导电高分子在隐身材料中的应用(共6页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上导电高分子材料在隐身技术中的应用赵帅作者简介：赵帅（1984），男，硕士研究生，橡塑材料与工程教育部重点实验室，邮箱：。（青岛科技大学，橡塑材料与工程教育部重点实验室，青岛）摘要：本文简单的介绍一些有关隐身技术的知识，并在此基础上主要介绍了导电高分子材料在隐身技术上的应用。导电高分子隐身材料可分为结构型和复合型。两者在应用上各有优点和缺点，作者分别对其作了简单的讨论。关键词：隐身技术；隐身材料；导电高分子；碳纳米管the Application of Conductive Polymer Materials in the field of Stealth TechnologyZHAO Shuai（Qing dao University of Science and Technology, Key Lab of Rubber-Plastics of Educational Ministry, Qingdao ）Abstract: In this interview, the author introduced some knowledge about stealth technology simply. On the basis of this, the author introduced the application of conductive polymer materials in the field of stealth technology in detail. Conductive polymer stealth materials can be classified into two categories: structured and doped. Both have advantages and shortcomings, which were discussed separately by the author.Keyword：stealth technology; stealth materials; conductive polymer; carbon nanotube 1引言隐身技术作为军事领域中最热门的话题之一吸引了来自电子学、材料学、声学、光学等许多领域研究者们的广泛关注。所谓隐身技术，就是指在一定的探测环境中控制和降低各种武器装备的特征信号，使其在一定范围内难以被发现、识别和攻击的技术1。目前的探测技术主要有：雷达探测、激光探测和红外探测技术。从本质上来说，三者都是利用电磁波发射器发射一定频率的电磁波，然后利用目标反射回来的电磁波对目标进行定位。因此，目前隐身技术的关键就是利用各种方法降低反射的电磁波。隐身技术可分为有源隐身技术和无源隐身技术。所谓有源是利用计算机分析外来探测信号，并及时主动发射相应的干扰信号，已达到自身的隐蔽。例如，等离子体隐身技术、电磁对消技术和雷达干扰技术等。而无源隐身技术是一种被动的隐身技术，它包括结构技术和隐身材料技术。隐身结构技术是在尽量不影响功能的条件下降低自身特征信号，并设法减少电磁波反射截面积，即外形的设计。隐身材料技术是利用某些对电磁波有吸收衰减作用的材料来“伪装”目标，降低电磁波的反射。对于一架总体隐身效果为20dB的飞行器，其结构隐身效果为56dB，吸波材料隐身效果则为78dB2。由此可见，隐身材料技术在隐身方面发挥了重要的作用，是隐身技术的关键。美国国防部已经将隐身材料的研制列为重点发展计划，要求未来的隐身材料应具有厚度薄、质量轻、频带宽、多功能、强吸收等特点。2隐身材料隐身材料是通过对电磁波的吸收而实现隐身的，因此，一方面要使电磁波最大限度的进入材料内部而不被表面反射；另一方面要使进入材料的电磁波最大限度的被吸收。要满足以上两个条件，材料的电磁参数应当相互匹配3。 = - j” (1) = - j” (2)式中： 材料的复介电常数；、” 复介电常数的实部、虚部； 材料的复磁导率；、” 复磁导率的实部、虚部。、 分别表征电介质储存电荷或能量能力、磁介质储能能力； ”、”表征电介质和磁介质损耗能量的能力。 研究表明，当= 时，材料表面对电磁波的反射率较少，而”和”越大，电磁波损耗越大。按照吸波材料的损耗机理可分为：电损耗型和磁损耗型。针对未来隐身材料“薄、轻、宽、强”的要求，目前各国正在积极发展新型隐身材料，从目前的报道接过来看，主要有以下几类：导电高聚物、纳米隐身材料、手性材料、多晶铁纤维、耐高温陶瓷以及盐类吸收剂。其中，导电高分子材料由于具有独特的物理化学性能、电磁参数可调、表观密度低、易加工成型等特点，将其与无机磁损耗物质复合，可望发展成为一种新型的轻质宽频隐身材料。因而导电聚合物作为新型隐身材料备受世界关注。自20世纪90年代开始，美、法、日等国开展了导电高分子雷达吸波材料的研究，设想将其作为未来隐身战机及侦察机的“灵巧蒙皮”，以及巡航导弹头罩上的可逆智能隐身材料等。3导电高分子隐身材料3.1导电机理导电高分子材料可分为结构型和复合型。前者本身具有导电因素（如p共轭结构），利用化学或电化学掺杂形成新的载流子（孤子或极化子）导电。主要有p共轭型（如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等）、金属型螯合物（如聚铜酞菁等）、电子转移络合物（如聚阳离子Co络合物等）。其导电性来源于单极化子、双极化子和孤子的存在与跃迁。表1是常见聚合物掺杂的室温电导率。复合型导电高分子即在利用物理化学方法（共混或表面镀层等）在普通高分子材料中掺杂导电物质而形成的既具有一定力学性能，又具有导电性的高分子材料3。表1 常见聚合物掺杂的室温电导率聚合物掺杂剂电导率S/cm聚乙炔I2,AsF5,FeCl3,Li,Na,K10-10105聚吡咯(PPY)ClO4-,BF4-,SO42-,Br2,I210-8102聚噻吩(PTH)I2 ,FeCl3, Li,SO310-8102聚对苯乙烯(PPS)I2,AsF510-16103聚苯胺(PANI)ClO4-,BF4-,SO42-10-10102导电高分子材料可以在绝缘体（<10-10S/cm）、半导体（100S/cm10-10S/cm）、导体(1020S/cm>>100S/cm)之间变化。研究表明，当电导率<1´10-4S/cm时，无明显吸波特性；当1´10-4S/cm<<1S/cm时,材料呈半导体性质，有较好的微波吸收特性；当>1S/cm时，材料呈金属特性，具有电磁屏蔽作用，对微波几乎全反射；在10-91S/cm之间，吸波特性随电导率的增加而增加3,7。3.2结构型导电高分子隐身材料结构型导电高分子的吸波机理主要是电损耗和介电损。在电磁波的作用下，一方面材料被反复极化，分子电偶极子力图跟上电磁场的振荡而产生分子摩擦；另一方面由于材料的电导率不为零，电磁波在材料中形成感应电流而产生热量，从而使得电磁波能量耗散3。材料良好的电导率有利于电磁波的吸收，但高的电导率同时会增加材料表面的对电磁波的反射。通过调节高分子的制备工艺、掺杂剂种类和浓度等可以得到所需的电导率。另外，结构型导电高分子材料具有大p共轭电子体系，表现出了高的介电常数和介电损耗，而介电损耗与材料的吸波性能有关。介电损耗越大，材料的吸波性能越好。结构性导电高分子虽然在隐身方面具有很好的吸收特性，但是，由于其分子链结构具有大p键共轭结构，并且往往含有环状结构，造成其分子链刚性大，分子间作用力强，脆性大，熔点非常高，并且在加热的过程中往往没有熔融便裂解气化，因此，很难用传统的方法（挤出、注射、模压成型）对其进行加工。目前，结构型导电高分子在使用时主要有两种途径：一是利用原位合成方法直接在基体表面形成一层均匀致密的导电高分子膜，从而起到导电和隐身作用。魏琦等8以水溶性高分子聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为空间稳定剂,在经十八烷基三氯硅烷(OTS)改性的玻璃表面进行原位聚合,沉积得到导电聚苯胺(PANI)薄膜。结果表明薄膜的电导率达到7.5×10-3S/cm。二是将导电高分子作为吸收剂与普通聚合物复合，使其具有良好的加工性能和隐身性能。M.Franchitto等9将十二烷基苯磺酸（DBTS）掺杂PANI与乙丙橡胶共混制成3mm厚复合材料，其在812GHz频段的反射率低于-6dB，峰值达到-15dB。另外，对于结构型导电高分子，虽然其结构中含有导电因素，但这种导电因素处于“休眠”状态，需要通过激发而使其具有导电性。目前主要有两种途径：电子掺杂与空穴掺杂。无论是电子掺杂还是空穴掺杂，这两种方法都涉及到了小分子的使用（见表1），而这些小分子在材料的使用过程中往往是不稳定的，很容易释出或发生副反应，使材料的力学性能以及导电性能遭到破坏。因此，小分子掺杂剂的稳定性问题必须引起我们的注意。3.3复合型导电高分子隐身材料复合型导电高分子隐身材料是将具有电损耗性的物质（如石墨，乙炔炭黑，碳纳米管和导电高分子）作为吸收剂，掺杂到橡胶或树脂基质中。相对于结构型导电高分子材料合成困难、成本高等缺点，复合型导电高分子材料成本低、加工方便、可设计性强，因而无论在涂覆型隐身材料还是在结构型隐身材料方面都得到了广泛应用。近几年来，在高分子复合材料领域，碳纳米管由于其优异的结构特点碳纳米管超高的长径比（>1000）、相对较低的密度和突出的物理机械性能，在发现之初就被视为复合材料的理想增强填料。此外，基于其卓越的导热性、高温稳定性和优良的电性能，作为填料的碳纳米管在改善复合材料的热性能和电性能方面极富潜力。这为制备高性能化(高强度)和多功能性（兼具高强度和优异的热、电、磁、光等性能）聚合物基纳米复合材料开辟了新的途径。更吸引人的是，碳纳米管的一维纳米尺寸特点，使其在隐身材料方面极具潜力。研究表明，由于纳米材料自身具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应，以及与常规固体材料相比，纳米材料的表面原子数急剧增多，从而大大增加了活性。在电磁场的辐射下，原子、电子运动加剧，促使磁化，使电磁能转化为热能，因而增加了对电磁波的吸收。另外，由于碳纳米管具有中空结构和巨大的比表面积（300m2/g），因而可以通过孔内填充和表面包覆磁性材料（Fe、Co、Ni等）。这为制备同时具有电损耗和磁损耗的微波吸收剂提供了可能。沈曾民、赵东林11用竖式炉流动法制备了碳纳米管,碳纳米管的外径40nm70nm,内径7nm10nm,长度50m1000m,呈直线型,用化学镀法在碳纳米管表面镀上了一层均匀的金属镍。碳纳米管吸波涂层在厚度为0.97mm时,在8GHz18GHz,最大吸收峰在11.4GHz (R=-22.89dB) , R<-10dB的频宽为3.0GHz , R<-5dB的频宽为4.7GHz。镀镍碳纳米管吸波涂层在相同厚度下，最大吸收峰在14GHz(R=-11.85dB),R<-10dB的频宽为2.23GHz， R<-5dB的频宽为4.6GHz。碳纳米管表面镀镍后虽然吸收峰值变小,但吸收峰有宽化的趋势,这种趋势对提高材料的吸波性能是有利的。林海燕等10采用二茂铁热分解原位沉积法制备了Fe填充碳纳米管吸波材料。研究表明，当吸收层匹配厚度为dm=3.5mm 时,13.117.32GHz 中高频范围内，反射衰减最大达- 22.73 dB，反射衰减小于- 10 dB 的频宽达4.22 GHz。未填充Fe的碳纳米管其最大反射损耗及其对应- 10 dB的最大频宽分别为- 11.29 dB和2.13GHz。碳纳米管中Fe 的填充对材料的磁损耗有着重要的影响，继而对其吸波性能产生了很好的损耗作用。但是，复合型导电高分子有两个重要的问题需要考虑。首先是吸收剂的分散问题。尤其当吸收剂是无机纳米材料时，分散性问题尤其重要。由于纳米材料的比表面积较大，颗粒之间的吸附性很强，并且对于无机材料来说，表面能一般很小，表面难以湿润。因此，在树脂中往往团聚，分散不均匀，造成复合型导电高分子材料的电学性能和吸波性能下降。其次是吸收剂与基质的粘合问题。粘合问题具体来说就是吸收剂与基质的界面问题。如果界面粘合性差，材料的宏观力学机械性能就会受影响。从而使材料的应用受到限制。例如，目前的涂覆型隐身材料寿命很短，在使用时经常出现裂纹脱落现象，一旦出现这种情况，就需要重新进行涂覆。不但影响了武器的使用，而且使成本大大提高。在分散性和粘合性两个问题上，碳纳米管尤为突出。由于其极高的长径比、大的比表面积和化学惰性，碳纳米管在基质中往往相互缠绕在一起，分散极度不均匀。并且在力学测试中在材料断裂表面经常会发现“裸露”的碳纳米管，这说明碳纳米管与基质在界面处的粘合力很弱。最近几年来，针对这两个问题，各国的科学家展开了广泛的研究而且已取得了巨大的进展。4 前景展望导电高分子材料由于具有独特的物理化学性能及电磁参数可调等优点，使其在未来“薄、轻、宽、强”的隐身材料领域占有重要一席之地，是未来隐身材料领域发展的新型材料之一。 结构型导电高分子的加工成型问题和小分子掺杂剂的稳定性问题，复合型导电高分子材料中吸收剂在基质中的分散和界面粘合问题，以及导电高分子材料吸波频带的展宽问题等一系列问题，是目前导电高分子隐身材料领域厄待解决的问题，也是未来研究的热点。参考文献:1 JONES J. 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