趙 璐，郭 永*，白云峰，趙建國(guó)，李 江

(1.山西大同大學(xué)應(yīng)用化學(xué)研究所,山西大同037009；2.山西大同大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,山西大同037009)

碳纖維在吸波材料中的應(yīng)用

趙 璐1,2，郭 永1,2*，白云峰2，趙建國(guó)2，李 江1,2

(1.山西大同大學(xué)應(yīng)用化學(xué)研究所,山西大同037009；2.山西大同大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,山西大同037009)

綜述了吸波材料的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，碳纖維在吸波材料設(shè)計(jì)過程中的發(fā)展現(xiàn)狀，碳纖維吸波材料的最新進(jìn)展，提出了碳纖維吸波材料的研究方向.

碳纖維 吸波材料 復(fù)合材料

隨著電子、無線通信技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展,電磁輻射已成為一種新的污染源,世界衛(wèi)生組織把其列為世界三大公害之一[1].在民用領(lǐng)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(dòng)作失誤,從而帶來嚴(yán)重后果;電磁輻射還會(huì)泄漏信息,使計(jì)算機(jī)等儀器處于無信息安全保障狀態(tài);此外,在國(guó)防軍事領(lǐng)域,隨著各種新型雷達(dá)、先進(jìn)探測(cè)器及其精確制導(dǎo)武器的問世,防空和反導(dǎo)彈系統(tǒng)的能力日益增強(qiáng),現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中作戰(zhàn)飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈、戰(zhàn)略導(dǎo)彈、艦艇和坦克等武器系統(tǒng)受到越來越嚴(yán)重的威脅.

為了更好地解決電磁輻射對(duì)人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊懠疤岣呶淦飨到y(tǒng)的生存能力和突防能力,開發(fā)具有吸波能力的材料已成為當(dāng)前世界各國(guó)重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一.

1 吸波材料的設(shè)計(jì)

吸波材料,又稱微波吸收劑,是指能對(duì)電磁波產(chǎn)生衰減吸收作用的一類材料.吸波材料最先用于軍事領(lǐng)域的武器隱身,現(xiàn)在逐漸應(yīng)用于工業(yè)及民用領(lǐng)域消除電磁波對(duì)生物體的危害.

吸波材料按吸收機(jī)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(diǎn)是具有較高的電損耗正切角,通過電場(chǎng)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(shù)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(duì)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(jié)構(gòu)型兩大類.目前已報(bào)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(yīng)用帶來困難.結(jié)構(gòu)吸波材料具有承載和減小雷達(dá)散射截面的雙重功能,它既能減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量,又能提高有效載荷,已得到廣泛應(yīng)用.

高性能的吸波材料要滿足兩個(gè)條件[5]:一是電磁波盡可能無反射地進(jìn)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(jìn)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(gè)條件利用多層吸波材料可以得到解決,第二個(gè)條件只有通過尋找電磁損耗大的材料.常規(guī)材料一般磁導(dǎo)率較小而介電常數(shù)較大,不利于阻抗匹配的實(shí)現(xiàn),而且電磁損耗也不可能特別大,所以常規(guī)吸波材料的發(fā)展受到一定的限制.

傳統(tǒng)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(diǎn).這就要求,在新型吸波材料的研制和開發(fā)上,需要充分滿足“薄、輕、寬、強(qiáng)”等要求.

2 碳纖維吸波材料

碳纖維不但能作結(jié)構(gòu)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(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)小、熱傳導(dǎo)率高、耐蝕、抗氧化等特點(diǎn),還具有質(zhì)輕、吸收頻帶寬的優(yōu)點(diǎn).基于碳纖維已表現(xiàn)出來的優(yōu)良性能及在實(shí)際的應(yīng)用中的潛在發(fā)展空間,碳纖維復(fù)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(jī)理,并對(duì)碳纖維吸收材料進(jìn)行改性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),研制出高性能的碳纖維復(fù)合材料是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)[6].

碳纖維的電阻率約為10～2 Ω·cm[7],是雷達(dá)波的強(qiáng)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(diào)節(jié)電阻率的目標(biāo),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(jié)構(gòu)變得疏松,這種方法效果較好,但是會(huì)明顯降低碳纖維的模量與強(qiáng)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(dǎo)率.文獻(xiàn)[8]報(bào)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(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性,包括在碳纖維表面沉積一層帶微孔的碳?；驀娡恳粚咏饘賹?、無機(jī)非金屬陶瓷涂層以及高分子涂層,或在室溫下對(duì)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(diào)節(jié)SiC和C的不同摻雜比例,經(jīng)人工設(shè)計(jì)制備出有較高力學(xué)性能和吸波性能的SiC-C纖維.

3 最新研究進(jìn)展

針對(duì)以上的幾種工藝,國(guó)內(nèi)外學(xué)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(guó)偉等[13]以中間相瀝青為原料,采用氮壓式紡絲機(jī)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(wǎng)絡(luò)分析儀研究了炭化溫度對(duì)中空碳纖維電磁損耗性能的影響.結(jié)果顯示,最佳的炭化溫度為900℃時(shí),中空碳纖維具有最大電磁損耗;研究了鋪層方式對(duì)復(fù)合材料吸波性能影響,利用弓形法對(duì)復(fù)合材料的反射率進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果顯示,碳纖維交叉鋪層時(shí),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(cè)試技術(shù),對(duì)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(jié)構(gòu)及化學(xué)組成進(jìn)行了研究.結(jié)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(qiáng)的界面作用;其力學(xué)性能與T 300接近,可作為結(jié)構(gòu)材料的增強(qiáng)體使用.分別采用四電極法、網(wǎng)絡(luò)法和雷達(dá)散射截面(RCS)法研究了2種纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的電磁性能和吸波性能,結(jié)果表明:ICF的電阻率比T300大;在高頻電磁波作用下,ICF復(fù)合材料的介電常數(shù)虛部(ε″)及損耗角正切(tanδ)均比T 300復(fù)合材料大;其復(fù)合材料對(duì)頻率在16 GHz左右的電磁波的反射率為-8 dB.研究發(fā)現(xiàn),異形截面碳纖維復(fù)合材料同時(shí)具有承載和吸波的作用,將是一種有前途的結(jié)構(gòu)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(shí)也對(duì)其電磁特性進(jìn)行了初步的研究,結(jié)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(shí)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(xué)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(fù)合材料.通過對(duì)包覆前后樣品在2～18 GHz范圍內(nèi)的復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部系數(shù)、復(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)部和虛部系數(shù)等電磁參數(shù)進(jìn)行分析比較,可以看出在低頻處復(fù)合材料的電磁損耗都較純碳纖維粉有較大提高,可應(yīng)用于微波吸收材料.李志鵬等[17]采用化學(xué)鍍法對(duì)膨脹石墨/碳纖維復(fù)合材料表面鍍鎳、鐵、鈷,對(duì)包覆后的樣品進(jìn)行了SEM、EDS、XRD、IR和磁性能表征,結(jié)果表明,膨脹石墨/碳纖維復(fù)合材料表面均勻包覆了一層金屬物質(zhì),其鎳、鐵、鈷總質(zhì)量約占75%,磷約占5%,鍍覆后產(chǎn)品在近紅外波段反射率明顯增大,磁性能明顯增強(qiáng),復(fù)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(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量了樣品在2～18 GHz頻率范圍的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率,根據(jù)吸收屏理論公式計(jì)算出反射損耗、匹配頻段及匹配厚度,結(jié)果表明,當(dāng)dm=0.4 mm時(shí),反射衰減最大可達(dá)-14.6 dB,反射衰減＜-5 dB的頻寬可達(dá)10.4 GHz.馬鐵軍等[18]以碳?xì)譃楣羌?通過沉積鎳或鎳鐵合金,獲得具有良好吸波性能的結(jié)構(gòu)吸波材料;碳?xì)纸?jīng)鍍鎳鐵合金后制備的復(fù)合材料,在9 GHz和17 GHz出現(xiàn)了兩個(gè)反射衰減峰,這對(duì)拓寬吸波材料的頻帶寬度具有指導(dǎo)性參考價(jià)值.黃小忠等[19]用溶膠-凝膠技術(shù)在碳纖維表面涂覆BaFe12O19型鐵氧體,制得具有磁性涂層的連續(xù)碳纖維.該碳纖維具有獨(dú)特的電磁性能,沿軸向磁化時(shí),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(huán)氧樹脂基體復(fù)合,研究了不同裝載量下樣本的磁共振頻率、介電常數(shù)等參數(shù),結(jié)果表明,樣品有較高的介電常數(shù)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(fā)現(xiàn),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(yōu)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(jié)果表明,其可起到減小面密度的效果,單獨(dú)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(shí)反射率小于-5 dB的頻寬明顯加寬,并且向低頻移動(dòng).王海泉[23]利用化學(xué)氣相沉積法在碳纖維表面沉積TiC,結(jié)果表明這種復(fù)合材料對(duì)頻率為2 GHz左右的電磁波有很強(qiáng)的吸收性能,且明顯高于傳統(tǒng)的吸收劑SiC、鐵氧體;TiC/C復(fù)合纖維制成的吸波板在15～35 GHz頻段內(nèi)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(dá)到-15 dB.高文等[9]研究了在碳纖維表面共沉積SiC涂層對(duì)碳纖維復(fù)合材料微波性能的影響,結(jié)果表明:SiC涂層對(duì)纖維的電磁參數(shù)影響很大,可在一定程度上使其復(fù)合材料的介電常數(shù)和介電損耗角正切值減小,吸收率增加,沉積產(chǎn)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(fù)合并澆注硅溶膠制成的纖維氈的介電和吸波性能.結(jié)果表明:復(fù)合材料的介電常數(shù)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(yīng).復(fù)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(dòng).當(dāng)含量為碳纖維1%,復(fù)合材料厚度為6、7、8 mm時(shí),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(guó)柱等[25]使用溶膠凝膠法制備了M型六角鐵氧體,測(cè)量了鐵氧體和短切碳纖維復(fù)合材料在Ku波段的電磁參數(shù),并根據(jù)電磁參數(shù)設(shè)計(jì)了雙層吸波材料.結(jié)果表明: M型鐵氧體復(fù)合材料的介電損耗和磁損耗都比較小,而短切碳纖維復(fù)合材料具有較高的介電損耗;內(nèi)外層材料相同但厚度不同的雙層復(fù)合材料表現(xiàn)出不同的微波吸收特性,其中,內(nèi)層為M型鐵氧體復(fù)合材料、外層為碳纖維復(fù)合材料、層厚分別為1.5 mm和0.5 mm的雙層復(fù)合材料,表現(xiàn)出優(yōu)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(gè)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(huán)氧復(fù)合材料的微波吸收特性,發(fā)現(xiàn)碳纖維平行排布吸波材料只在入射電場(chǎng)方向與纖維排布方向平行時(shí)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(dòng);纖維支數(shù)增大,吸波性能增強(qiáng).正交排布碳纖維的吸波性能與纖維的間距密切相關(guān).當(dāng)纖維間距為8 mm時(shí),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(yīng)用于多國(guó)戰(zhàn)斗機(jī),是一種非常有發(fā)展前途的吸波材料.未來碳纖維吸波材料的發(fā)展方向是在較寬的頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定的吸波性能,結(jié)構(gòu)和功能一體化,低成本等.研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域是對(duì)碳纖維的表面改性等.隨著各國(guó)科學(xué)家對(duì)新型碳纖維吸波材料的不斷開發(fā),及對(duì)現(xiàn)有碳纖維材料的不斷改性,相信碳纖維吸波材料的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目[21073113]；山西大同大學(xué)青年科學(xué)研究項(xiàng)目[2010Q10][2008Q9]

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

1674-0874(2010)06-0044-04