三叶形截面碳纤维强度高出27%,可增强碳纤维与基体材料的结合力,提高复合材料的力学性能。迟卫东[31]制备了不同形状的异形截面碳纤维(见图1)。通过改变碳纤维截面形状和大小,可以精确控制碳纤维的电导率[32]。赵东林[33]制备了力学性能优异的异形截面碳纤维,并通过实验证实表面截面改造后的碳纤维复合材料具有非常高的介电损耗和较高的磁损耗。

中空活性碳纤维(ACHF)是一种特殊截面的碳纤维,具有中空结构,内径一般在20~100μm之间,壁厚为内径的1/4~1/10[34]。谢炜[35]以中空多孔聚丙烯腈为原料,制备中空多孔碳纤维,电磁参数模拟计算了单层吸波材料的反射率并测试了吸波性能。由图2可以看出相对普通碳纤维,短切中空碳纤维对2~6GHz的电磁波吸收较多。计算反射率与实测反射率比较,得出中空碳纤维是一种非石墨结构的电损耗性吸波剂。之后,庞永强[36]比较了Fe-Co合金/石蜡和中空碳纤维/石蜡复合材料的微波电磁参数,并用电磁参数模拟计算了单层吸波材料的反射率,进一步指出中空碳纤维亦是一种干涉型吸波材料。

另外,关于碳纤维的改性处理还有降低碳纤维的碳化温度。提高碳化温度,增大了石墨化程度,提高了电导率,易形成电磁波的强反射体,而降低碳化温度,使石墨化结构疏松散乱,有利于电磁波的吸收[37]。但关于此方面的研究不多。

4 展望

碳基吸波材料具有优异的吸波性能,兼有厚度薄、密度小、频带宽及多功能等特点,对微波和红外皆有极好的吸波效果,还能与结构复合材料或结构吸波材料复合,是一类极具发展潜力的高性能吸波材料。国外的碳基吸波材料已得到了较好的发展,并进行了大量应用。国内吸波复合材料研究普遍存在吸波效果不强、频带较窄等问题,电磁改性碳纤维没有工程化。碳纳米管、螺旋碳纤维、异形截面碳纤维虽具有较强的吸波能力,但由于工艺要求高,目前难以进行大规模应用。今后,碳基吸波材料和电磁波之间的作用机理仍需更深入的研究,优化碳纳米管、螺旋碳纤维、异形截面碳纤维的生产工艺,尽快将其工业化。

摘要：石墨、碳纳米管、碳纤维在材料隐身技术上都具有广泛应用。介绍了国内外碳基吸波材料的研究现状及发展存在的问题,并对今后的研究趋势进行了展望。

无机-有机复合吸波材料研究进展 第4篇

关键词：吸波材料,无机/有机复合材料,综述

吸波材料由吸收剂和基体材料两部分组成,是一类能够吸收、衰减入射的电磁波,并将电磁能转换为其它形式的能量(如机械能、电能和热能)而消耗掉的功能材料。理想的优质吸波材料要求具有吸收频带宽、质量轻、厚度薄、物理机械性能好、使用简便等特点。传统的吸波材料有铁氧体、羰基铁、金属微粉、钛酸钡、碳化硅等,存在吸收频带窄、密度大等缺点;新型的吸波材料有导电高聚物、“手性”材料、纳米材料、视黄基席夫碱等,具有吸收能力强、密度小等优点[1]。无论传统还是新型的吸波材料,单独使用它们中的一类已经无法满足国防建设和人们创建美好生活环境的需求;而两者复合得到无机-有机复合吸波材料,可以充分利用磁损耗和电损耗的双重优势,取长补短,使得材料的吸波性能得到优化,应用范围得到进一步拓展。因此,对这类复合吸波材料的研究有着深远的现实意义。

1 无机吸波材料

1.1 铁氧体/金属微粉

铁氧体是一种被广泛研究的吸波材料,优点是吸收效率高、涂层薄、频带宽,不足之处是相对密度大,主要以磁损耗为主,以六角晶系磁铅石型吸波材料的性能最好。磁性金属微粉磁性比铁氧体强,且兼有电子吸收和磁损耗,但其存在吸波频带窄、频率特性差等缺点。常将二者混合使用,通过调节电磁参数、改变颗粒的形貌和大小,从而展宽吸收频带,增强吸收效率,提高材料的吸波性能。对于这类无机磁性粒子的研究较多,吴友朋等[2]从趋肤效应和单个磁畴颗粒大小两个角度,对铁粉的最佳粒度进行分析,在2～18GHz的范围内,铁粉颗粒在16nm～1μm为好。Cheng feng Yu等[3]研究了氧化铁中的硼含量对Mn-Zn铁氧体性能的影响,发现随着H3BO3掺杂量的增加,铁氧体的结构会发生变化,密度和起始磁导率都会降低很快,同时,电损耗也会降低,因此,在铁氧体中控制硼的含量就显得尤为重要。

1.2 碳化硅

碳化硅具有密度低、比表面积大、热导率高、耐腐蚀、耐摩擦及优良的力学性能,将它与金属粒子进行复合,可以形成很好的电磁损耗型复合吸波材料。陈志彦等[4]以有序氧化硅凝胶小球为模板、PFCS作先驱体,经过先驱体的渗入、不熔化、陶瓷转化和除去模板,制得氮气吸附法(BET)比表面积为703.46m2/g的有序多孔含铁碳化硅SiC(Fe)磁性陶瓷,Si-Fe-C-O-3的相对饱和磁化强度为0.109emu/g,矫顽力为154Oe,Fe3Si具有软磁性。刘金明等[5]采用溶胶凝胶法和液态渗硅法制备生物基SiC陶瓷块和陶瓷粉,并通过磁性金属担载制备了吸波材料。该材料的竹炭表面的β-SiC的电阻率介于金属和半导体之间,属于杂质型半导体,也可用做电阻型吸波剂;竹炭孔道内生成的Si/C/N和Si/C/N/O等硅基陶瓷晶须是电介质型吸波剂,主要通过介质极化、驰豫损耗来吸收电磁波。

1.3 碳系吸波材料石墨

石墨与金属复合,在电磁损耗型复合吸波材料方面有着广阔的应用前景。Liu X G等[6]在乙醇的气氛中,采用改进型的电弧放电法合成出了以FeZn合金为核,石墨为壳的复合结构材料。在9～18GHz范围内,石墨壳能显著提高金属颗粒的磁损耗和电磁波衰减常数,使得材料对微波的吸收能力得到提高,并且使得材料在240℃时保持性能稳定。Zheng Xu等[7]合成出了石墨和铁组成的复合吸波材料。当铁的含量为30%时,石墨表面的铁颗粒大小为100～500nm,矫顽力达到390 Oe,饱和磁化强度为156emu/g,此时复合材料表现出最大的磁滞损耗。

2 有机吸波材料

2.1 导电高聚物

导电高聚物是一类电损耗型吸波材料,其吸波性能与导电高聚物的介电常数、电导率等密切相关,这类物质具有结构多样性,物理和化学性质独特,密度小,加工性能好等优点,但存在高温条件下不稳定的缺点。导电高聚物吸波材料主要是利用其共轭主链上的大π键,本征态的高聚物导电性不高,但通过化学或电化学方法进行掺杂处理后,由于其链结构上存在自由基、对称偶极子或孤子,共轭链与掺杂剂之间发生电子转移而产生新的载流子,电导率剧增,可达到半导体甚至金属的范围。

这类吸波材料中,研究最为广泛的是聚苯胺,这是由于聚苯胺具有易合成、化学稳定性好、酸掺杂简便易行和高的导电性等优点。Kim B R等[8]通过对聚苯胺透明薄膜对电磁波的传递、吸收、反射的研究,发现在屏蔽价值中起重要作用的是涂料对电磁波的吸收,而不是传递或反射。Quoc Minh Pham等[9]在没有任何模板和表面活性剂的情况下,在压缩的液态二氧化碳中合成出了一维的、直径是30～70nm、长度是0.3～1μm的晶状聚苯胺纤维,这种材料具有较高的热稳定性,且在20℃时,其导电率为4.34S/cm。

2.2 视黄基席夫碱

席夫碱是由醛类物质和伯胺在碱性条件下合成的一种亚胺衍生物,反应过程如下:

美国首先报道研制出了一种视黄基席夫碱有机聚合物,该材料的吸收频带宽,能减少雷达反射系数的80%。高建平等[10]以维生素A醋酸酯为原料,经水解、氧化、与二元胺及金属盐作用得到了具有吸波频带宽、可兼容吸收雷达和红外波的小分子视黄基席夫碱铁配合物微波吸收剂,其质量仅为铁氧体的1/10。王少敏等[11]合成出了一种大分子视黄基席夫碱盐吸波材料,该材料对电磁波的衰减主要体现在电损耗上,反射率大于11dB的吸收频带为9.0～12.1GHz,其密度仅为1.279g/cm3,为低密度物质。

3 无机-有机复合吸波材料

性能优良的吸波材料应同时具备两个要求:一是能使入射的电磁波最大限度进入材料内部,具有波阻抗匹配特性,即使入射电磁波在材料介质表面的反射系数最小。二是将进入的电磁波衰减。当介质有损耗时,其能量损耗tgδ可用介电常数ε和磁导率μ(二者均为复数)表征,其关系式为:

tgδ=tgδE+tgδM=ε″/ε′+μ″/μ′

式中,tgδE为电损耗,tgδM为磁损耗。

由此可知,在ε′和μ′足够大的基础上ε″和μ″越大越好,即两个复数参量的实部与虚部比值越大,越有利于电磁波衰减损耗。而单一品种的吸波材料很难同时满足阻抗匹配和强吸收的双重要求,因此通过不同材料的复合,在满足阻抗匹配的条件下通过调节电磁参数使材料的设计更为合理,性能更优化。无机-有机复合吸波材料具备聚合物和无机物各自的优点,同时具有导电性、磁性和纳米效应,使得复合材料作为吸波材料具有很重要的应用价值。

3.1 核-壳结构

3.1.1 有机包覆无机

这类材料是以有机物质为壳,无机粒子为核的复合吸波材料,这种包覆方式能有效的提高材料的导电性,而包裹的磁性粒子同时也会展现出一定的磁性,从而引起局部消磁,这类结构特点复合吸波材料的研究较为成熟。Shih-Pong Lee等[12]先采用自燃烧蔓延水溶胶法合成出Mn1-xZnxFe2O4纳米粒子,然后在其表面进行苯胺的聚合,从而得到这种核壳结构的Mn1-xZnxFe2O4/PANI复合吸波材料。复合材料表现为球形珊瑚状颗粒,直径在400～800nm,随着聚苯胺含量的增加其导电性会增强,在3.5～6.5GHz范围内复合材料表现出很强的吸波性能,但是,在2.5～8.5GHz范围内,将近50%的带宽内吸收峰小于10dB。

3.1.2 无机包覆有机

这类材料以高分子微球为核、以具有导电性能或磁性能的无机材料为壳的复合微球,既能在一定程度上保持无机材料原有的电、磁性能,又因为高分子载体的引入而使材料的密度降低,对于这类吸波材料的研究报道不多,有待拓展。黄中梅等[13]利用静电相互作用和液相沉积的方法,成功的将氢氧化铁包覆在聚(苯乙烯-丙烯酸)乳胶粒子表面,得到了核壳结构的聚(苯乙烯-丙烯酸)/铁的氧化物复合吸波材料,经过煅烧,这种材料还可以变成具有铁磁性的纳米粒子,使其在电磁波的屏蔽方面具有重要的应用价值。谢俊磊等[14]采用化学电镀的方法,在盐酸掺杂聚苯胺粉体表面包覆上了一层磁性合金镀层,使得吸波材料的磁导率的实部和虚部都有明显改善,磁性能得到提高。

3.2 纳米结构

纳米结构复合材料除了材料组成物自身具有吸收电磁波的性能外,还可以借助其结构的特点来吸收电磁波,这类复合材料具有更大的吸收或屏蔽电磁波的能力。Hongmei Xiao等[15]采用一步化学法合成出了α-FeOOH/聚苯胺纳米复合材料。该材料展现出很高的导电性,导电率为16.10S/cm,当[Py]/[Fe2+]=1.0,在2～18GHz范围内材料具有较好的吸波性能,反射达到10dB和5dB的频带宽度分别为4.2GHz和5.8GHz。Umare S S等[16]通过调节苯胺与Fe3O4的比例,合成出不同摩尔比的聚苯胺/Fe3O4纳米复合物;并发现Fe3O4嵌在聚苯胺的表面,随着Fe3O4含量的增加材料的热稳定性增强,磁性也得到增强。Sanjeev Kumar等[17]采用反相微乳液法合成出Co0.5Zn0.5Fe2O4/聚苯胺纳米复合吸波材料,Co0.5Zn0.5Fe2O4的平均直径为6nm,聚苯胺纳米纤维的平均直径为20nm,这种材料的饱和磁化率达到3.95emu/g,低矫顽力为39Оe。

3.3 膜结构

膜状结构主要是将导电高聚物涂覆到其它材料的表面,从而通过调节电导率来改善吸波性能。Shivaji A等[18]将导电的聚吡咯涂覆到银的表面,在8～12GHz范围内,聚吡咯使得材料对微波的透射减弱,反射增强,微波导电性也比直流导电性提高了好几个数量级。Jadhav S V等[19]先将金属银涂到矾土上,再把聚苯胺涂覆到银的表面,所制材料的微波导电率为0.1～10 S/cm,并随着薄膜厚度的增加介电常数会降低,电磁屏蔽效率值为-1～-8dB,且在8.2～18GHz范围内,ε′为40～350。Qiaoling Li等[20]采用原位聚合法合成出鳞片状的聚苯胺/SrFe12O19复合吸波材料,其中,SrFe12O19是首次以脱脂棉为模板,采用溶胶凝胶的方法合成的。得到的鳞片状复合物的磁性比球形的SrFe12O19要优越,且矫顽力也比纯净的SrFe12O19要高,另外,还发现用不同的表面活性剂处理复合材料也会影响其导电性。

3.4 管状结构

管状结构复合吸波材料是通过化学表面修饰和包覆将碳纳米管作为吸收剂添加到高聚物吸波材料中,或者将磁性无机物与管状结构的聚合物进行复合。Chameswary J等[21]合成出聚四氟乙烯/单壁碳纳米管复合材料,对其介电性能进行了研究,当碳管的体积分数从0.01增加到0.05时,在8～12GHz范围内,复合材料的相对介电常数从4增加到6.6,且衰减系数会在9.5～17dB/mm内变化。Parveen Saini等[22]采用原位聚合的方法合成出聚苯胺/多壁碳纳米管复合吸波材料,厚度均匀的聚苯胺涂覆在碳管的表面;该材料的电导率为19.7S/cm,高于纯聚苯胺的2.0S/cm和纯碳管的19.1S/cm;在12.4～18.0GHz的频带上,屏蔽效率为-27.5～-39.2dB。Darren A等[23]采用两种不同的方法分别合成了聚苯胺/对甲苯磺酸/多壁碳纳米管和聚苯胺/对甲苯磺酸两种材料;通过在掺杂后的聚苯胺中引入碳纳米管,使得材料的导电性和机械性能都比单独的掺杂聚苯胺和碳管要好,这种高损耗型的复合材料在电磁波屏蔽领域具有潜在应用价值。

4 存在不足和展望

无机-有机复合吸波材料与单一类型的吸波材料相比,在吸波性能和应用上有着明显优势,具有很大的应用潜力,但是也存在填料含量过高、热稳定性和结构均匀性差、加工工艺复杂等不足之处。无机-有机复合吸波材料需要从以下几方面开展进一步研究。

(1)复合单体材料结构的优化。如在制备纳米粒子的过程中尺寸及形态的控制;纳米粒子在复合材料中的分散性和稳定性;选择长直链的有机酸掺杂聚苯胺得到管状结构的导电高聚物等。

(2)复合吸波材料各组分的精确调控。无机-有机复合吸波材料结构复杂,如何精确调控聚合物与纳米粒子间的比例来提高和改善材料的吸波性能有待进一步探索。

(3)耐高温性能。提高复合材料的耐高温性能,主要是让导电高聚物能在高温的环境下依旧保持稳定的性能,可以利用无机材料的耐高温性来保护导电高聚物,一可采用隔热填料加入到层与层之间达到保护导电高聚物,二可采用无机包覆有机的结构方式,提高复合材料的耐高温性,尤其第二种方式的研究还很欠缺;

(4)理论研究尚待深入。一是在复合吸波材料机理研究上,如聚合物与无机纳米粒子之间的作用机理,超微粒子间的各种效应作用机理,尚待进一步的研究;二是在复合吸波材料理论设计上,如纳米复合吸波材料的新性能需要新吸波理论的支持,吸波设计才能更为合理与有效,而这方面的吸波理论计算的报道却很少。

雷达吸波材料研究 第5篇

炭纤维是目前纤维吸收剂领域的研究热点之一, 由它制成的具有电磁波吸收特性的复合材料已在民用和军用等诸多领域得到广泛应用, 在消减电磁辐射和武器系统隐身中起到了巨大的作用[4,5,6,7]。文献[8]发现炭纤维经适度活化处理后, 对电磁波的多次反射损耗增大。本工作采用活性炭纤维作为吸收剂, 制备了双层纤维/环氧树脂复合吸波材料, 研究了纤维的含量和分布方式对吸波性能的影响, 目的是开发一种性能优异的新型吸波材料。

1 试样制备及性能测试

1.1实验材料

复合材料的基体选用E-44 (6101) 型环氧树脂, 环氧值0.41~0.47mol/100g, 介电常数3.0~3.4。固化剂选用低分子量聚酰胺, 型号为203, 介电常数3.0~4.0。

1.2 活性炭纤维的制备工艺

取一定量经干燥恒重的黏胶纤维用预定浓度 (质量分数) 的磷酸盐、硫酸盐混合溶液[NH4H2PO45%, (NH4) 2SO410%]浸渍5min后, 在100℃烘箱中烘干;将烘干后的纤维置于炭化活化炉中, 在流量始终为20L/h的N2保护气氛中, 以15℃/min的速率升温至400℃, 保持60min进行炭化;然后以同样速率 (15℃/min) 升温至900℃, 通入流量为1m3/h水蒸气活化, 保温12min;关炉停气后炉冷 (N2保护) 至室温, 制得活性炭纤维成品。活性炭纤维直径约为15μm, 比表面积为736.6m2/g, 长度在30~35mm之间。活性炭纤维表面存在较深的不规则沟槽和明显的凸起, 截面呈非圆形, 其扫描电镜照片如图1所示。

1.3 试样制备工艺

实验中制备的吸波材料由两层 (透波层和吸波层) 组成, 且背衬金属反射板 (见图2) 。透波层用玻璃纤维布和环氧树脂复合, 厚度1mm;吸波层用活性炭纤维和环氧树脂复合, 厚度3mm。吸波层中活性炭纤维的分布方式有两种, 一为均匀分布, 即纤维均匀分散于吸波层中;二为梯度分布, 吸波层由四个结构层组成, 由透波层向反射板方向各层所含纤维质量之比1∶2∶3∶4, 各层厚度均为0.75mm。试样的制备采用复合材料成型压缩模塑工艺, 在四柱式手动油压机上热压成型。将环氧树脂和活性炭纤维混合均匀后, 按体积比2∶1加入低分子聚酰胺, 把混合物逐层缓慢浇注于预热好的模具中, 至厚度为3mm。另取容器依体积比将环氧树脂和聚酰胺混合, 继续注入模具中, 至试样总厚度为4mm后, 加入玻璃纤维布。随后开始缓慢加压, 在加压过程中不断减压放气, 在80℃, 10MPa条件下固化2h, 保持一定压力冷却至室温, 开模获得试样。

1.4 吸波性能测试

按照GJB 203894的规定, 采用弓形测试法测量。测试仪器:8757-E标量网络分析仪;测量范围:2~18GHz;测量动态范围:-40dB。

2 实验结果与讨论

2.1 吸波层中纤维均匀分布复合材料的吸波性能

图3是试样1#~6#的反射衰减曲线。六个试样均以活性炭纤维为吸收剂, 纤维均匀分布于吸波层中制成复合材料。1#~6#试样吸波层中纤维的含量 (质量分数, 下同) 依次递减, 分别为1.7%, 1.4%, 1.1%, 0.8%, 0.5%和0.2%。

由图3可见, 活性炭纤维复合材料对电磁波具有十分显著的吸收效果, 其吸波性能具有以下特点: (1) 活性炭纤维含量对吸波性能有较大的影响, 纤维含量过高或过低都不利于电磁波的吸收。从1#~6#试样反射衰减曲线的变化趋势可以看出, 随着吸波层中纤维含量降低, 试样的吸波性能逐渐提高, 表现为有效带宽 (-10dB以下的吸收频带) 和吸收率增大。含量降低到0.5%时 (5#试样) , 试样在6.0GHz后有-10dB以下的反射衰减, 8.2GHz时取得最大反射衰减值-26.9dB。继续减少纤维含量, 吸波性能开始降低。显然, 对应于材料的吸波效果, 纤维的含量存在一个最佳值。本实验中, 此值在0.5%附近。 (2) 反射衰减曲线在高频段呈现较明显的周期性波动。1#~4#试样的反射衰减曲线在7.5~18GHz频率范围内存在间距相近的6个波谷 (波峰) , 呈现较为明显的周期性变化。

2.2 吸波层中纤维梯度分布复合材料的吸波性能

制备了吸波层中纤维梯度分布的7#, 8#试样, 试样吸波层由四个厚度为0.75mm的结构层组成, 从透波层向反射板方向, 各层纤维含量之比为1∶2∶3∶4。其中, 7#试样各结构层纤维含量依次为0.2%, 0.4%, 0.6%, 0.8%, 平均含量为0.5%, 与5#试样相同。8#试样各结构层纤维含量依次为0.32%, 0.64%, 0.96%, 1.28%, 平均含量为0.8%, 与4#试样相同。图4是吸波层中纤维均匀和梯度分布吸波性能的对比。

由图4可见, 吸波层中纤维梯度分布后, 材料的吸收频带向低频扩展, 吸波性能显著提高。相对5#试样, 7#试样的强吸收峰向低频方向移动, 最大吸收峰值对应的频率由5#试样的8.2GHz移动到7#试样的7.12GHz, 同时, 吸收峰呈宽化的趋势, 7#试样在4.2~18GHz频段内对电磁波有-10dB以下的吸收。相对4#试样, 纤维梯度分布后 (8#试样) , 材料的有效吸收频带的起始频率点向低频移动了1.05GHz, 有效带宽达13.3GHz, 最大反射衰减也提高了4.6dB。

2.3 炭化、活化对纤维吸波性能的影响

为分析炭化、活化处理对纤维吸波性能的影响, 制备了9#试样和10#试样, 两试样吸波层中纤维含量与5#试样相同, 均为0.5%, 但纤维处理状态不同, 9#试样吸波层中纤维是未经任何处理的黏胶纤维, 10#试样吸波层中纤维是经炭化处理但未活化的炭纤维, 5#, 9#, 10#试样吸波性能的比较见图5。由图5可见, 活化处理可明显改善纤维的吸波效果, 含黏胶纤维的9#试样在整个测试频带内的反射率均为0dB, 不具有吸波性能。含只炭化而未活化纤维的10#试样在2~18GHz内的最大反射衰减仅为-10.2dB, 而含活性炭纤维的5#试样的最大反射衰减达到-26.9dB。

2.4 分析与讨论

活性炭纤维是由具有sp, sp2, sp3杂化的碳原子组成的, 并且以类石墨微晶碳层面上的sp2为主要杂化方式[9,10]。碳层面上的每个碳原子有三个sp2杂化轨道, 它们分别与同一层面内另外三个碳原子的sp2杂化轨道相互结合形成三个σ键, 剩下一个未参加杂化的2p电子 (π电子) , 整层形成一个大π键体系。在变化的电磁场中, 活性炭纤维类石墨微晶碳层面之间的π电子随电场方向的改变出现反复取向, 导致电子迁移。π电子从一个平衡位置跃迁到另一个平衡位置, 要克服一定的势垒, 从而运动滞后于电场, 产生强烈的极化弛豫, 消耗了电磁波, 并以热能的形式放出 (见图6) 。另外, 实验所用活性炭纤维的长度 (30~35mm) 与入射电磁波的波长 (16.6~150mm) 相近, 电磁波在纤维中激励起较强的传导电流, 产生电阻损耗, 从而对入射波造成一定的衰减。黏胶基活性炭纤维的截面是不规则形状, 表面沟槽十分明显 (见图1) , 它在吸波材料中散乱分布, 类似于微波暗室尖劈结构, 有许多微小的角锥, 使入射的电磁波产生散射, 经多次散射作用后, 电磁波被吸收掉[11]。

试样中活性炭纤维的含量影响着材料的表面反射率, 当纤维的含量太少时, 削弱了材料电磁损耗的能力, 吸波性能降低;同样, 当纤维含量增加后, 显示出强的反射特征, 材料的吸波率下降。因此, 纤维的含量对吸波性能的影响存在最佳值。电磁波入射到吸波复合材料, 材料上、下表面的反射波在某些特定的频率点处由于干涉相消或相长而引起总反射的减弱或增强, 在反射衰减曲线上引起周期性的波动[12]。试样中活性纤维梯度分布后, 材料的电磁参数呈现较为连续的分布状态 (即波阻抗较为连续的分布) , 界面反射减少, 电磁损耗增强。

3 结论

(1) 用黏胶基活性炭纤维作为吸收剂制备的活性炭纤维/环氧树脂基复合材料具有良好的吸波性能, 纤维的含量、分布方式对材料的吸波性能有显著的影响。

(2) 通过不同含量的对比得出:当吸波层中纤维含量为0.5%时, 复合材料的吸波性能最佳, 它的最大吸收峰值达-26.9dB, 有效带宽覆盖6.0~18GHz。在吸波层中纤维平均含量相同的情况下, 活性炭纤维梯度分布可以显著提高复合材料的吸波性能, 吸波层中四个结构层纤维含量分别为0.2%, 0.4%, 0.6%和0.8%时, 材料在4.2~18GHz频率范围内对电磁波有-10dB以下的吸收, 7.12GHz时取得最大反射衰减-26.6dB。

(3) 黏胶基活性炭纤维/环氧树脂基复合材料成型工艺简单、成本低, 具有一定的应用前景。

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沥青基碳纤维复合吸波材料的研究 第6篇

1 吸波材料的设计

单向定向吸波材料吸波性能具有显著的各向异性,电场垂直和平行于纤维方向的吸波性能有显著差异,往往一个方向吸波性能好,一个方向吸波性能差,并且吸收峰的位置也有差别,但是在实际应用中,我们要求的是各个方向的吸波性能都比较好。为了解决此问题常常采用多向铺层技术来弥补此缺陷[8],即吸波材料由阻抗变换层和吸收层组成,并通过优化设计使其具有较好的吸波性能。优化设计结果表明,阻抗变换层具有较低的介电常数时,有利于雷达波进入吸波材料内部,从而表现出较好的吸波性能。同颗粒型吸收剂相比,碳纤维对吸波复合材料力学性能优化的贡献更大[9]。良好的吸波材料须具备2个条件:(1)当电磁波传播、入射到吸波材料表面时,能够最大限度地进入吸波材料内部,以减少电磁波的直接反射,这就要求在设计材料时,要充分考虑其波阻抗匹配特性。(2)电磁波一旦进入吸波材料内部,则要求吸波材料对电磁波产生有效的吸收或衰减,即产生电磁损耗,这就要考虑材料的电磁损耗特性。

设计吸波材料要尽可能避免反射,首要因素之一就是波阻抗的匹配问题。当电磁波通过阻抗为Z0的自由空间入射到输入阻抗为Z1的吸波界面上时,一部分被反射,另一部分进入吸波材料,吸波材料反射系数R可用下面的公式表示为

R=(Z0-Z1)/(Z0+Z1) (1)

(ZI=(μi/εi)1/2,I=0,1)

其中,μ、ε分别为材料的磁导率和介电常数,由(1)式可见,要达到完全无反射,R=0(称为波阻抗匹配),则Z0=Z1,而Z0为真空时,其μ0=ε0=1。因此,高性能的吸波材料要求在尽可能宽的频率范围内保持两者近似相等[10]。

设计吸波材料的另一因素就是提高电磁损耗,使得电磁波转化为热能或者其它形式的能量,从而电磁波在介质中被最大的吸收,吸波材料的复介电常数μ和复磁导率ε分别为:

ε=ε′-ιε″ (2)

μ=μ-ιμ″ (3)

式中,ε′、ε″是ε的实部和虚部,μ′、μ″是μ的实部和虚部,根据物理学的定义,有:

电损耗正切角tanδe =ε″/ε′

磁损耗正切角tanδm=μ″/μ′

从上面两式看到,材料的损耗越大,就要求ε″和μ″越大,吸波性能就越好。

一方面,要增加介质的吸波性能,必须提高ε″和μ″,其基本途径是提高电导率,增加极化“摩擦”和磁化“摩擦”,同时要满足阻抗匹配条件。对单一组元吸收介质,阻抗匹配和强吸收很难同时满足,满足ε=μ的材料也难以找到。尽管提高介质电导率是增大损耗的重要手段,但当电导率到达金属所具有的电导率时,反射系数R接近于1,将远离匹配[11,12]。

另一方面,宽频带、强吸收、轻质、红外线与微波吸收兼容、综合性能好的吸波材料是目前吸波材料研究中的重要课题。

碳纤维是由有机纤维或低分子烃气体原料加热所形成的纤维状碳材料,是不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列的物质,其碳含量在90%以上。随碳化温度的升高,碳纤维结构由乱层结构向三维石墨结构转化,层间距减小,电导率逐步增大,易形成雷达波的强反射体。低温处理的碳纤维结构疏松,是电磁波的吸收体,也是良导电性的电损耗材料。因此,只有经过特殊处理的碳纤维才能吸收雷达波。连续碳纤维对雷达波产生强反射作用,主要是因为电磁场在碳纤维中形成了较大的连续传导电流。而短碳纤维在基体当中的吸波机理目前基本存在2种解释,一是认为短切碳纤维在吸波材料中起半波谐振子的作用。在短切碳纤维的近区存在似稳感应场,此感应场激起耗散电流,在周围基体作用下,耗散电流被衰减,从而使雷达波能量转换为其他形式的能量,主要为热能。另一说法认为在含短切碳纤维的吸波材料中,可以把短切碳纤维作为偶极子。短切碳纤维偶极子在电磁场的作用下会产生极化耗散电流,在周围基体作用下,耗散电流被衰减,从而使雷达波能量转换为其它形式的能量。碳纤维微晶在生长过程中沿轴向择优取向,故对于电磁波的吸收表现出明显的各向性,因此对电磁波的磁损耗和电损耗均能达到理想的水平。另外,沥青基碳纤维的密度只有1.7~2.0 gcm-3,易制得轻质复合材料,实现吸波材料的高效吸收、宽带吸收的要求。碳纤维微晶在生长过程中沿轴向择优取向使它对电磁波的吸收表现出明显的各向异性,通过对碳纤维在基体中排布方式的设计,也可以达到优化材料吸波性能的目的。

碳纤维的吸波机理是:用这种非圆形特种碳纤维与其他纤维混杂编织成三向织物,就像微波暗室结构一样,具有许多微小的角锥,使反射的雷达波产生散射,经多次散射作用以后,雷达波被吸收掉,从而获得良好的吸波性能。

2 碳纤维吸波复合材料发展方向

异形截面沥青基碳纤维复合材料除具有优异的力学性能外,还具有某些特殊的光电磁性能。改变截面的形状和大小,对材料的电磁波吸收有显著的影响。文献报道的异形截面有角锥形、三角形、U形、W形、Y形、箭形、中空三角形等。美国把碳纤维与很多树脂的复丝或单丝混杂编制的复合材料,就像微波暗室结构一样,有许多微小的角锥,具有良好的吸波性能。美国Clementon 大学的先进工程纤维中心对异形截面沥青基碳纤维进行了详细研究,发现异形截面碳纤维可以承受较大压应力和纤维特有转动惯量。北京化工大学也开展了异形截面碳纤维的研究,并成功制备出力学性能优异的异形截面中间相沥青基碳纤维,对其微波电磁特性进行了初步研究。结果表明,这种碳纤维不仅具有较高的介电损耗,而且还具有较高的磁损耗,是一种非常有潜力的吸波碳纤维。

异形截面沥青基碳纤维以其优异的吸波性能得到了广泛的关注。而沥青基异形截面碳纤维依靠其低廉的成本使碳纤维在民用方面的发展成为了可能。表1是日本的PAN碳纤维和沥青基碳纤维的价格比较。

从表1和表2我们可以看出,沥青基碳纤维在价格方面是占有一定优势的,目前用于碳纤维生产的沥青基本都采用石油沥青,不是所有的沥青都可以做纺丝沥青。一般来讲,纺丝沥青具有以下特性:(1) 芳烃含量高;(2)分子量分布窄;(3)具有较好的流变性;(4)低粘度;(5)杂质含量低;(6)高密度。

目前研究表明,沥青基碳纤维复合吸波材料对于军民用都有重要的意义,尤其我国的沥青基碳纤维的发展和国外沥青基碳纤维发展还具有一定的差距,给我国的高科技应用和民用都带来了很大的影响。根据现在我国沥青基碳纤维复合吸波材料的发展来看,其研究热点应该放在以下3个方面:

(1) 制造出具有宽频带、电磁波吸收性能较强的异性截面碳纤维复合吸波材料。

(2) 降低吸波层面密度,但要满足吸波和承载的双重功能。

(3) 设计出合理而简单的加工工艺,以满足大批量生产的需要。

(4) 设计制造价格低廉的低成本吸波材料,扩大应用范围。

摘要：通过研究沥青基碳纤维发展的现状,总结沥青基碳纤维发展的经验,提出了沥青基碳纤维发展的前景以及存在的问题。

关键词：碳纤维,波阻抗,电磁损耗

参考文献

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铁氧体吸波材料的制备研究进展 第7篇

1 制备方法

1.1 共沉淀法

这种方法一般是使用金属离子和沉淀剂在溶液当中使二者发生共沉淀反应, 反应之后将沉淀物通过干燥或者是煅烧处理, 这样也就得到了粉体颗粒。这种制备方法对于一些相对比较单一的组分氧化物有着比较好的效果, 其能够体现出非常好的控制性能, 颗粒更加的细腻, 材料表面具有非常高的稳定性, 自身的质量也非常有保证。但是对于多组分的氧化物而言, 其不能体现出非常显著的优势, 材料不均匀, 同时杂质的含量比较高, 反应之后所产生的沉淀不能采取简单的措施对其控制, 颗粒的大小不够均匀, 还原性也不好, 所以这种方法的应用也不是非常的广泛。

1.2 水热法

这种方法通常是通过高压釜在一个密闭性非常好的环境当中, 将水当做溶剂, 在适当的温度条件下组织化学反应, 这样就可以形成微粒子和晶体。这种方法在实际的应用中也存在着比较显著的特征, 它结晶的效果好, 物质一般不会出现团聚性低的现象, 制备过程中对温度的要求不是很高, 如果将这种方法和溶胶凝胶法和沉淀法相比, 它最为显著的一个优势是在制备的过程中不需要高温的煅烧就可以得到晶体粉末, 这样就减少了研磨工序, 在提高了质量的同时, 也避免了研磨过程中出现的多种杂质。但是这种方法也存在着一些不足, 其对于原材料质量的要求比较高, 所以使用这种方法需要投入大量的资金成本, 此外还需要一些抗腐蚀性非常好的容器, 制备需要较长的时间, 这对于大批量的工业化生产是十分不利的。

1.3 溶胶凝胶法

溶胶凝胶法通常就是使用化学组分相对较高的化合物当做是前驱体, 在液相条件下将这些原料合理的均匀混合, 此外还要对其进行水解处理, 最终形成凝胶, 在干燥、烧结固化处理之后制备出分子甚至是纳米亚结构为主的材料。这种方法在实际的应用中可以体现出比较好的化学均匀性, 同时制备的纯度相对于其他的方法要更高, 对技术和工艺, 没有很高的要求, 反应的时间不长, 此外其在烧结处理的时候对温度的要求也不是很高, 材料的细腻程度较高, 得到的沉淀物具有较高的分散性, 不会产生团聚的情况。但是它也有一些不足, 在烘干之后, 材料比较容易出现硬结的情况, 在干燥之后收缩非常严重, 而且原材料的采购价格要比其他的两个方法都要更高。

1.4 低温固相反应前驱体法

这种方法是最近几年刚刚兴起的一种制备方式, 和上面所介绍的三种方法相比, 这种方法不需要使用溶剂, 所以在制备的条件上要求耕地少, 同时使用这种方法也不需要投入高额的费用, 生产效率比较高, 同时流程非常的简便, 不繁琐, 所以这种方法也成为了当前人们比较推崇的一种方法。

1.5 自蔓延燃烧法

自蔓延是利用化学反应自身放热合成材料的一种技术, 又被称为燃烧合成。该法最大特点是利用反应物内部的化学能来合成材料, 因此能耗低, 且生产过程简单、反应迅速、生产效率高, 是非常有前途的工业化生产方法。然而由于反应过程中高的温度梯度, 易于获得亚稳物相, 使得材料不纯。

1.6 高能球磨法

机械力化学 (又称高能球磨) 是一种机械能直接参与或引发了化学反应的方法。它能明显降低反应活化能, 细化晶粒, 极大提高粉末活性, 诱发低温甚至多相化学反应, 是一种简单、高效的材料制备技术。但是耗能大, 反应时间长, 容易引入杂质, 对设备要求极高。

1.7 沸腾回流反应法

沸腾回流法首先利用共沉淀反应, 使铁氧体组分中各离子与氢氧根离子共同沉淀, 形成各组分分散均匀的沉淀液体, 然后将此液体进行加热、沸腾、回流, 即可制得纳米级别的尖晶石相铁氧体粉料。沸腾回流法是一种新型的湿化学方法, 无需高温煅烧, 直接合成粉末粒径小、活性高的纳米粉料。此外, 沸腾回流法能耗低, 工艺简单、生产效率高、反应时间短、条件温和、产品矫顽力小等优点, 是一种具有很好应用前景的制备纳米粉体的方法。

1.8 喷雾热解法

该法是将金属盐溶液与可燃性液体燃料混合, 在高温时以雾化状态进行喷射燃烧, 经瞬时加热分解得到高纯度的超微粉末, 一般以乙醇为可燃性溶剂。喷雾热分解法的优点是干燥所需时间短, 可获得组成均匀的超微粒子;由于方法本身含有物料的分解, 因此制备温度较低;操作过程简单, 反应一次完成, 并且可连续进行, 产物无需水洗、过滤和研磨。该法的缺点是分解后有气体产生具有腐蚀性, 会影响设备的使用寿命;对雾化室的要求高, 这使该法在制备超微粉末方面受到一定的限制

2 展望

作为目前发展得最为成熟的吸波材料, 铁氧体吸波材料以其优异的吸收性能、低廉的价格成为电磁兼容用吸波材料的首选。目前使用频率6GHz以下 (甚至低至30k Hz) 的电磁波为多, 有必要对适用于这一频段的铁氧体吸波材料进行特别的研究, 以达到在轻型薄层化、宽频带的同时做到高效吸收, 从而对铁氧体吸波材料的制备技术提出了更高的要求。从近年来的发展趋势看, 共沉淀法、溶胶凝胶法、水热发和球磨法仍然是使用最多的制备纳米铁氧体吸波材料的方法, 尽管各有进步, 但每种方法都存在不足, 因此探求新的制备方法显得尤为重要。

3 结论

在当今这样一个经济和科技高度发展的时代, 人们的生活中已经离不开电视、广播、通信网络等现代化的技术, 但是这种技术的发展也给人们的健康带来了比较严重的隐患, 所以当前铁氧体吸波材料也成为了比较兴盛的一种材料形式, 其在制备的时候也有很多方法, 每一种方法都不同, 随着时代的发展, 一定会有更加先进的制备技术。

摘要：铁氧体吸波材料在应用的过程中可以体现出非常大的优势, 它的价格相对比较低, 同时吸收的效率也非常高, 所以在当今的很多领域都得到了较为广泛的应用, 随着时代的发展, 这项技术也会不断的改进和完善, 所以其也会在将来的一段时间当中有非常好的发展前景。本文主要分析了铁氧体吸波材料的制备研究进展, 以供参考和借鉴。

关键词：铁氧体吸波材料,制备方法,展望

参考文献

[1]邓秀文.吸波材料研究进展[J].化工时刊, 2007 (8) .

[2]梁丽萍, 刘玉存, 王建华.软磁铁氧体的发展与应用[J].山西化工, 2007 (2) .