不同改性方法对碳纤维布X 波段雷达反射率的影响

过凯，关华*，宋东明

（南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094）

1 实验

1.1 碳纤维布的改性工艺

采用由东丽原丝织成的1K 平纹碳纤维布，厚度为0.12 mm，面密度为132 g/m2。其余试剂均为市售分析纯。

1.1.1 聚苯胺包覆碳纤维布的制备

制备聚苯胺包覆碳纤维布需要进行前处理、包覆反应和后处理三步[8]，前处理的主要工艺流程为：去胶(500°C 灼烧5～10 min)─除油(无水乙醇浸泡5 min)─氧化(质量分数约为65%的浓 HNO3室温处理5 h)─去离子水洗涤。

将预处理过的碳纤维布放入300 mL 的三口烧瓶中，加入浓度均为0.75 mol/L 的HCl 和苯胺混合液200 mL，然后在机械搅拌下用恒压漏斗滴入配制好的100 mL 浓度为1.5 mol/L 的过硫酸铵溶液，调整滴定速率，持续滴定时间为1 h，使溶液完全浸没碳纤维布，反应持续12～18 h 后取出。

包覆反应结束后，取出碳纤维布进行后处理，其工艺流程为：去离子水洗涤─0.01 mol/L 盐酸和丙酮交替冲洗3～4 次─去离子水洗涤至pH=7─60～70°C烘干4～5 h─1 mol/L NaOH 处理10 min。

1.1.2 镀镍碳纤维布的制备

系统未进行改善、电容值增加15 mF和控制中添加15 mF虚拟电容情况下，级联系统阻抗比Zoc/Zic的奈奎斯特曲线、闭环控制下电机-逆变器环节的输入阻抗Zic以及Boost电路的输出阻抗Zoc的波特图如图7所示。

化学镀镍之前需要对碳纤维布进行预处理[9]，预处理工艺为：去胶(同1.1.1)─除油(同1.1.1)─粗化(200 g/L(NH4)2S2O8，100 mL/L 浓H2SO4，室温，15 min)─中和(质量分数为10%的NaOH，室温，5 min)─敏化(10 g/L SnCl2，40 mL/L 浓盐酸，室温，8 min)─活化(0.5 g/L PdCl2，10 mL/L 浓盐酸，45～50°C，8～12 min)─还原(10 g/L NaH2PO2·H2O，室温，2 min)。

预处理后的碳纤维布晾干待镀，镀液配方为：NiSO4·6H2O 20 g/L，NaH2PO2·H2O 30 g/L，CH3COONa 30 g/L，C6H5Na3O7·2H2O 5 g/L，CS(NH2)20.25 mg/L，装载量200 cm2/L。边缓慢搅拌边依次将醋酸钠溶液、柠檬酸钠溶液、次磷酸钠溶液倒入硫酸镍溶液中，并加入硫脲，用盐酸调节溶液pH 为4.5～5.0，加热至(90± 5)°C 即可施镀，施镀时间15 min。

1.2 检测方法

1.2.1 电阻

根据伏安法测定碳纤维布的电阻，使用常州市同惠电子有限公司生产的TH2686 型漏电流测试仪，将碳纤维布置于两电极之间，测试仪在两电极间提供恒定电压，读取流经碳纤维布的电流。根据欧姆定律，由式(1)计算得到碳纤维布的电阻值(R)。

式中U 为漏电流测试仪提供的恒定电压(V)，I 为流经样品的电流(A)。

1.2.2 反射率

使用中国兵器工业53 研究所的RAM 反射率弓形测试系统测试，如图1 所示。

图1 反射率弓形法测试系统Figure 1 System for testing reflectivity by arch method

该测试系统的工作方式为扫频测量，测量频率范围为8～12 GHz，频率间隔为0.04 GHz，测量动态范围为−40 dB，测试时将碳纤维布做成18 cm × 18 cm 的方块，用双面胶贴于良导体金属板一侧，分别测量碳纤维布平面和同尺寸良导体平面镜面方向的反射功率，按式(2)计算得到碳纤维布的反射率，用平均反射率来衡量全频段内碳纤维布改性前后雷达反射特性的整体水平。

式中Г 为碳纤维布平面的反射率(dB)，Pa为碳纤维布平面的反射功率(mW)，Pm为同尺寸良导体金属板的反射功率(mW)。

1.2.3 微观形貌

采用日本电子株式会社的JEOLJSM-6380LV 型扫描电子显微镜(SEM)观察碳纤维表面镀层的微观形貌，并与未改性碳纤维作对比。

2 结果与讨论

2.1 改性碳纤维布的表观特征和导电性

2.1.1 表观特征

碳纤维布经过镀镍和聚苯胺包覆改性前后的表观形貌如图2 所示。

图2 改性前后碳纤维布的表观形貌Figure 2 Apparent morphology of carbon fiber fabric before and after modification

碳纤维布呈亮黑色，质地柔软；镀镍后的碳纤维布呈亮白色，质地较硬；聚苯胺包覆碳纤维布呈暗色且有铁锈样的色泽，质地较改性前稍硬，但较镀镍碳纤维布柔软。采用德国Sartorius 集团生产的BSA224S电子分析天平测定改性前后碳纤维布的质量并计算面密度和增重率，结果见表1。

表1 改性前后碳纤维布的面密度和增重率Table 1 Surface density of carbon fiber fabric before and after modification and its weight gain after modification

由表1 可知，镀镍和聚苯胺包覆改性明显提高了碳纤维布的面密度，实现了一定程度的包覆改性。通过扫描电镜可以更清晰地观察到改性前后碳纤维微观形貌的变化，如图3 所示。

图3 改性前后碳纤维布的SEM 照片Figure 3 SEM images of carbon fiber fabric before and after modification

镀镍后碳纤维表面附着了一层较厚的镍，且有许多大小不一的凸起；聚苯胺包覆的碳纤维表面附着一层聚苯胺，且有许多块状凸起。

2.1.2 导电性

使用伏安法测得改性前、镀镍后和聚苯胺包覆后碳纤维布的电阻分别为24.2、22.6 和60.6 Ω。镀镍后碳纤维布的电阻较改性前减小了6.61%，虽然变化幅度较小，但仍在一定程度上提高了导电性，也说明改性前碳纤维布的导电性能较好，接近金属；聚苯胺包覆后，碳纤维布的电阻较改性前增加了150.41%，导电性能显著降低。

2.2 改性碳纤维布对雷达反射率的影响

图4 改性前后碳纤维布的雷达波反射率Figure 4 Radar reflectivity of carbon fiber fabric before and after modification

使用弓形测试系统对改性前后碳纤维布的X 波段雷达反射率进行扫频测试，结果如图4 所示。从图4可知，在8～12 GHz 频段内，聚苯胺包覆碳纤维布的雷达反射率均小于改性前的碳纤维布，其平均反射率为−0.008 dB，较改性前(0.170 dB)降低了104.71%；频率较低(8～10 GHz)时，镀镍碳纤维布的雷达波反射率低于未改性碳纤维布，随频率增大，镀镍碳纤维布对雷达波的反射特性逐渐增强，并超过了未改性碳纤维布，其在X 波段的平均反射率为0.208 dB，较改性前增加了22.35%。

根据导体和电磁波的相互作用理论，材料电导率对表面反射性能有决定性的影响。电导率越高，反射系数越大，材料界面反射能力越强[10]。对于聚苯胺包覆碳纤维布，由于包覆的聚苯胺增大了碳纤维丝之间的接触电阻，在一定程度上阻碍了直流导通[11]，降低了碳纤维布的导电性，从而降低了平均反射率；镀镍碳纤维布由于表面附着的镍层增大了碳纤维丝的导电性和碳纤维布内的直流导通和交流通路效应，使碳纤维布的导电性增强，平均反射率增大。

对于聚苯胺包覆的碳纤维来说，电磁波在聚苯胺和空气界面上会产生反射和透射。一部分电磁波反射回空气中，但与镀镍碳纤维布和未改性碳纤维布相比，这部分反射较少；另一部分电磁波透射到聚苯胺中，产生吸收损耗。碳纤维属于良导体媒质，其衰减常数随频率增大而增大，而透射波的吸收损耗正比于衰减常数，因此，吸收损耗会随频率增大而增大[8,12]。另外，透射波会在空气、聚苯胺和碳纤维组成的双界面之间产生多次反射损耗。聚苯胺包覆碳纤维布的表面反射及透射波的内部介电损耗和多次反射损耗的综合作用，最终导致其反射率随频率增大而降低，并在谐振频率[13]处产生吸收峰。

镀镍前后碳纤维布的雷达反射特性随频率发生的变化可以从趋肤效应、涡流损耗和电磁反射方式3 个方面进行解释。根据电磁波理论[14]，当电磁波在导体表面产生涡流时，随频率增大，导线截面上的电流分布将越来越向导线表面集中，且沿纵深方向衰减，这种现象被称作趋肤效应。趋肤深度以η[15]表示，计算公式如下：

式中f 为电磁波频率(Hz)，μ0为真空磁导率(1.256 6 ×10−6H/m)，μr为相对磁导率(H/m)，σ 为电导率(S/m)。

碳纤维的电导率约为4.2 × 106S/m[16]，由于不具有磁性，其相对磁导率可视为1；镍的电导率为14.3 ×106S/m，相对磁导率为100[12]。根据式(3)计算得到，镀镍碳纤维和未改性碳纤维的趋肤深度分别约为0.15～0.12 μm 和2.75～2.24 μm。比较镀镍碳纤维和未改性碳纤维的SEM 照片，可测得镍层的厚度约为2.38 μm。因此，镀镍碳纤维中的电流主要在镍层中流动，由于趋肤深度较未改性碳纤维小得多，且二者导电性相差不大，趋肤效应在镀镍碳纤维中造成的损耗较大。

高频电磁波下存在涡流损耗效应，涡流损耗功率计算公式如下[15]：

式中P 为涡流损耗功率(W)，d 为材料厚度的一半，h0为外场振幅(V)。

由式(4)可知，相同频率时材料的涡流损耗正比于μr2σ，镀镍碳纤维布的涡流损耗远大于未改性碳纤维布，且涡流损耗随频率增大而增大。因此，频率较低时，镀镍碳纤维布的雷达反射率较改性前低。另外，由于镀镍碳纤维布表面镍层的存在，其表面较未改性碳纤维布平滑，电磁波在镀镍碳纤维布表面产生较强的镜面反射，该部分的雷达接收功率远大于未改性碳纤维布，且随频率增大而增大。这可能是导致镀镍碳纤维布反射率衰减趋势相对平缓而未改性碳纤维布的反射率衰减较快的原因，但需要进一步实验验证。频率为11 GHz 左右时，电磁波频率达到镀镍和未改性碳纤维布的频率谐振而出现峰值[13]，峰值频率附近的反射率衰减较大。

3 结论

对碳纤维布进行了聚苯胺包覆和镀镍改性处理，经聚苯胺包覆处理的碳纤维布的电阻值增加了150.41%在8～12 GHz 全频段，雷达反射率降低了104.71%；镀镍后碳纤维布电阻减小了6.61%，在8～12 GHz 频段，雷达反射率提高了22.35%，频率较低时，由于受趋肤效应和涡流损耗等因素的影响，镀镍碳纤维布的雷达反射率低于改性前碳纤维布；随频率升高，趋肤效应、涡流损耗以及电磁反射特性均增大，三者的共同作用导致镀镍碳纤维布对雷达波的反射特性逐渐增强，并超过了未改性碳纤维布。运用上述两种不同改性方法，可得到不同雷达反射特性的碳纤维布，用于模拟不同的雷达反射体，在电子对抗领域中具有广泛的应用价值。

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