轻质隔热雷达吸波复合材料-职教中心 (1)

轻质隔热的雷达吸波复合材料徐海霞1 肖建雄2 乔丽燕2 黄洁2(1.靖边职教中心，靖边718500；2.西北大学化工学院，西安710069)摘要：研制了碳纤维/玻璃纤维复合材料，此复合材料不仅可达到轻质、吸收电磁波的特性还具有高温热导率低的优良特点。

材料的密度通过加工工艺调节可介于0.1~1.2g/cm3远小于一般复合材料的平均密度。

同时复合材料在500℃测试时可达到0.17(w/m.k)的热导率隔热性能良好。

介电方面，首次通过不同长度碳纤维的混杂达到了调节介电的目的。

3mm、2mm 混合碳纤维与2mm碳纤维相比,可在一定的范围内调节介电常数。

关键词: 复合材料、介电常数、导热系数、轻质中图分类号：TB34文献标识码：A 文章编号：引言：雷达吸波材料首先用于军事领域的武器隐身，是应对雷达探测技术应用而生的，目的是改变雷达信号的传播方向或降低特征信号的传输来提高武器系统的生存能力。

同时21世纪科学技术的迅速发展使手机、电脑、各类电气设备为我们提供了便利与舒适的同时也给人们带来了电磁干扰。

它不仅影响电子设备的正常运行同时也影响到了人类的身体健康，已被视为第四类污染。

利用电磁屏蔽材料是一种有效的方法来屏蔽电磁辐射[1-3]。

因此，微波吸收材料已越来越多地受到军事、工业和民用领域的关注。

由于碳纤维具有耐磨性、耐腐蚀、低密度和显著的各向异性、高强度、高模等许多优异的性质，本文采用传统的碳纤维为吸收剂，玻璃纤维为增强体混杂制作新型的隔热吸波材料。

目的是为军事和高温工业领域提供一种可耐高温的隔热吸波材料。

这方面的研究目前还没有相关的报道，一方面是由于一般的吸收剂，即使吸波性能较好的磁性材料遇高温其吸波特性就会急剧下降，另一方面虽然特殊的玻璃纤维有良好的耐热性能也只是单纯的作为隔热材料或增强材料。

本文尝试了两种纤维的混杂使其具有双重功能的复合材料。

1 实验1.1 原料及仪器玻璃纤维：南京纤维研究院生产的高硅氧玻璃纤维，直径3um，长度为6mm；粘结剂：硅溶胶（w(固体SiO2)=26%）；分散剂：羧甲基纤维素：宁波市海曙纤维素衍生物厂；吸收剂：3mm碳纤维，具体参数见表1。

复合材料中碳纤维的分散状况用：XTL-Ⅱ型照相体视显微镜观察；介电性能测试在2.6 - 12.4GHz频率范围内采用Aglient PAN系列网络分析仪。

热导率采用根据GJB1201.1 – 91（固体的热扩散率检测法—激光脉冲法)测试的纤维复合材料的导热系数。

表1 3mm碳纤维的性能指标Table 1 Properties of 3mm carbon fiberName Diameter/um δ/%ρ/g·cm-3σb/Mpa E/GPaC f7~10 14 1.8 >3000 2301.2 复合材料的制备按比例分别称量一定质量的碳纤维、玻璃纤维、分散剂，机械搅拌法是把已称好碳纤维、分散剂在200ml的烧杯中混合后加入适量的水机械搅拌1h。

把已称好的碳纤维、分散剂在200ml的烧杯中混合并加入适量的水超声波震荡30min。

已分散好的混合液倒入1000ml的玻璃烧杯中并加入一定量的水稀释后加入玻璃纤维手动机械震荡分散，混合纤维悬浮液经布氏漏斗过滤真空泵抽滤，100℃ 6h烘干，浇注一定体积的硅溶胶后，在120℃ 8h烘干取出，可得碳纤维/玻璃纤维复合纤维毡。

2．结果与讨论2.1材料的隔热性能表 2 样品参数Table 2 Parameters of the Sample序列号试样直径￠/mm 试样厚度L/mm 材料密度g/cm31# 12.60 1.62 0.1752# 12.36 1.98 0.4623# 12.60 1.90 0.6424# 12.66 1.98 1.0605# 12.50 1.97 1.113材料导热有以下三种机理：热传导、对流传热和辐射传热。

在温度较高时，特别是高于500℃时，辐射传热是材料导热的主要贡献者，其导热系数与温度成四次方。

本实验测试温度低于500℃，导热系数主要有热传导和对流传热贡献。

玻璃纤维、碳纤维复合时随机排布交织成网状结构，浇筑硅溶胶基体构成一种多孔结构的复合材料。

通过加压改变孔隙率从而改变复合材料的密度。

从图1的导热系数看，导热系数严重依赖于样品的密度，随着试样密度的增大，导热系数增大。

室温高于300℃后，导热系数增长较快；可以解释这一现象为：在升温起始固体传热为导热系数的主要贡献者，当温度高于300℃后，随着温度的增加分子运动加速、分子碰撞频繁使导热系数升高。

2号样本的导热系数异常是由于样品比标准样小，（标准直径12.7mm 0.3mm ）。

较小的2号样本在测试时不能很好的填满测试的仪器，所以热气流可以从一边直接流向另一边，直接的热对流使导热系数增加明显。

2.2不同碳纤维长度复合材料的介电性能0.00.10.20.30.40.5T h e r m a l c o n d u c t i v i t y (λ)Temperature(℃)图1样品的导热系数与不同的密度Fig.1 The thermal conductivity of sample with different densityT h e r e a l p a r t o f t h e p e r m a b i l i t yFrequency(GHz)T h e i m a g i n a r y p a r t o f t h e p e r m e a b i l i t yFrequency(GHz)为了探讨不同长度碳纤维混杂复合材料的复介电常数，我们选择三种不同长度的短切碳纤维，分别是2mm 、3mm 、4mm 。

利用矢量网络分析仪在2.6GHz —12.4GHz 波段内进行了测试。

图2为不同长度碳纤维复合材料的实部，图中表明随着碳纤维长度的增加，介电常数的实部下降，同时都随着频率的增加而降低有明显的频响效应。

现象可解释为：随着纤维的增长，电阻增大从而使介电实部随长度的增加而降低。

同时随着纤维的增长，及长径比增大更容易形成导电网络以及漏电电流增加[4,5]；从而使介电常数的虚部随碳纤维的增长而增大[6,7]。

但是图2中我们发现3mm 、4mm 碳纤维都有明显的频响效应；而2mm 碳纤维的虚部有一些不同，它不具有频响相应，虚部随着频率的增加从2.0增加到2.5，说明不同长度的碳纤维它的损耗机理肯能不同。

因此我们探索了不同长度碳纤维混杂复合材料的制作与测试。

2.3不同长度碳纤维混杂复合材料的介电性能以3mm 碳纤维复合材料的介电常数为基准，保持碳纤维总量3%，加入1.5%的2mm 碳纤维和1.5%的3mm 碳纤维混杂制作碳纤维复合材料所得的介电常数如图3，从图中可知，混杂碳纤维可以调节介电常数。

如2mm 碳纤维复合材料的实部随频率的增长，从8.7降低至7.7；虚部从1.7增至2.5；3mm 碳纤维复合材料的实部从5.0降至3.5，虚部从7.0降至3.5；而2mm 、3mm 混杂的碳纤维复合材料介电常数的实部、虚部都有很大的变化，实部保持在6.3左右，虚部3.0增至3.8，调整的范围介于2mm 、3mm 的范围内，同时介电常数随频率的变化较小。

此方法可在一定得范围内连续调节介电常数从而改善吸波性能，是个有益Fig.2 The complex permittivity of the fiber felt with different length of short carbon fibers weight concentrations 3% as a function of frequencyT h e p e r m a b i l i t yFrequency(GHz)3结论实验自制了碳纤维复合材料，材料的质量较轻，在500℃下，导热系数低于0.17W/(m.K)，隔热性能较好。

在一定的范围内，可用混杂不同长度的碳纤维进行介电常数调节，可实现介电常数的连续性调节，这对于改善吸波性能很有意义。

参考文献[1]王翠平，方庆清，李民权，等. 网状织物基多层材料的吸波性能研究[J]. 材料开发与应用; 2008,23 (4) : 5-8.[2] 王海滨，刘树信，霍冀川，等.无机吸波材料研究进展[J]. 硅酸盐通报；2008,27 (4): 774-778.[3] 于杰. 碳纤维/树脂基复合材料导电性能研究 [D].武汉：武汉理工大学；2005.[4] 刘顺华，刘军民， 董星龙， 等. 电磁波屏蔽及吸波材料[M].北京: 化学工业出版社, 2007. [5] Po Chul Kim, Dai Gil Lee. Composite sandwich constructions for absorbing the electro-magnetic waves. Composite Structures 2009,87: 161–167.[6] S. Groudeva-Zotovaa, R. Kozhuharovaa, D. Elefanta, T. Muhla, C.M. Schneiderb, I. Monch.Phase composition and magnetic characteristics of Fe-filled multi-walled carbon nanotubes. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 2006, 306: 40–50.Lightweight and heat insulation radar absorbing composite materialsXU Hai-xia 1, XIAO Jian-xiong 2, QIAO Li-yan 2, HUANG Jie 2Fig.3 The complex permittivity of the fiber felt with different length of short carbon fibersweight concentrations 3% as a function of frequency(1.County Vocational Education Center of Jing Bian 718500,China; 2.College of Chemical Engineering,NorthwestUniversity,Xi’an 710069,China)Abstract: Microwave absorbing and insulation properties of the fiber felt was researched in this paper. The result showed that the insulation properties heavily depend on density of the fiber felt and the thermal conductivity is lower than 0.17W/(m.K), when the density is 0.175g/cm3 at 500℃. In the dielectric properties aspects, with the length of the carbon fiber increasing, the real part of fiber felt increased, while the imaginary part decreased. It was also found that the dielectric performance of fiber felt can optimize with different length of carbon fiber mixed . For 3mm mixed with 2mm carbon fiber , compared with 2mm carbon fiber of the fiber felt , can adjustment. dielectric constant in a certain range.Key words: Composite materials; permittivity; thermal conductivity; lightweight。