纸基吸波材料的制备及其电磁性能探究

程芳静　孙　耀　王　宜　宋　虹　耿　浩　胡　健

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640)



·纸基吸波材料·

纸基吸波材料的制备及其电磁性能探究

程芳静孙耀王宜*宋虹耿浩胡健

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640)

通过造纸法制备了一种可用于制备吸波蜂窝的纸基吸波材料,分别选用短切碳纤维(CF)、短切碳化硅纤维(SCF)和碳纳米管(CNT)作为吸波剂,对位芳纶浆粕(PPTA)作为基体,对比了不同吸波剂及其用量对纸基吸波材料电磁参数及吸波性能的影响。结果显示,吸波剂用量(对绝干基的质量分数)在0.1%～50%的范围内,SCF-PPTA纸基吸波材料的复介电常数实部小于CF-PPTA和CNT-PPTA纸基吸波材料的。当吸波剂用量大于3%时,CNT-PPTA纸基吸波材料的介电损耗大于另外2种材料的。当吸波剂用量分别为1%、20%和3%时,对应CF-PPTA、SCF-PPTA和CNT-PPTA纸基吸波材料的反射率最低分别可达-15.08、-28.49和-13.69dB,此时纸基吸波材料对应的厚度分别为2.45、4.35和2.98 mm。

纸基吸波材料；吸波蜂窝；电磁参数；反射率

吸波材料是一种能够吸收和衰减入射电磁波,使反射、散射和透射都很小的功能材料,主要由吸波剂和基体两个要素组成,吸波剂起到衰减电磁波的作用,而基体起到分散吸波剂、为电磁波提供传输通道、调节阻抗匹配和承载的作用,通常要求基体具有良好的透波性能[1-2]。吸波材料在飞行器、导弹、舰艇等军事上有其特殊的战略地位,尤其是雷达隐身技术领域[3- 4]。其中结构型吸波材料既具备复合材料质轻、高强的优点,作为承载结构件又能较好地吸收或透过电磁波,已成为当代隐身材料重要的发展方向[5],蜂窝夹芯材料是结构型吸波材料的典型代表[6]。目前的吸波蜂窝通常是由透波纸蜂窝浸渍含吸波剂的树脂制成,对此类吸波蜂窝的结构性能国内外已经进行了很多研究。华宝家等人[7]在8～12 GHz频率范围内从吸收剂种类、吸收剂分布形式、蜂窝层数、树脂基体、增强材料等方面对单层和多层蜂窝夹芯结构的吸波性能进行了详尽的实验分析。刘文言等人[8]就浸渍层厚度对蜂窝吸波性能的影响进行了讨论。F. C. Smith[9]研究了蜂窝结构电磁参数的计算,采用时域有限差分法,先利用平面波在三个相互正交的方向传播,预测出蜂窝结构无线平面层的反射率,由此计算出输入阻抗,再进行反演计算得到蜂窝结构的相对介电常数。但此类浸渍法制备的吸波蜂窝制备工艺较复杂,吸波剂难以均匀分散,较难实现电磁参数的梯度控制,不利于蜂窝阻抗匹配特性优化,因而宽频吸波效果并不理想。此外,此类吸波蜂窝在长时间使用下容易出现吸收剂剥落现象,导致周围电磁环境污染、影响其吸波性能的稳定性。

本课题提出了直接将吸波剂和基体作为原材料、通过造纸法成形制备纸基吸波材料的方法,该纸基吸波材料可直接加工成蜂窝材料,这样可以在不额外掺杂或减少额外掺杂吸波剂的情况下实现吸波蜂窝的制备,并有望改善传统吸波蜂窝工艺复杂、吸波剂不宜均匀分散、吸波剂易脱落等问题。实验分别选用短切碳纤维(CF)[10-11]、短切碳化硅纤维(SCF)[12]和碳纳米管(CNT)[13-14]作为吸波剂,对位芳纶浆粕(PPTA)作为基体[15-16],制备了不同吸波剂及其用量的纸基吸波材料，并对其结构进行了扫描电子显微镜(SEM)观察,探讨了CF-PPTA、SCF-PPTA、CNT-PPTA纸基吸波材料在不同吸波剂用量下的电磁参数及吸波性能。

1　实　验

1.1原料与仪器

1.1.1原料及其规格

实验用原料、来源及其规格参数见表1。实验用水均为去离子水,以排除离子极化对电磁参数测试的影响。

表1　原料来源及其规格参数

1.1.2仪器

Mettler Toledo ME204电子分析天平,瑞士；L&W991509纤维标准疏解器,瑞典；Philips HR2024搅拌机,荷兰；RK3-KWTjul凯赛快速抄片器,奥地利；KRK2569纸页压榨机,日本；Zeiss EVO扫描电子显微镜,德国；L&W250厚度仪,瑞典；JC202烘箱,国产；Wiltron37269A网络矢量分析仪,美国；矩形波导系统,国产。

1.2实验方法

1.2.1纸基吸波材料的制备

选用PPTA作为基体材料,分别选用CF、SCF、CNT为吸波剂,按以下步骤制备定量65 g/m2、吸波剂用量(对绝干基的质量分数,以下同)0.1%、1%、3%、5%、10%、20%、30%、40%、50%的纸基复合材料。

(1)采用纤维标准疏解器将CF(或SCF、CNT)疏解3 min,使其分散在去离子水(自制)中；采用搅拌机将PPTA疏解2 min,使其分散在去离子水中。

(2)将上述2种悬浮液混合均匀并稀释形成浆料。

(3)通过成形区直径为20 cm的凯赛快速抄片器,将浆中的大部分水滤去以形成湿纸幅。

(4)将上一步中得到的湿纸幅通过纸页压榨机进行压榨,以进一步去除水分并将纸幅压平整。

(5)将压榨后的纸张在90℃、真空条件下烘干15 min。

(6)将上一步得到的纸张进行压光,以提高纸张的平滑度,并将厚度调整至(95±5)μm。

1.2.2纸基吸波材料的微观形态表征

采用SEM观察纸基吸波材料表面的微观形貌。

1.2.3纸基吸波材料的电磁参数测试

根据标准GJB 1651A-201×-5012,采用波导法对材料的电磁参数进行测试,测试频率为10 GHz,测试系统如图1所示。测试前先将样品裁成22.86 mm×10.16 mm的矩形,并测试厚度。

图1　波导法系统示意图

测试时的具体步骤如下：

(1)预热测试设备,并设置测试频率f(Hz),校准仪器。

(2)在空波导中将短路器移至某一位置,记录短路器的位置并测试系统的复反射系数Γi(0),记录复反射系数Γi(0)的幅值和相位。

图2　波导(含试样)截面图

(3)将样品直立放入波导后(如图2所示),再次将短路器移至某一位置,记录短路器的位置并测试系统与样品加和的复反射系数Γi(2),记录复反射系数Γi(1)的幅值和相位。

(4)通过计算获得纯样品的复反射系数Γi(2)的幅值和相位,由于测试系统可视为等效二端网络,复反射系数Γi与复电磁参数(复介电常数ε和复磁导率μ之间)存在定量关系,因此可由样品的复反射系数换算得到样品的复电磁参数。

图3　CF-PPTA纸基吸波材料的SEM照片

图4　SCF-PPTA纸基吸波材料的SEM照片

1.2.4纸基吸波材料的吸波性能计算

根据电磁波反射理论,基于测得的复电磁参数通过公式(1)和公式(2)[17]对纸基吸波材料10 GHz频率、垂直入射情况下的吸波性能进行模拟计算。

(1)

(2)

式中,R为反射率,dB；Z0为自由空间的特征阻抗；Z1为材料的输入阻抗；c为光速；f为电磁波的频率,GHz；d为材料的厚度,mm；ε为复介电常数；μ为复磁导率。

2　结果与讨论

2.1不同吸波剂纸基吸波材料的微观形态

CF-PPTA(CF用量10%)和SCF-PPTA(SCF用量10%)纸基吸波材料的表面和截面的微观形态分别如图3和图4所示。由图3和图4中的表面SEM可知,CF表面光滑,呈直棒状,SCF的形态与CF类似,直径略小于CF,CF和SCF大部分在X-Y平面中随机取向、分布在PPTA中,部分纤维相互搭接。PPTA呈膜状结构,表面有大量褶皱,大量覆盖在CF表面或包裹CF。由图3和图4中的截面SEM可知,CF-PPTA和SCF-PPTA纸基吸波材料的厚度约为90～100 μm,CF分布在大量层叠的PPTA之中,SCF分布在PPTA的层与层之间。CNT-PPTA(CNT用量为10%)纸基吸波材料的表面和截面的微观形态如图5所示。由图5中的表面SEM可知,CNT的直径在几十纳米,长度在几百纳米到几微米不等,呈不规则线状,CNT之间互相交织、缠结,并黏附在PPTA表面。由图5中的截面SEM可知，CNT-PPTA纸基吸波材料的厚度约为90～100 μm,CNT大量黏附在PPTA层与层的缝隙中。

2.2不同吸波剂纸基吸波材料的电磁参数

本实验纸基吸波材料均为非磁性材料,即复磁导率的实部趋近于1,复磁导率的虚部趋近于0,因此仅讨论不同吸波剂纸基吸波材料的介电性能。纸基吸波材料的复介电常数实部、复介电常数虚部和介电损耗随吸波剂种类和用量的变化分别如图6、图7、图8所示。

图5　CNT-PPTA纸基吸波材料的SEM照片

图6　不同吸波剂及其用量对纸基吸波材料复介电常数实部的影响

图7　不同吸波剂及其用量对纸基吸波材料复介电常数虚部的影响

图8　不同吸波剂及其用量对纸基吸波材料介电损耗的影响

对于CF-PPTA纸基吸波材料而言,当吸波剂用量<10%时,复介电常数实部和虚部均随吸波剂用量的增加而增大,且虚部增大得较快,因此介电损耗也随之增大；而当吸波剂用量>10%时,复介电常数的虚部随吸波剂用量的增加迅速减小,介电损耗也同样减小。对于SCF-PPTA纸基吸波材料而言,吸波剂用量在0.1%～50%范围内,复介电常数实部和虚部均随吸波剂用量的增加而增大,且虚部的增大明显快于实部的,因此介电损耗也随之不断增大。CNT-PPTA纸基吸波材料与SCF-PPTA纸基吸波材料的电磁参数随吸波剂用量的变化有类似的趋势,但值得注意的是,CNT-PPTA纸基吸波材料在吸波剂用量≥5%时,复介电常数虚部均大于实部,即介电损耗大于1,这与另外2种纸基吸波材料明显不同。

图9　厚度和吸波剂用量对CF-PPTA纸基吸波材料吸波性能的影响

图10　厚度和吸波剂用量对SCF-PPTA纸基吸波材料吸波性能的影响

从图6可以看出,吸波剂用量在0.1%～50%范围内,SCF-PPTA纸基吸波材料复介电常数实部远小于CF-PPTA纸基吸波材料和CNT-PPTA纸基吸波材料的；在吸波剂用量<30%时,CF-PPTA纸基吸波材料复介电常数实部大于CNT-PPTA纸基吸波材料的,但随着用量的增加,两者的差距开始减小；当吸波剂用量>30%时,CNT-PPTA纸基吸波材料复介电常数实部开始大于CF-PPTA纸基吸波材料的。由图7可以看出,当吸波剂用量<10%时,纸基吸波材料在同一吸波剂用量下,复介电常数虚部的大小顺序为CF-PPTA>CNT-PPTA>SCF-PPTA；当吸波剂用量>10%时,随着用量的继续增大CF-PPTA纸基吸波材料的虚部开始变小,且与SCF-PPTA纸基吸波材料的复介电常数虚部的差异逐渐减小,而CNT-PPTA纸基吸波材料复介电常数虚部仍旧持续增加。因此随吸波剂用量的进一步增加,CF-PPTA纸基吸波材料与CNT-PPTA纸基吸波材料复介电常数虚部差异越来越大。由图8可以看出,当吸波剂用量>3%之后,CNT-PPTA纸基吸波材料的介电损耗明显大于CF-PPTA纸基吸波材料和SCF-PPTA纸基吸波材料的。此外,在吸波剂用量较低时,CF-PPTA纸基吸波材料的介电损耗大于SCF-PPTA纸基吸波材料的,而在用量较高时,情况相反。

2.3不同吸波剂纸基吸波材料的吸波性能

在实际应用中通常用反射率来表征被测材料的吸波性能,它是指当被测材料的一侧是空气、另一侧是理想金属板时,从空气侧入射到材料表面的电磁波发生反射的部分占原来入射的百分比。由于电磁波入射到金属板表面时会发生全反射,在该种情况下透过被测材料的电磁波将全部被重新反射进入材料内部,因此入射的电磁波全部转化成了反射波和被吸收的波,反射的波越少,则表示该材料的吸波性能越强。对于组分、结构、组分分布情况固定的材料,当其厚度变化时复电磁参数恒定,而反射率随之变化。当在某一个厚度下反射率为最小值时,该厚度被称为最佳厚度,对应这个厚度下的反射率被称为最低反射率。另外,除电磁参数和厚度这两个因素外,材料的吸波性能还与电磁波的频率、入射方向等因素有关。本实验按照10GHz下测得的电磁参数,计算了10 GHz下电磁波垂直入射时不同吸波剂纸基吸波材料的吸波性能,见图9、图10、图11。

图11　厚度和吸波剂用量对CNT-PPTA纸基吸波材料吸波性能的影响

由图9(a)、图10(a)、图11(a)可以看出,当厚度<0.5 mm时,在相同厚度下CF-PPTA纸基吸波材料的反射率随吸波剂用量的增加先减小,在吸波剂用量>20%时开始增大,而SCF-PPTA和CNT-PPTA纸基吸波材料的反射率随吸波剂用量的增加而减小；吸波剂用量0.1%～20%,在相同吸波剂用量下反射率的大小顺序为SCF-PPTA>CNT-PPTA>CF-PPTA,但当吸波剂用量>20%时,CNT-PPTA纸基吸波材料的反射率低于CF-PPTA纸基吸波材料的。

吸波剂用量0.1%～50%、厚度0～5 mm范围内,CF-PPTA纸基吸波材料的最低反射率随吸波剂用量的增加呈现先减小后增大再减小的趋势,而SCF-PPTA纸基吸波材料和CNT-PPTA纸基吸波材料的最低反射率随吸波剂用量的增加呈现先减小后增大的趋势。最低反射率下对应的吸波剂最小用量定义为最佳填充量。CF-PPTA纸基吸波材料和CNT-PPTA纸基吸波材料的最佳填充量均较小,分别为1%和3%；而SCF-PPTA纸基吸波材料的最佳填充量远大于这2种材料的,为20%。吸波剂用量0.1%～50%,3种吸波剂纸基吸波材料的最佳厚度大体上均随吸波剂用量的增加而逐渐减小。CF-PPTA纸基吸波材料和CNT-PPTA纸基吸波材料在最佳填充量下的最低反射率分别为-15.08 dB和-13.69 dB,对应的最佳厚度分别为2.45和2.98 mm。由此可以推断,在10GHz下,CF-PPTA纸基吸波材料比CNT-PPTA纸基吸波材料能达到更优的吸波性能。而SCF-PPTA纸基吸波材料在填充量为20%的情况下,可达到最低反射率-28.49 dB,对应的最佳厚度为4.35 mm。此外,当厚度>3 mm、吸波剂用量>10%时,在相同吸波剂用量下,SCF-PPTA纸基吸波材料的反射率远低于CF-PPTA和CNT-PPTA纸基吸波材料的。由此可见,SCF-PPTA纸基吸波材料可实现优异的吸波效果,但需要在较大的填充量和厚度下才能实现。应用厚度较小时,高吸波剂用量的CNT-PPTA纸基吸波材料具有较优的吸波性能,而当应用厚度范围较大时,高吸波剂用量的SCF-PPTA纸基吸波材料可实现较优的吸波效果。

3　结　论

选用短切碳纤维(CF)、短切碳化硅纤维(SCF)和碳纳米管(CNT)作为吸波剂,对位芳纶浆粕(PPTA)作为基体,制备了不同吸波剂及其用量的纸基吸波材料并对其结构进行了扫描电镜(SEM)观察,探讨了CF-PPTA、SCF-PPTA、CNT-PPTA纸基吸波材料在不同吸波剂用量下的电磁参数及吸波性能。

3.1在CF-PPTA和SCF-PPTA纸基吸波材料中,CF或SCF在X-Y平面中随机取向、分布在层状的PPTA浆粕中。在CNT-PPTA纸基吸波材料中,直径几十纳米的CNT分布在PPTA浆粕中。

3.2吸波剂用量0.1%～50%范围内,SCF-PPTA纸基吸波材料的复介电常数实部远小于另外2种纸基吸波材料的。当吸波剂用量>3%,同一吸波剂用量下CNT-PPTA纸基吸波材料的介电损耗明显大于CF-PPTA和SCF-PPTA纸基吸波材料的。

3.3当吸波剂用量分别为1%、20%和3%时,对应CF-PPTA、SCF-PPTA和CNT-PPTA纸基吸波材料的反射率最低分别可达-15.08、-28.49和-13.69 dB,此时,对应的纸基吸波材料厚度分别为2.45、4.35和2.98 mm。

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(责任编辑：马忻)

Study on Preparation of Paper-based Absorbing Material and Its Electromagnetic Properties

CHENG Fang-jingSUN YaoWANG Yi*SONG HongGENG HaoHU Jian

(StateKeyLabofPulpandPaperEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou，GuangdongProvince， 510640)

In this paper, the paper-based cellular absorbing material was prepared by using papermaking process. The chopped carbon fiber (CF), chopped silicon carbide fiber (SCF) and carbon nanotubes (CNT) were used as the absorbing agents, and PPTA fibrid (PPTA) was chosen as the base materials to prepare paper-based absorbing materials. The electromagnetic parameters and absorbing property of the paper-based absorbing materials with different types of absorbing agent and different absorbing agent contents were compared. The results showed that when absorbing agent content was in the range of 0.1%～50%, the real part of permittivity of the SCF-PPTA paper-based material was far lower than that of CF-PPTA or CNT-PPTA paper-based material. When the absorbing agent content was above 3%, the dielectric loss of CNT-PPTA paper-based material was larger than that of other two. When the thickness was in the range of 0 to 10 mm, abrovbing agent dosages varied from 1% to 20% the minimum reflectivity of CF, SCF and CNT paper-based materials were -15.08 dB(thickness was 2.45 mm and content of absorbing agent was 1%), -28.49 dB(thickness 4.42 mm, absorbing agent 20%)and -13.69 dB (thickness 2.98 mm, absorbing agent 3%)respectively.

paper-based absorbing materials; absorbing honeycomb; electromagnetic parameters; reflectivity

程芳静女士,在读硕士研究生；研究方向：高性能纤维纸基复合材料性能的研究。

2016- 03- 01(修改稿)

王宜女士,E-mail：wangyi@scut.edu.cn。

TS762.9

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.05.008

(*E-mail： wangyi@scut.edu.cn)