碳纤维吸波材料的研究进展_吴红焕

碳纤维吸波材料的研究进展

吴红焕,王晓艳,张　玲,朱冬梅,周万城

(西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072)

摘要 通过对碳纤维在复合材料中吸波性能的研究,得出通过控制碳纤维的长度和含量,以及采用化学掺杂或异型截面是得到频带宽、厚度薄、质量轻、吸收强结构吸波材料的有效方法,同时大力开展螺旋碳纤维和碳纳米管的研究是加快进展的新方向。

关键词 碳纤维　吸波材料　碳纳米管　化学掺杂

中图分类号:TQ342+.742 文献标识码:A

Present Development of Absorbing Composites Containing C arbon Fibers WU Honghuan,WAN G Xiaoyan,ZHAN G Ling,ZHU Dongmei,ZHOU Wancheng (State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical University,Xi’an710072)

Abstract The characteristic and transforming methods of short carbon fibers are discussed in this paper,in2 cluding additive lengths,contents,adulteration and non2circular section.Controlling the length and content of carbon fibers and exploiting adulteration and non2circular section are effective methods to get“wide,thin,light,strong”structure absorbing materials.At the same time,coiled carbon fibers and carbon nano2pipes are the new direction to ac2 celerate development.

K ey w ords carbon fiber,absorbing material,CN Ts,chemical adulteration

0　前言

雷达吸波材料是指能吸收、衰减入射的电磁波,并将电磁能转换成热能而耗散掉,或使电磁波因干涉相消的一类材料。它由吸收剂与能透过雷达波的基体材料复合而成,经历了由单一纤维到混杂纤维、由次承力件到主承力件、由热固性树脂到热塑性树脂的发展过程[1～3]。除一般的吸波材料外,隐身用的特种碳纤维是制造吸波材料的关键。碳纤维结构吸波材料具有承载和减少雷达比反射面的双重功能,是功能与结构一体化的优良微波吸收材料。与其它吸波材料相比,它不仅具有硬度高、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。通过研究碳纤维的吸波性能和吸波机理,并对纤维吸收剂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课题[4,5]。但目前国内对碳纤维吸波材料的理论研究与实际应用之间仍存在一定差距,亟需进一步突破。由于连续碳纤维对雷达波易产生强反射作用,而短切碳纤维在材料中随机分布,改善了这方面的性能,对雷达波有较好的吸收性能。本文从短切碳纤维的吸波性能出发,总结了碳纤维的吸波特性及改性措施。

1　短切碳纤维的吸波机理及影响因素

1.1　短切碳纤维的吸波性能及频响机理

连续碳纤维对雷达波产生强反射作用,主要是因为电磁场在碳纤维中形成了较大的连续传导电流。而短碳纤维在基体当中的吸波机理目前基本存在两种解释[6],一是认为短切碳纤维在吸波材料中起半波谐振子的作用。在短切碳纤维的近区存在似稳感应场,此感应场激起耗散电流,在周围基体作用下,耗散电流被衰减,从而使雷达波能量转换为其他形式的能量,主要为热能。另一说法认为在含短切碳纤维的吸波材料中,可以把短切碳纤维作为偶极子。短切碳纤维偶极子在电磁场的作用下会产生极化耗散电流,在周围基体作用下,耗散电流被衰减,从而使雷达波能量转换为其它形式的能量。

碳纤维吸波材料是一种介电型吸波材料,与磁性吸收剂相比,介电常数控制是吸收剂研究的重点和难点,而介电常数频散效应的控制则是宽频带吸收所必须追求的目标。因此,研究碳纤维吸波材料频响效应的机理至关重要。频响效应就是随着频率的增加,介电参数的实部、虚部下降,损耗增加的现象。其本质是在频率变化的过程中,电极化出现了极化的惯性或滞后性,以至于在不同频率电场中极化来不及响应电场的变化而出现的现象。根据电磁波理论,随着频率的增加,当电磁波在碳纤维导体表面产生涡流时,在导线截面上的电流分布将越来越向导线表面集中,即产生趋肤效应现象。趋肤效应越明显,产生的涡流损耗越相应地增加,从而导致电磁波的消耗。电磁波在碳纤维之间传播时,除了涡流损耗外,在每束碳纤维之间的部分电磁波还会经散射发生类似相位对消现象引起损耗增加[7]。

1.2　添加最佳长度和含量的探索

邢丽英等[8]研究了掺混短碳纤维的复合材料在电磁波作用下某些宏观物理量的响应特性。结果表明,调整纤维长度及含量可在很宽范围内改变材料的电磁参数与衰减量;不同长度的短碳纤维在介质中的最佳填充量不同,当纤维的长度接近传输

　吴红焕:女,1982年生,硕士,主要从事碳纤维结构吸波材料研究　Tel:029*********　E2mail:whh—8278@

波长的1/2时可对电磁波起到较大衰减作用。赵乃勤等[9]对碳毡的研究表明,碳毡含量对吸波性能的影响存在一个最佳值。碳毡含量太少时,造成了基体内部导电通道的不连续,削弱了材料产生涡流损耗的能力;含量太高时,显示出强反射特征;并由此制备出碳毡最佳含量为0.27wt%时,材料的吸波性能最佳,最大吸收峰值达到-36.2dB,反射衰减几乎全部在-10dB以下(即吸收率大于90%)。西北工业大学[10]也系统地研究了8～12GHz下碳纤维含量、纤维长度(0.5～7mm)对树脂基复合材料微波介电参数的影响,发现碳纤维的长度和分散状态对复合材料的介电性能有重要影响,3～4mm碳纤维复合体的介电常数值及损耗最大。同时也研究了碳纤维含量在0.5%～3%范围内对介电参数值的影响,结果发现,4mm以下的碳纤维复合体介电性能有一定的规律性,随着碳纤维含量增加,介电参数值及损耗增大,得出碳纤维在树脂基复合材料中的最佳填充量在3%以上;4mm以上碳纤维复合体的介电参数无明显规律。甘永学等[11]研究表明,随着碳纤维含量的增加,复合吸收剂介电常数的实虚部均增大;而当导电纤维含量增加到一定值后,介电常数值有所降低。因此在复合材料设计中应该寻找这一最佳含量以达到电磁参数和衰减损耗的最优化。

1.3　获得优良吸波性能的探索方法

1.3.1　化学掺杂及表面改性

碳纤维是一种电阻率很低的电损耗吸波材料,电磁波入射到纤维的表面被反射出来,不能直接用于吸波涂层,所以应对其进行表面金属化处理或化学掺杂以改善电磁导率,使其成为电磁损耗型吸波纤维。高文等[12]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,研究表明: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β2SiC晶体,是SiC纤维的晶型。马铁军[13]以碳毡为骨架,通过沉积镍或镍铁合金,可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9GHz和17GHz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[14]用溶胶2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。曾祥云等[15]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。王海泉[16]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2GHz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15～35GHz频段内也具有良好的电磁波吸收性能,有效带宽超过5GHz,最大吸收峰达到-15dB。孟辉等[17]研究了镀镍的碳纤维与羰基铁粉混合制备的涂层,结果表明,其可起到减小一定面密度的效果,单独使用羰基铁粉的涂层的面密度为3.5kg/m2,而碳纤维/羰基铁粉涂层面密度则为3.2g/m2,同时反射率小于-5dB的频宽明显加宽,且向低频移动。

1.3.2　碳纤维的排布方式及吸波机理

纤维取向不同而导致的各向异性在电性能上表现较为突出,因此碳纤维在复合体中的排布方式尤为重要。沿纤维轴向,由于电流沿纤维长度方向流动具有很大的导电率;沿纤维径向,则由于电流不能洞穿纤维间的空隙而只能在横截面上流动,其导电率要小得多。所以不同的纤维排布方式会对纤维吸波效果产生差异。王晓红等[18]研究了不同铺层方式碳纤维复合材料的微波反射特性,结果表明,单向纤维铺层中,随着纤维与电场方向的夹角增大,材料的反射系数降低,纤维与入射电场方向的夹角绝对值是90°时反射系数最小。郭伟凯[19]的研究表明:垂直排布方式制得的碳纤维/环氧树脂复合吸波材料的吸波性能呈各向同性,其吸波性能优于碳纤维平行和正交排布方式下制得的吸波材料性能;碳纤维间距为偶数的吸波性能优于间距为奇数的;间距成倍数关系时,它们的反射衰减曲线趋势一致。赵东林等[20]也研究了2～18GHz碳纤维间距、排布方式对材料吸波性能的影响,结果发现垂直平行交替排布的吸波性能优于单纯垂直排布和平行排布,在8～18GHz电磁波吸收率高于90%,而厚度仅为4mm,达到实际应用的水平。另外,垂直排布时在高频段的吸波性能有继续增大的趋势,是一种可在厘米波段甚至毫米波段性能优异的吸收剂。赵乃勤等[9]也研究了碳纤维单向排布时材料吸波性能与纤维之间的距离及纤维含量的关系,实验在间距为8mm,1000根/束的条件下,得到了-24.7dB 的反射衰减,有效带宽为3GHz。表明间距不同,材料的最大吸收峰值的位置不同。随着碳纤维间距的减小,最大吸收峰位置向高频方向移动;含量增加后,材料的最大吸收峰值下降。邹田春[21]也分别研究了平行和正交排布碳纤维复合材料的微波吸收特性,结果表明: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;随纤维间距的缩短,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8mm时,可获得有效带宽4.7GHz、最大吸收峰值-21.6dB的反射衰减。

1.3.3　异型截面纤维的吸波特性

异形截面碳纤维除具有优异的力学性能外,还具有某些特殊光电磁功能。改变碳纤维的截面形状和大小,对吸收雷达波的影响十分显著。美国、日本在异形截面碳纤维研制中处于领先地位。美国的F2117、B22和F222隐身飞机都大量使用了这种异形截面碳纤维,具有优异的“隐身”性能。文献[22]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。美国把碳纤维与很多树脂的复丝或单丝混杂编制的复合材料,就像微波暗室结构一样,有许多微小的角锥,具有良好的吸波性能。美国Clementon大学的先进工程纤维中心对异形截面沥青基碳纤维进行了详细研究[23,24],发现异形截面碳纤维可以承受较大压应力和纤维特有转动惯量。何燕飞等[25]制备了角锥高1.5cm、底座高0.35cm、尖顶角45°的碳纤维和磁性微粉复合的小尺寸角锥型吸波材料,其具有良好的吸波性能,材料在2～18GHz频率范围内的反射率在-10dB以下,3.72GHz处峰值反射率达-20.86dB。北京化工大学[20]也开展了异形截面碳纤维的研究,并成功制备出力学性能优异的异形截面中间相沥青基碳纤维,对其微波电磁特性进行了初步研究。结果表明,这种碳纤维不仅具有较高的介电损耗,而且还具有较高的磁损耗,是一种非常有潜力的吸波碳纤维。

异型碳纤维的吸波机理是:用这种非圆形特种碳纤维与其他纤维混杂编织成三向织物,就像微波暗室结构一样,具有许多