碳纤维在吸波材料中的应用

赵 璐，郭 永*，白云峰，赵建国，李 江

(1.山西大同大学应用化学研究所,山西大同037009；2.山西大同大学化学与化工学院,山西大同037009)

碳纤维在吸波材料中的应用

赵 璐1,2，郭 永1,2*，白云峰2，赵建国2，李 江1,2

(1.山西大同大学应用化学研究所,山西大同037009；2.山西大同大学化学与化工学院,山西大同037009)

综述了吸波材料的设计要点，碳纤维在吸波材料设计过程中的发展现状，碳纤维吸波材料的最新进展，提出了碳纤维吸波材料的研究方向.

碳纤维 吸波材料 复合材料

随着电子、无线通信技术突飞猛进的发展,电磁辐射已成为一种新的污染源,世界卫生组织把其列为世界三大公害之一[1].在民用领域,电子元件小型化、高度集成化及电子仪器仪表轻量化、高速化以后,极易受电磁干扰使其动作失误,从而带来严重后果;电磁辐射还会泄漏信息,使计算机等仪器处于无信息安全保障状态;此外,在国防军事领域,随着各种新型雷达、先进探测器及其精确制导武器的问世,防空和反导弹系统的能力日益增强,现代战争中作战飞机、巡航导弹、战略导弹、舰艇和坦克等武器系统受到越来越严重的威胁.

为了更好地解决电磁辐射对人们日常生活的影响及提高武器系统的生存能力和突防能力,开发具有吸波能力的材料已成为当前世界各国重点研究领域之一.

1 吸波材料的设计

吸波材料,又称微波吸收剂,是指能对电磁波产生衰减吸收作用的一类材料.吸波材料最先用于军事领域的武器隐身,现在逐渐应用于工业及民用领域消除电磁波对生物体的危害.

吸波材料按吸收机理可分为电损耗型和磁损耗型.其中电损耗型材料的典型代表包括炭黑、碳化硅、钛酸钡铁电陶瓷、碳纳米管及特种碳纤维等,其特点是具有较高的电损耗正切角,通过电场的相互作用来吸收电磁波,吸收效率主要由材料的介电常数决定.磁损耗型材料则以羰基铁粉、纳米铁氧体粉、磁性金属粉及磁性纤维等为代表,该类材料具有较高的磁损耗正切角,对电磁波的衰减主要来自于磁损耗.

吸波材料按其成型和承载能力,可以分为涂覆型和结构型两大类.目前已报道的有很好的吸波性能的纳米材料[2-4],多为涂覆型吸波材料,没有承载能力,给应用带来困难.结构吸波材料具有承载和减小雷达散射截面的双重功能,它既能减轻结构质量,又能提高有效载荷,已得到广泛应用.

高性能的吸波材料要满足两个条件[5]:一是电磁波尽可能无反射地进入吸波材料,即吸波材料与自由空间的阻抗匹配要好;二是电磁波进入吸波材料后尽快地被损耗掉,即材料的电磁损耗要大.第一个条件利用多层吸波材料可以得到解决,第二个条件只有通过寻找电磁损耗大的材料.常规材料一般磁导率较小而介电常数较大,不利于阻抗匹配的实现,而且电磁损耗也不可能特别大,所以常规吸波材料的发展受到一定的限制.

传统的粉体吸波剂普遍存在着密度大、单位厚度吸收率低等缺点.这就要求,在新型吸波材料的研制和开发上,需要充分满足“薄、轻、宽、强”等要求.

2 碳纤维吸波材料

碳纤维不但能作结构吸波材料,其短纤维还能作为涂覆型吸波材料的吸收剂.与其它吸波材料相比,碳纤维不仅具有硬度高、高温强度大、热膨胀系数小、热传导率高、耐蚀、抗氧化等特点,还具有质轻、吸收频带宽的优点.基于碳纤维已表现出来的优良性能及在实际的应用中的潜在发展空间,碳纤维复合材料已成为新型吸波材料的重要一员.

通过研究碳纤维的吸波性能和吸波机理,并对碳纤维吸收材料进行改性和结构设计,研制出高性能的碳纤维复合材料是现在研究的热点[6].

碳纤维的电阻率约为10～2 Ω·cm[7],是雷达波的强反射体.只有通过特殊处理的碳纤维才具有吸波性能,碳纤维的处理主要围绕调节电阻率的目标,目前的处理工艺有:

1)降低碳纤维的碳化温度,以降低其晶化温度,使其结构变得疏松,这种方法效果较好,但是会明显降低碳纤维的模量与强度.

2)改变碳纤维横截面的形状和大小,即生成异型截面的碳纤维,可以精确控制其电导率.文献[8]报道的异型截面有:角锥形、三角形、U形、W形、Y形、箭形、中空三角形等.

3)对碳纤维进行表面改性,包括在碳纤维表面沉积一层带微孔的碳粒或喷涂一层金属层、无机非金属陶瓷涂层以及高分子涂层,或在室温下对碳纤维用卤素氟化物浸渍处理等,均可改善纤维的电磁和吸波性能[9].

另外,还可以通过调节SiC和C的不同掺杂比例,经人工设计制备出有较高力学性能和吸波性能的SiC-C纤维.

3 最新研究进展

针对以上的几种工艺,国内外学者做了大量的研究.如螺旋碳纤维[10-11]、碳纳米管[12]的研究取得了可人的成果.

杨国伟等[13]以中间相沥青为原料,采用氮压式纺丝机制备了不同炭化温度的中空截面沥青基碳纤维,通过SEM表征了其断面形貌,利用矢量网络分析仪研究了炭化温度对中空碳纤维电磁损耗性能的影响.结果显示,最佳的炭化温度为900℃时,中空碳纤维具有最大电磁损耗;研究了铺层方式对复合材料吸波性能影响,利用弓形法对复合材料的反射率进行了测试,结果显示,碳纤维交叉铺层时,吸波合格带宽为10 GHz,最大吸收峰在25 dB.

刘新等[14]采用SEM、XRD及XPS等测试技术,对异形截面聚丙烯腈基碳纤维(ICF)和T300碳纤维的表面形貌、组织结构及化学组成进行了研究.结果表明:ICF的截面形状成近似正三角形,截面异形度为13.16%;与树脂基体可以形成较强的界面作用;其力学性能与T 300接近,可作为结构材料的增强体使用.分别采用四电极法、网络法和雷达散射截面(RCS)法研究了2种纤维增强的复合材料的电磁性能和吸波性能,结果表明:ICF的电阻率比T300大;在高频电磁波作用下,ICF复合材料的介电常数虚部(ε″)及损耗角正切(tanδ)均比T 300复合材料大;其复合材料对频率在16 GHz左右的电磁波的反射率为-8 dB.研究发现,异形截面碳纤维复合材料同时具有承载和吸波的作用,将是一种有前途的结构吸波材料.赵东林等[15]开展了异型截面碳纤维的研究工作,并且制备成功,同时也对其电磁特性进行了初步的研究,结果表明该异型截面的碳纤维不仅具有极高的介电损耗,同时也兼具较高的磁损耗,是一种非常有潜力的吸波碳纤维.

朱红等[16]通过化学镀法在碳纤维基体上包覆纯金属镍层,获得一种新的功能复合材料.通过对包覆前后样品在2～18 GHz范围内的复介电常数的实部和虚部系数、复磁导率的实部和虚部系数等电磁参数进行分析比较,可以看出在低频处复合材料的电磁损耗都较纯碳纤维粉有较大提高,可应用于微波吸收材料.李志鹏等[17]采用化学镀法对膨胀石墨/碳纤维复合材料表面镀镍、铁、钴,对包覆后的样品进行了SEM、EDS、XRD、IR和磁性能表征,结果表明,膨胀石墨/碳纤维复合材料表面均匀包覆了一层金属物质,其镍、铁、钴总质量约占75%,磷约占5%,镀覆后产品在近红外波段反射率明显增大,磁性能明显增强,复合材料的磁滞回线的面积和剩磁都很小,属于软磁性材料.HP 8722ES矢量网络分析仪测量了样品在2～18 GHz频率范围的复介电常数和复磁导率,根据吸收屏理论公式计算出反射损耗、匹配频段及匹配厚度,结果表明,当dm=0.4 mm时,反射衰减最大可达-14.6 dB,反射衰减＜-5 dB的频宽可达10.4 GHz.马铁军等[18]以碳毡为骨架,通过沉积镍或镍铁合金,获得具有良好吸波性能的结构吸波材料;碳毡经镀镍铁合金后制备的复合材料,在9 GHz和17 GHz出现了两个反射衰减峰,这对拓宽吸波材料的频带宽度具有指导性参考价值.黄小忠等[19]用溶胶-凝胶技术在碳纤维表面涂覆BaFe12O19型铁氧体,制得具有磁性涂层的连续碳纤维.该碳纤维具有独特的电磁性能,沿轴向磁化时,可以获得较大的μ与ε.Yang等[20]在碳纤维表面电镀铁并与环氧树脂基体复合,研究了不同装载量下样本的磁共振频率、介电常数等参数,结果表明,样品有较高的介电常数值.曾祥云等[21]研究了碳纤维布镀镍吸波材料的吸波性能后发现,碳纤维布适量镀镍后有较好的吸波性能,随着镍含量的增加,吸波性能有一极大值,而且镀镍碳纤维布在KU波段的吸波性能优于X波段.孟辉等[22]制备并研究了镀镍的碳纤维与羰基铁粉混合的涂层,结果表明,其可起到减小面密度的效果,单独使用羰基铁粉涂层的面密度为3.5 kg/m2,而碳纤维/羰基铁粉涂层面密度则为3.2 kg/m2,同时反射率小于-5 dB的频宽明显加宽,并且向低频移动.王海泉[23]利用化学气相沉积法在碳纤维表面沉积TiC,结果表明这种复合材料对频率为2 GHz左右的电磁波有很强的吸收性能,且明显高于传统的吸收剂SiC、铁氧体;TiC/C复合纤维制成的吸波板在15～35 GHz频段内也具有良好的电磁波吸收性能,有效带宽超过5 GHz,最大吸收峰达到-15 dB.高文等[9]研究了在碳纤维表面共沉积SiC涂层对碳纤维复合材料微波性能的影响,结果表明:SiC涂层对纤维的电磁参数影响很大,可在一定程度上使其复合材料的介电常数和介电损耗角正切值减小,吸收率增加,沉积产物主要是SiC晶体,是SiC纤维的晶型.

徐海霞等[24]考察了碳纤维/玻璃纤维复合并浇注硅溶胶制成的纤维毡的介电和吸波性能.结果表明:复合材料的介电常数随着碳纤维含量的增加而增加,随频率的增加而降低,具有明显的频响效应.复合材料具有明显的双峰吸收性能,且最高吸收峰随着厚度的增加向低频移动.当含量为碳纤维1%,复合材料厚度为6、7、8 mm时,反射率小于 -10 dB的频段分别为 4.2～10.5、3.9～9.3、3.8～7.7 GHz.沈国柱等[25]使用溶胶凝胶法制备了M型六角铁氧体,测量了铁氧体和短切碳纤维复合材料在Ku波段的电磁参数,并根据电磁参数设计了双层吸波材料.结果表明: M型铁氧体复合材料的介电损耗和磁损耗都比较小,而短切碳纤维复合材料具有较高的介电损耗;内外层材料相同但厚度不同的双层复合材料表现出不同的微波吸收特性,其中,内层为M型铁氧体复合材料、外层为碳纤维复合材料、层厚分别为1.5 mm和0.5 mm的双层复合材料,表现出优良的微波吸收性能,反射率在 -10 dB以下的有效带宽覆盖了整个Ku波段,最大吸收位于15.3 GHz处,反射率约为23.0 dB.邹田春等[26]分别研究了平行和正交排布碳纤维/环氧复合材料的微波吸收特性,发现碳纤维平行排布吸波材料只在入射电场方向与纤维排布方向平行时才具有吸波性能;随纤维间距的减小,其反射衰减曲线的最大吸收峰向高频方向移动;纤维支数增大,吸波性能增强.正交排布碳纤维的吸波性能与纤维的间距密切相关.当纤维间距为8 mm时,可获得有效带宽4.7 GHz、最大吸收峰值-21.6 dB的反射衰减.

4 展望

碳纤维吸波材料已应用于多国战斗机,是一种非常有发展前途的吸波材料.未来碳纤维吸波材料的发展方向是在较宽的频率范围内稳定的吸波性能,结构和功能一体化,低成本等.研究的热点领域是对碳纤维的表面改性等.随着各国科学家对新型碳纤维吸波材料的不断开发,及对现有碳纤维材料的不断改性,相信碳纤维吸波材料的应用领域会越来越广.

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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

〔编辑 杨德兵〕

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

国家自然科学基金项目[21073113]；山西大同大学青年科学研究项目[2010Q10][2008Q9]

赵璐（1982-），女，四川眉山人，硕士，助教，研究方向：材料化学.*郭永,男,硕士生导师,教授,通信作者.

1674-0874(2010)06-0044-04