碳包覆铁吸波涂层制备及其电磁性能研究

李 明，徐任信，廖庆玲，曾黎明，杨 欢，谭 行

（1.武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070）

碳包覆铁吸波涂层制备及其电磁性能研究

李 明1，徐任信1，廖庆玲2，曾黎明1，杨 欢1，谭 行1

（1.武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070）

制备了碳包覆铁（C@Fe）/环氧树脂吸波复合材料，利用场发射扫描电子显微镜和网络分析仪，分别研究了不同C@Fe质量分数的环氧树脂复合材料微观结构及吸波性能。结果表明，当C@Fe质量分数较高时，颗粒在复合材料中呈均匀分散状态。当C@Fe质量分数从30%增加到40%时，厚度为2 mm的复合材料反射损耗峰由-3.7 dB增加到-38.2 dB；当C@Fe质量分数为40%时，复合材料反射损耗在-10 dB以下带宽约为5.6 GHz。

碳包覆铁；吸波复合材料；反射损耗

随着现代科学技术的飞速发展，各种电子、电器设备在为人们日常生活带来便利的同时，在工作中产生的电磁辐射与干扰问题又影响着人们的生活。此外，电磁辐射和电磁干扰对军事行动也带来很大的威胁[1～4]。现代战争对细节的把握极其重要，可能因为电磁干扰而导致失败。因此，吸波和屏蔽材料是国内外学者一直以来不断研究的课题[5，6]。吸波复合材料具有很好的环境适应性，即可以涂覆于复杂的结构上，又可以贴附在装备上，为实际运用提供方便。但是传统的吸波材料要达到高效吸波能力，其厚度和吸波剂含量往往比较大，增加了装备的重量，限制了其在实际应用中的推广。本文采用一种碳包覆铁（C@Fe）颗粒作为吸波剂，其饱和磁化强度Ms为177 emu/g、矫顽力Bc为20 Oe，与环氧树脂等聚合物复合后，可望在较低吸波剂含量条件下获得较大的微波损耗，适合制备轻质高效的吸波复合材料。关于C@Fe的环氧树脂复合材料的研究结果鲜见报道。

本文通过浇铸工艺制备C@Fe/环氧树脂吸波复合材料，利用场发射扫描电子显微电镜和网络分析仪，分别研究了不同C@Fe质量分数的环氧树脂复合材料微观结构及吸波性能。

1 实验部分

1.1 实验原料及主要仪器

环氧树脂，CYD-127，中国石化集团资产经营管理有限公司；改性胺，胺当量约60，实验室自制；C@Fe，平均粒径为2 μm，山东大学；丙酮，化学纯，上海试一化学试剂有限公司。

超声波声化学处理器，无锡市锡山德嘉电子有限责任公司；真空脱泡机，东莞市弘研机械设备厂；雕刻机，SE-3230，洛克机电系统工程有限公司；场发射扫描电子显微镜，德国，Zeiss Ultra Plus；矢量网络分析仪，PNA-X N5247A，安捷伦科技有限公司；同轴空气线夹具（7 mm），安捷伦科技公司。

1.2 吸波复合材料和测试样品制备

吸波复合材料制备：按比例称取C@Fe颗粒和CYD-127，加入适量丙酮，人工搅拌10 min后，再用超声波声化学处理器分散30 min。然后在红外灯下缓慢研磨直至去除大部分丙酮，得到C@Fe颗粒在环氧树脂中均匀分散的胶状混合物料。按化学计量比称取混合物料和改性胺，搅拌均匀后，将物料浇铸到50 mm×10 mm×2 mm和180 mm×180 mm×2 mm的钢制模具中，常温固化24 h后得到吸波复合材料试样。复合材料中C@Fe颗粒质量分数分别为30%、35%、40%、45%。

测试样制备：电磁参数测试样品内径为3.02 mm、外径为7.00 mm、厚为2.00 mm的同轴环，利用雕刻机在50 mm×10 mm×2 mm的小样条雕刻制得；反射损耗测试样品为180 mm×180 mm×2 mm复合材料，利用数控铣床将相同大小试样上表面进行加工后，粘贴在相同尺寸的铝板上得到。

1.3 吸波复合材料密度测试

按照GB/T1446—2003中的规定，采用浮力法测试。

1.4 吸波复合材料的电磁参数测试

利用同轴法测试同轴环样品在1～18 GHz频率内的电磁参数，测试仪器为矢量网络分析仪（PNA-X N5247A）和同轴空气线夹具；通过弓形法测试吸波材料样板在1～18 Ghz频率内的反射损耗，测试仪器为矢量网络分析仪。

2 结果与分析

2.1 C@Fe颗粒和吸波复合材料断面形貌

C@Fe颗粒及C@Fe质量分数分别30%、 45%的吸波复合材料的断面场发射SEM照片分别由图1a～1c给出。由图1a看出，C@Fe颗粒平均粒径约为2 μm，具有凹凸不光滑的表面，这是因为铁粉表面包覆了一层厚度不等的无定型碳，无定型碳呈现不规则堆积。由图1b看出，尽管采用超声波分散工艺，C@Fe颗粒在树脂中仍有部分团聚，这是因为颗粒含量较低时，体系中有足够的空间使磁性颗粒在树脂固化前因磁力发生迁移和团聚。图1c表明，C@Fe颗粒分散性较好，也就是说，随着C@Fe颗粒质量分数的增加，树脂黏度增大，阻碍了磁性粒子迁移团聚，使得颗粒在复合材料中均匀分散。

图1 碳包覆铁颗粒及吸波复合材料断面SEM照片Fig1 SEM photos of C@Fe particles and fracture surfaces of microwave-absorbing composites

2.2 C@Fe/环氧树脂吸波复合材料表观密度

通过浮力法测试复合材料的表观密度如表1所示。由表1看出，当C@Fe质量分数由30%增加到45%时，复合材料的体积密度由1.54 g/cm3增大到2.10 g/cm3，2 mm厚复合材料的面密度由3.08 kg/m2增大到4.20 kg/m2，密度比传统吸波材料小很多，可作为轻质吸波复合材料。

表1 C@Fe/环氧树脂吸波复合材料密度与吸波剂含量的关系Tab.1 Relationship of density of C @ Fe/epoxy resin microwave absorbing composite materials and absorbing agent content

2.3 C@Fe/环氧树脂吸波复合材料电磁参数

C@Fe/环氧树脂复合材料在1～12 GHz的复介电常数和复磁导率的测试值见图2。事实上，同轴线法可以连续测试复合材料1～18 GHz内的电磁参数，但测试中发现频率超过12 GHz时出现明显的厚度谐振现象，因此本文只讨论12 GHz以下复合材料电磁参数的变化。由图2可知，吸波复合材料在不同频率下的介电常数实部与虚部、磁导率实部与虚部均随着C@Fe质量分数增加而增大。介电常数实部的增大主要有2个原因，一是随着C@Fe含量增加，复合材料单位体积偶极子密度增大，极化能力增强；二是C@Fe颗粒的引入导致界面极化增强，由Maxwell-wagner界面极化理论可知，相邻两者材料电导率和电容率不同，会使界面极化和电荷堆积。介电常数虚部增大的原因主要是复合材料中C@Fe含量增加，使电子传输在网络中变得通畅，即电阻率降低，从而增加了电损耗。与对介电常数的影响类似，随着C@Fe含量的增加，复合材料中单位体积内磁偶极矩密度增大，在外加磁场的作用下，磁导实部和虚部均得到提高。介电实部和磁导率实部越大，材料储能越多；而介电虚部和磁导虚部对电磁波入射到材料内部的能量损耗起着决定性作用，虚部越大，电磁波吸收能力越强[7～10]。由此可以预期，C@Fe/环氧树脂复合材料的吸波能力随着C@Fe含量的增加而提升。

图2 吸波复合材料的介电常数与磁导率随C@Fe含量和频率的变化Fig.2 Change of permittivity and permeability of composites with change of C@Fe content and frequency

2.4 C@Fe/环氧树脂吸波复合材料反射损耗

图3给出了2 mm厚C@Fe/环氧树脂吸波复合材料反射率模拟值和实测值。吸波复合材料反射率的模拟值通过HFSS软件计算得到，输入的电磁参数为前文同轴线法测得的数值，由图3a到图3d可以看出，不同C@Fe含量吸波复合材料的反射率实测值和模拟值吻合得比较好。从图中还可以看出，当吸波复合材料中C@Fe质量分数分别为30%、35%、40%、45%时，复合材料的反射损耗峰分别为-3.7 dB、-11.2 dB、-38.2 dB和-22.7 dB，对应的频率分别14.0 GHz、14.5 GHz、14.7 GHz和9.9 GHz。吸波复合材料的反射损耗峰随着C@Fe含量增加而增大的原因可以用图2中吸波复合材料介电损耗和磁损耗的变化来解释。要说明的是，当C@Fe质量分数为45%时，反射损耗峰低于C@Fe质量分数为40%的体系，其原因是C@Fe含量过大使得复合材料阻抗与空气阻抗的匹配性降低，导致反射率增大。事实上，当C@Fe质量分数为45%时，在14.0 GHz附近，虽然反射损耗峰值不及C@Fe质量分数为40%的体系，但反射损耗高于-10 dB的带宽也达到了2.3 GHz，具有较好的吸波性能。当C@Fe质量分数为40%时，复合材料的吸波性能达到最佳，反射损耗除峰值最大外，高于-10 dB的带宽达到5.6 GHz（11.2～16.8 Ghz）。

图3 不同C@Fe质量分数吸波复合材料的反射损耗Fig.3 Reflectivity of wave-absorbing composites with different C@Fe contents

3 结论

（1）当C@Fe质量分数达到45%时，颗粒在复合材料体系中呈均匀分散状态。

（2）当C@Fe质量分数为40%时，复合材料密度最大且为1.88 g/cm2，2 mm厚复合材料的面密度仅为3.76 kg/m2，可作为轻质吸波材料。

（3）吸波复合材料的介电常数实部和虚部、磁导率实部和虚部均随着C@Fe质量分数增加而增大。

（4）当C@Fe质量分数从30%增加到40%时，厚度为2 mm的复合材料反射损耗峰由-3.7 dB增加到-38.2 dB；当C@Fe质量分数为40%时，复合材料反射损耗在-10 dB以下带宽约为5.6 GHz（11.2～16.8 GHz）。

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Preparation and electromagnetic properties of microwave absorbing coating containing C@Fe magnetic powder

LI Ming1, XU Ren-xin1, LIAO Qing-ling2, ZENG Li-ming1, YANG Hua, TAN Xing1
(1. School of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan, Hubei 430070, China; 2. School of Resouses and Environmental Engineering , Wuhan University of Technology, Wuhan, Hubei 430070, China)

The microwave absorbing composite materials were prepared by using different C@Fe magnetic powders as the absorbing agents and epoxy resin as the matrix. The microstructure and the microwave absorbing properties of the epoxy resin based composites with different C@Fe content were studied by field emission SEM and PNA-X N5247A vector network analyzer. The results show that when the C@Fe content in the composites increases from 30% to 40% , the reflection loss peak of the composites with thickness of 2 mm decreases from -3.7 dB to -38.2 dB. And when the C@Fe content in the compositie is 40%, the effective bandwidth (less than-10 dB) is 5.6 GHz. When the C@Fe content is higher, the particles are dispersed evenly in the composite materials.

C@Fe magnetic powder; microwave absorbing material; reflection loss

TQ050.4+3

A

1001-5922（2017）03-0034-04

2016-11-24

李明（1991-）,男，硕士，研究方向：聚合物基电磁吸波复合材料。E-mail：Lem@whut.edu.cn。