2 mm短切碳纤维吸波涂层的制备与吸波性能

陶 睿，刘朝辉，班国东，罗 平，舒 心



2 mm短切碳纤维吸波涂层的制备与吸波性能

陶 睿，刘朝辉，班国东，罗 平，舒 心

（后勤工程学院 化学与材料工程系，重庆 401311）

基于雷达吸波涂层薄、轻、宽、强的要求，以2 mm短切碳纤维为吸收剂，水性聚氨酯为基体树脂，制备了碳纤维吸波涂层，将芳纶纸蜂窝与碳纤维吸波涂层进行匹配，并采用矢量网络分析仪测试了涂层的吸波性能。结果表明，单层碳纤维吸波涂层在厚度较薄时吸波性能较差，添加匹配层后性能有所改善。将不同碳纤维含量的吸波涂层与芳纶纸蜂窝进行匹配，制备了多层匹配碳纤维吸波涂层，涂层的吸收强度和有效吸收带宽均得到明显提升，通过调整碳纤维涂层和芳纶纸蜂窝的匹配方式，复合涂层在4.1~13.6 GHz频率范围内均能实现有效吸收。

短切碳纤维；芳纶纸蜂窝；吸波涂层；宽频

现代科学技术的日益发展，电磁辐射大幅增加，导致严重的电磁污染，对环境和人体健康都造成了一定的危害，使用吸波涂层可以较为有效缓解电磁污染问题[1,2]。连续碳纤维对雷达波具有强反射作用，难以直接用作吸波涂层填料, 通常对碳纤维进行短切处理，然后分散到基体树脂当中制备碳纤维/树脂复合材料[3]。吴红焕[4]研究了短切碳纤维的长度与其电磁性能之间的关系，长度过短的短切碳纤维，电流沿纤维径向流动的距离太短，难以产生较大的损耗，长度过长的短切碳纤维，容易形成电磁波的强反射体，不能起到良好的吸波效果。为了进一步改善碳纤维的吸波性能，目前的研究主要集中在对碳纤维进行活化处理[5,6]；利用纳米铁粉[7]、镍铁合金[8]、羰基铁粉[9]等材料对碳纤维进行改性处理；制备特殊结构的碳纤维，如多孔碳纤维[10,11]、螺旋碳纤维[12]等，对通过添加匹配层提高碳纤维吸波涂层吸波性能的研究较少。本研究以短切碳纤维（长度2 mm）为吸收剂，水性聚氨酯为基体树脂，制备了雷达吸波涂层，将不同碳纤维含量的吸波涂层与芳纶纸蜂窝进行匹配，并对其吸波性能进行了研究。

1 实验部分

1.1 实验材料

碳纤维：上海力硕新材料科技有限公司LS-CF2-S型短切碳纤维；水性聚氨酯：上海源禾化工有限公司Bayhydrol2648型水性聚氨酯；增稠剂：广州宏润化工有限公司RM-8W型增稠剂；蜂窝：苏州芳磊蜂窝复合材料有限公司AC-NH间位芳纶纸蜂窝。

1.2 试样制备

称取一定质量聚氨酯，加入0.5%(wt)的增稠剂，利用分散机（SF智能型分散砂磨机）增稠10 min，转速为300 r/min。增稠完成后，按照预先设计的碳纤维掺量，称取相应质量的碳纤维加入树脂中，继续以300 r/min的转速分散30 min。分散完成后，将涂料按一定厚度喷涂于模具中，升温至 50 ℃固化6 h，待涂层完全固化后进行脱模，并将蜂窝与碳纤维涂层匹配，制备多层匹配雷达吸波涂层。

1.3 性能测试

采用HITACHI-53700N型扫描电子显微镜和SG-51型金相显微镜对短切碳纤维和涂层的微观形貌进行表征。采用弓形法对电磁波反射率进行测试，测试设备为Agilent PNA E8363B型矢量网络分析仪，测试频率为2~18 GHz。

2 结果与讨论

2.1 微观形貌分析

图1为短切碳纤维扫描电镜图像，图中显示，碳纤维呈丝状结构，平均直径7 μm，表面存在沿纤维轴向的小槽，基本无其它附着物，这有利于碳纤维与基体树脂之间的结合，提高碳纤维的分散性。图2为碳纤维吸波涂层的金相显微镜图像，图中显示，短切碳纤维沿不同方向随机分布在基体树脂当中，碳纤维之间的间距较为均匀，无明显的缠结和团聚现象。

图1 短切碳纤维SEM照片

图2 短切碳纤维SEM照片

2.2 吸波性能分析

2.2.1 单层碳纤维涂层

图3为单层碳纤维吸波涂层（涂层厚度0.5 mm，碳纤维含量分别为0.1%、0.2%、 0.3%、 0.5%(wt)）的电磁波反射率测试曲线。图3中显示，虽然随着碳纤维含量的增加，涂层的吸波性能有所提升，但最大吸收强度也仅达到了-2 dB。

图3 单层碳纤维涂层反射率测试曲线

根据单层平板吸波涂层反射吸收模型，当平面电磁波i由空气入射到单层平板吸波涂层前界面时，一部分电磁波r会直接被涂层表面反射回空气当中，另一部分电磁波t则会透射进入吸波涂层内部，被涂层内部的吸收剂损耗吸收后到达涂层后界面，被金属底板反射回涂层中，经二次吸收后，剩余能量Ee出射到空气中，假设涂层中损耗的能量为l，则具体过程如图4所示。

图4 单层平板吸波涂层反射吸收模型

由以上分析可知，吸波涂层对电磁波的吸收主要来源于两个部分：(1)吸收剂对进入涂层内部电磁波造成的损耗吸收；(2)涂层表面反射的电磁波与涂层后方金属板反射的电磁波干涉相消造成的吸收。因此，单层碳纤维涂层无法对电磁波进行有效吸收可能存在三方面的原因：一是电磁波大部分在涂层表面被反射，没有进入涂层内部；二是电磁波进入涂层内部后，涂层中的吸收剂不能对电磁波造成有效的损耗；三是在涂层表面和涂层后方金属板反射的电磁波相位和振幅不匹配，没有产生明显的干涉吸收。针对这些原因，可将单层碳纤维吸波涂层与空气层进行匹配，进一步研究涂层的吸波性能。

2.2.2 碳纤维涂层与空气层匹配

图5 蜂窝匹配碳纤维涂层反射率测试曲线

图5为不同碳纤维含量的吸波涂层（厚度0.5 mm）和不同厚度的芳纶纸蜂窝（2、4、6、8 mm）进行匹配后测得的反射率测试曲线。图中显示，碳纤维涂层与蜂窝进行匹配后，其反射率测试曲线与匹配之前相比，得到了明显的改善。

平面电磁波的传播理论指出，电磁波由一种介质入射到另一种介质时，两种介质的本征阻抗变化越小，电磁波的在界面的反射率越低，因此要想使电磁波更好的进入吸波涂层内部，必须使吸波涂层的本征阻抗接近于空气的本征阻抗。图5中，随着碳纤维含量的增加，涂层对高频电磁波的损耗能力逐渐降低，当碳纤维含量超过0.3%(wt)后，涂层在X波段和Ku波段的吸波性能基本消失，且空气匹配层厚度的变化对涂层吸波性能影响很小。这是由于碳纤维属于电损耗材料，不具备磁损耗性能，随着碳纤维含量的增加，涂层的介电常数也随之增加，而磁导率始终近似为1，因此碳纤维涂层与空气间本征阻抗的变化幅度增大，当电磁波入射到涂层表面时大部分能量无法进入涂层内部，不能形成有效的损耗。

根据电磁波传播中的趋肤效应，在相同介质中，电磁波的趋肤深度随其频率的减小而增大。图5中，当碳纤维含量较大时，基体树脂不能完全将短切碳纤维丝分隔开，在涂层内部形成连续的导电网络，呈现出导体的性质，由于涂层厚度较小，而电磁波在频率相对较低时趋肤深度较大，因此部分电磁波可以穿透涂层。穿透涂层的电磁波虽然场强较入射电磁波减小，但频率没有发生变化，经涂层后方的金属板反射后会再次穿透涂层回到空气当中。通过调整芳纶纸蜂窝的厚度，可以调节经涂层表面和涂层后方金属板反射的两组电磁波之间的相位差，使两组波之间发生干涉现象，当涂层的反射率达到最低时，表明因干涉相消造成的能量损耗最大，此时的蜂窝厚度即为最佳匹配厚度。图5(a)显示，当碳纤维含量为0.1%(wt)时，采用2 mm厚的蜂窝，吸波性能最佳，涂层在10.8 GHz处反射率最低，达到-11.2 dB，有效吸收频段（<-10 dB）为9.5~12.2 GHz；图5(b)显示，当碳纤维含量为0.2%时，采用4 mm的蜂窝，吸波性能最佳，涂层在4.3 GHz处反射率最低，达到-23.5 dB，有效吸收频段为3.7~4.9 GHz；图5(c)和图5(d)显示，当碳纤维含量为0.3% 和0.5%时，在各自最佳蜂窝厚度下，其有效吸收频段与碳纤维含量为0.2%时较为接近，但吸收强度降低。

2.2.3 多层匹配碳纤维吸波涂层

2.2.2中的结论表明，单层碳纤维吸波涂层与蜂窝进行匹配后，吸波性能有所提升，通过调节蜂窝的匹配厚度，涂层在部分频段对电磁波造成了一定的损耗，但有效吸收带宽较窄。分析表明，碳纤维含量为0.1%(wt)时，涂层在X波段（8~12 GHz）和Ku波段（12~18 GHz）吸波性能最佳，碳纤维含量为0.2%时，涂层在S（2~4 GHz）波段和C波段（4~8 GHz）吸波性能最佳，因此，可将两种不同含量的涂层进行匹配，拓宽涂层的有效吸收频段。图6为多层匹配碳纤维吸波涂层的反射率测试曲线，上层碳纤维含量为0.1%（空气匹配层厚度2 mm），下层碳纤维含量为0.2%.（蜂窝厚度分别为2、4、6、8 mm）。图中显示，随着下层蜂窝厚度增加，涂层在低频的吸波性能逐渐减弱，在X波段吸波性能逐渐增强。当下层蜂窝厚度为2 mm时，复合涂层的有效吸收频带最宽，在4.1~13.6 GHz频率范围内反射率均<-10 dB，有效吸收带宽达到9.5 GHz；当下层蜂窝厚度为8 mm时，复合涂层在X波段具有最佳吸波性能，涂层反射率在10.9 GHz处最低达到-26.3 dB，X波段平均反射率达到-16.1 dB。

图6 多层匹配碳纤维吸波涂层反射率测试曲线

3 结论

（1）单层碳纤维吸波涂层在厚度较薄时吸波性能较差，在与空气层进行匹配后其吸波强度得到明显提升。当碳纤维含量为0.1%(wt)时，空气匹配层厚度为2 mm时，涂层在X波段和K波段吸收强度最佳；当碳纤维含量为0.2%时，空气匹配层厚度为4 mm时，涂层在S波段和C波段吸收强度最佳。

（2）将不同含量的碳纤维涂层进行匹配制备多层匹配碳纤维吸波涂层，可有效提升涂层的吸波性能。匹配方案从上到下依次为0.1%(wt)碳纤维涂层、2 mm蜂窝、0.2%碳纤维涂层、2 mm蜂窝时，有效吸收频带最宽；匹配方案从上到下依次为0.1%碳纤维涂层、2 mm蜂窝、0.2%碳纤维涂层、8 mm蜂窝时，在X波段吸波性能最佳。

［1］ MOITRA D, HAZRA S, GHOSH B K, et al. A Facile Low Temperature Method for the Synthesis of CoFe2O4 Nanoparticles Possessing Excellent Microwave Absorption Properties[J]. Rsc Advances, 2015, 5(63): 51130-51134.

［2］ 刘宏伟, 彭海龙, 高培伟,等. 水泥基吸波材料的性能研究及微观分析[J]. 功能材料, 2015, 46(12): 12150-12152.

［3］ Kato S, Yasuzumi T, Hashimoto O, et al. An experimental equation on surface impedance of short carbon fibers and apply to wave absorber[J]. Microwave & Optical Technology Letters, 2015, 53(1):166-169.

［4］ 吴红焕. 短切碳纤维和炭黑的介电性能研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2007.

［5］ 邹田春, 赵乃勤, 师春生. 活性碳纤维/树脂复合吸波材料的设计[J]. 功能材料与器件学报, 2007, 13(1): 54-58.

［6］ ZOU T, ZHAO N, SHI C, et al. Microwave Absorbing Properties of Activated Carbon Fibre Polymer Composites[J]. Bulletin of Materials Science, 2011, 34(1): 75-79.

［7］ 王永辉, 赛义德, 黄昊,等. 铁纳米粒子/碳纤维/环氧树脂基复合材料的制备和吸波性能[J]. 材料研究学报, 2015, 29(2): 81-87.

［8］ LIU Y, QIANG C. Magnetic Properties and Microwave Absorption Properties of Short Carbon Fibres Coated by Ni–Fe Alloy Coatings[J]. Bulletin of Materials Science, 2015, 38(7): 1673-1678.

［9］ WANG Z, LI K, WANG C, et al. Wave-absorbing properties of carbonyl iron powder/carbon fiber reinforced cement–based composites[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2011, 39(1): 69-74.

［10］ 李光. 多孔碳纤维的低成本制备及其作为高效吸波剂的应用研究[J]. 高科技纤维与应用, 2013, 38(1): 34-39.

［11］ 杨胜林, 李一伟, 李光, 等. Fe3O4 多孔碳纤维复合物的制备及其吸波性能研究[J]. 安全与电磁兼容, 2015, 9(4): 52-61.

［12］ 赵东林, 高云雷, 沈曾民. 螺旋形碳纤维结构吸波材料的制备及其吸波性能研究[J]. 功能材料信息, 2011, 8(4): 17-21.

Preparation and Absorbing Property of 2 mm Short Carbon Fiber Absorbing Coating

,,,,

（Department of Chemistry and Material Engineering, Logistic Engineering University, Chongqing 401311, China）

Based on the requirements of “thin, light, wide and strong” of radar absorbing coating, the radar absorbing coating was prepared by using short carbon fiber as absorbent and waterborne polyurethane as matrix resin, the aramid honeycomb was used to match with the carbon fiber coating, and the absorbing properties of the coating were tested by the vector network analyzer. The results show that the absorbing properties of single layer carbon fiber absorbing coating are poor when the thickness is thin, and the performance can be slightly improved after the matched layer is adopted. Multilayer matched carbon fiber absorbing coatings were prepared by using the aramid honeycomb to match with carbon fiber absorbing coating with different carbon fiber contents, the absorption intensity and effective absorption bandwidth of the coating were improved obviously. By changing the matching methods, the composite coating can achieve effective absorption in frequency range of 4.1~13.6 GHz.

Short carbon fiber; Aramid honeycomb; Absorbing coating; Broadband

TB 34

A

1671-0460（2017）10-2018-04

全军后勤科研计划项目，项目号：BY115C007。

2017-07-03

陶睿(1993—), 男, 重庆人，硕士研究生, 研究方向：雷达吸波材料。E-mail：itaorui@163.com。

刘朝辉（1965—），男，教授，博士，研究方向：隐身材料。