碳基復(fù)合吸波材料的制備及性能研究.pdf

1、吸波材料作為現(xiàn)代飛行器、武器裝備的基礎(chǔ)材料，是現(xiàn)代隱身技術(shù)的重要支撐。隨著電子化和信息化技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種電子和通信設(shè)備給人們帶來極大便利的同時也對人們生存環(huán)境和健康造成危害。吸波材料不僅應(yīng)用于軍事隱形、對抗和反對抗，而且應(yīng)用于人體安全防護、通訊及導(dǎo)航系統(tǒng)的電磁干擾、微波暗室的消除、安全信息保密等許多方面。因此高性能吸波材料的開發(fā)已成為研究的主要方向。目前，通過碳材料改性方法制備復(fù)合吸波材料的研究已經(jīng)取得一定的研究進展，但是制備的復(fù)合

2、材料仍然存在著吸收頻帶窄，強度不高，或工程應(yīng)用實施困難等問題。在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合實驗室聚丙烯腈(PAN)基碳纖維的制備工藝，對碳纖維前驅(qū)體前驅(qū)體PAN聚合液進行改性處理，利用添加的磁性原材料與PAN中活性元素反應(yīng)生成磁性能優(yōu)異的鐵磁性化合物改善復(fù)合材料的磁導(dǎo)率，研制兼具電損耗和磁損耗的新型碳基復(fù)合吸波材料。探索制備過程中熱穩(wěn)定氣氛、碳化溫度、磁性原材料含量等各工藝參數(shù)對碳基復(fù)合吸波材料性能的影響規(guī)律。并根據(jù)電磁波傳輸理論，結(jié)合碳材料和

3、磁性材料的特性，利用計算機輔助優(yōu)化設(shè)計碳基復(fù)合材料的電磁參數(shù)，選擇相互匹配的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。
　　 在磁性原材料選擇方面，本文選用還原鐵粉、納米鐵粉和草酸亞鐵作為改性前驅(qū)體添加到PAN聚合溶液中，凝固成形后在N2氛圍中進行熱處理得到碳基復(fù)合材料。復(fù)合材料中Fe元素主要以Fe3O4的形式存在。其中加入還原鐵粉和納米鐵粉制備的碳基復(fù)合材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的吸波性能，當涂層厚度分別為1.9mm和2.2mm時，在12.7～18GHz頻段內(nèi)

4、，兩種復(fù)合材料的反射率都小于-10dB。當涂層厚度增加至2.5mm時，最小反射損失值分別為-46dB和-29.8dB。由此可知，選擇還原鐵粉作為PAN基碳材料的改性前驅(qū)體制備碳基復(fù)合吸波材料的方法是切實可行的。
　　 還原鐵粉加入PAN聚合液中，一部分Fe可以和PAN分子鏈上由IA引入的羧基反應(yīng)，把氫置換出來，進入PAN分子鏈，另一部分主要以單質(zhì)鐵的形式存在，并且在熱穩(wěn)定化過程中穩(wěn)定存在。在熱處理過程中，F(xiàn)e結(jié)合PAN大分子鏈上

5、的活性N、O元素生成磁性化合物，提高碳基體的磁導(dǎo)率。多相磁性物質(zhì)的存在有利于增加界面極化對介電常數(shù)的貢獻，同樣有利于磁導(dǎo)率的多個共振波峰的出現(xiàn)，拓寬吸波頻帶。
　　 通過對不同熱穩(wěn)定氣氛和碳化溫度的碳基復(fù)合材料的碳收率、電磁參數(shù)和吸波性能的研究表明:碳基復(fù)合材料的碳收率隨著碳化溫度的升高而減小;空氣中預(yù)氧化后再碳化得到的碳基復(fù)合材料的碳收率較大，其次是氮氣中熱處理;熱處理至700℃，氬氣中得到的復(fù)合材料的碳收率最低。通過分析不同

6、溫度下的碳基復(fù)合材料的電磁參數(shù)可知，隨著碳化溫度的升高，碳基復(fù)合材料的介電常數(shù)增加，介電損耗增強。比較空氣、氮氣和氬氣三種氣氛中熱穩(wěn)定化的碳基復(fù)合材料的吸波性能可知，在空氣中預(yù)氧化后再在N2氛圍中熱處理得到的復(fù)合材料的吸波性能較好。
　　 隨著還原鐵粉含量的增加，PAN線形大分子鏈的有序性遭到破壞，結(jié)晶度降低。當含量增加到一定值，復(fù)合材料中磁性物質(zhì)會阻礙基體導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成。因此，復(fù)合材料的介電常數(shù)實部先增大后降低。然而，磁導(dǎo)率的

7、大小不僅與磁性物質(zhì)含量有關(guān)系，也與物相形態(tài)和各成分相對含量有關(guān)。分析吸波效果可知，在相同的厚度下，隨著鐵含量的增加吸收峰向低頻移動，當含量達到一定值時，吸收峰返回高頻段，復(fù)合材料的整體吸波性能下降。
　　 結(jié)合濕法紡絲工藝，將含有還原鐵粉的PAN聚合液紡制成纖維，制備碳基復(fù)合纖維材料。通過性能分析可知，還原鐵粉作為PAN基纖維的改性磁材料的前驅(qū)體，其顆粒尺寸較大，在纖維中分散不均勻，不利于與基體之間的結(jié)合和反應(yīng)。因此在制備過程中

8、應(yīng)選用具有納米級尺寸且結(jié)構(gòu)疏松的改性磁材料，有利于改善復(fù)合材料的磁導(dǎo)率。而且在PAN復(fù)合原絲的紡制過程中，要避免還原鐵粉的氧化。通過對碳基復(fù)合材料的各工藝參數(shù)進一步優(yōu)化，制備了一種高性能的碳基復(fù)合薄膜材料。結(jié)果顯示，材料涂層厚度為1.3mm時，低于-10dB的有效頻段為6～13.2GHz和13.9～18GHz，在12.1GHz反射損失值最小為-21.1dB。當涂層厚度增加至1.6mm，高頻段反射率損失減小，低頻段反射率損失增大，2～10

9、GHz和16.8～18GHz內(nèi)反射率都低于-10dB，反射損失值在6.3GHz達到最小為-21.1dB。研究表明，碳基體和磁性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)形態(tài)對復(fù)合材料的吸波性能有很大影響。多孔中空結(jié)構(gòu)的碳基體可以多重散射進入材料內(nèi)部的電磁波，從而可以有效達到衰減電磁波的目的。納米級片狀結(jié)構(gòu)磁性材料可以有效的改善碳基復(fù)合材料的磁導(dǎo)率，提高復(fù)合材料整體的吸波性能。
　　 利用matlab程序軟件模擬與碳基體介電常數(shù)相匹配的磁導(dǎo)率，通過分析數(shù)據(jù)可知，