微量碳纤维_树脂复合吸波材料的研究.pdf

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1、微量碳纤维/树脂复合吸波材料的研究3邹田春,赵乃勤,师春生,李家俊,郭伟凯(天津大学 材料科学与工程学院,天津300072)摘 要: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,并对碳纤维的吸波机理和吸波性能的影响因素(纤维间距、支数)作了初步探讨。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具有吸波性能;随纤维间距的减小,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。本实验条件下当纤维间距为8mm时,可获得有效带宽4.7GHz、最大吸收峰值-21.6dB的反射衰减。关键词:吸波材料;碳纤维;

2、平行排布;正交排布中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:100129731(2005)11216892041 引 言碳纤维是结构型吸波材料较常用的纤维之一。国内外已有文献报道,普通碳纤维对电磁波具有较强的反射性,其反射衰减效果与铝合金相似15。为改善碳纤维的吸波性能,普遍采用的方法是对碳纤维进行改性处理,制备特种吸波碳纤维,这项研究目前主要集中在异型截面碳纤维、低温烧制特定范围电导率的碳纤维以及对碳纤维进行掺杂改性和表面改性上68。特种碳纤维虽然具有较好的吸波性能,但其昂贵的价格和复杂的工艺限制了它在民用领域的广泛应用。本研究采用价格相对低廉的普通碳纤维做为结构吸波材料的吸收剂是一个新

3、的尝试。研究发现,当普通碳纤维在基体中少量加入(纤维含量约0.2%(质量分数),并以特定方式排布时,纤维显示出良好的吸波性能。2 实 验2.1 实验材料实验材料采用的碳纤维是聚丙烯腈(PAN)长碳纤维(吉林碳素厂生产),支数(一束碳纤维所含纤维的根数)为1000根。基体为环氧树脂,型号E244(无锡树脂厂生产),固化剂为低分子聚酰胺,型号203#(天津延安化工厂生产),并在电磁波入射的方向上辅以玻璃纤维布来实现材料与自由空间的阻抗匹配9。2.2 试样制备工艺试样的制备采用复合材料成型压缩模塑工艺,在四柱式手动油压机上热压成型。在自制的纤维排布模具上排布一定间距的碳纤维,同时把预先准备好的成型模

4、具预热。先加入部分环氧树脂,逐一放入玻璃纤维布、碳纤维,充分浸润,继续加入环氧树脂,随后开始缓慢加压,在加压过程中不断减压放气,在60、10MPa条件下固化2h,保持一定压力冷却至室温,开模获得试样。根据测试标准,试样尺寸为180mm180mm4mm。试样剖面图如图1所示。碳纤维平行、正交排布吸波材料结构示意图如图2所示。图2 微量碳纤维吸波材料试样结构示意图Fig 2 Construction of microwave absorbing materialscontaining micro content carbon fibers2.3 吸波性能测试按照GJB2038294的规定,采用弓形

5、测试法测量。所用的是线极化平面电磁波,电场方向与入射面垂直。测量范围为218GHz。3 实验结果与讨论3.1 碳纤维平行排布间距对吸波性能的影响图3(a)、(b)分别是碳纤维排布方向与测试的入射电磁波电场方向平行和垂直时的反射衰减曲线。试样1#、2#、3#和4#均以1000根/束的碳纤维为吸收剂,纤维束平行排布于环氧树脂基体中制成复合材料。1#、2#、3#、4#试样中每束碳纤维之间的间距依次递增,分别为2、4、6、8mm。由图3可见,碳纤维排布方向与电场方向平行时有较好的衰减特性,最大衰减达-20dB;碳纤维排布方向与电场方向垂直时几乎没有吸波性能,最大衰减不超过-3dB。由此可知,碳纤维98

6、61邹田春 等:微量碳纤维/树脂复合吸波材料的研究3基金项目:天津市自然科学基金重点资助项目(013616911)收到初稿日期:2005203230收到修改稿日期:2005208203通讯作者:邹春田作者简介:邹春田(1976-),男,黑龙江佳木斯人,在读博士,师承赵乃勤教授,从事吸波材料的研究。平行排布的吸波性能呈各向异性。碳纤维排布方向与电场方向平行时,4个试样均在某个频率下出现最大吸收峰,且随着纤维间距的减小,最大吸收峰有向高频方向移动的趋势,可见碳纤维束间距的减小提高了材料高频段的吸波性能。3.1.1 碳纤维对电磁波的损耗机理碳纤维是一种典型的电阻损耗型吸收剂,它对电磁波的吸收主要是由

7、涡流损耗和相位对消引起的。根据电磁学理论10,随着频率的增加,当电磁波在导体表面产生涡流时,在导体截面上的电流分布将随频率的增加越来越向导体表面集中,这种现象被称为趋肤效应。趋肤效应越显著产生的涡流损耗相应地增加,从而导致电磁波的衰减。当f=218GHz时,可计算出电磁波对碳纤维的趋肤深度介于12.64.1m,而一束碳纤维(1K)的直径约为500750m,这时的趋肤效应已经很明显,并且随着频率的增大电磁波的损耗也不断增加,这与图3中4个试样的变化规律相一致。图3 间距对吸波性能的影响Fig 3 The effect of the space between carbon fibers onth

8、e reflection loss 电磁波在碳纤维之间传播时,在每束碳纤维之间的部分电磁波经反射而发生类似相位对消现象11,即当两列反射波为等幅、相差180 时,这两列波相互对消从而减少了电磁波的反射,消耗部分电磁波的能量。对每一块试样而言,一束碳纤维与另一束碳纤维之间是等距且单一的,相对于电磁波在微波频段内的波长,它必然只对应着一个频率f0,在这个频率下,电磁波的相位对消达到它的最大值,即f=f0时,相位对消所消耗的功率有最大值。3.1.2 最大吸收峰随纤维间距减小向高频方向移动原因的初步分析碳纤维中的高频交变电流除引起涡流损耗外,还会激发新的电磁场,即发生电磁辐射12。因此,碳纤维阵所形成

9、的反射波是由两部分波叠加而成的,它们分别是碳纤维电磁辐射形成的反射波和碳纤维对入射波的直接反射等其它原因形成的反射波。本文以?E辐表示由碳纤维阵的电磁辐射形成的反射波的电场。?E辐的计算公式可由图4中的吸波材料的简化模型导出。以碳纤维各中点为x轴,垂直于碳纤维平面为z轴建立坐标系。这种碳纤维平行排布可用等幅同相均匀直线天线阵结构12模拟。如图4抽象出的碳纤维阵由N个碳纤维单元组成,单元轴线相互平行中点排列成一条直线间距为d,每个单元上感应电流、振幅彼此相等且同相。图中P点为碳纤维阵上方,距离碳纤维阵较远处的任意一点(P点与碳纤维阵的距离r纤维间距d)。图4 碳纤维平行排布吸波材料结构模型Fig

10、 4 Model of microwave absorbing materials contai2ning parallel2arranged carbon fibers 以纤维1作参考,纤维1在P点产生的电场为?E0,则纤维阵在P点产生的总场?E辐为:?E辐=?E0+?E1+?E2+?EN-1=?E01+ej+ej2+ej(N-1)取绝对值,有:?E辐=?E0sinN2sin2=?E0fn()式中:=kdsin(k为波数),fn()=sinN2sin2,是阵因子。由上面的公式可以看出,在其它参数不变的情况下,随纤维间距d的减小,?E辐增大。又由吸波材料反射系数的计算公式:R=?E反?E入=?

11、E辐+?E其它?E入 式中:?E入,?E反,?E其它分别为入射波电场,反射波电场和由纤维阵直接反射等其它原因形成的反射波电场。可知,随纤维间距的减小,相同反射系数对应的入射波的频率将增大,即反射衰减曲线最大吸收峰的位置向高频移动。另一方面,当碳纤维的间距减小时,发生相位对消0961功 能 材 料2005年第11期(36)卷的电磁波的波长也相应减小,因此,对应于相位对消最大消耗功率的电磁波的频率f0将增大。3.1.3 吸波性能呈各向异性原因的初步分析本文在对试样进行吸波性能测试时,均采用垂直入射的电磁波,试样中碳纤维和入射电场方向的夹角对纤维阵相位对消的影响是比较小的。由此可知,平行排布碳纤维吸

12、波性能的各向异性主要是由碳纤维与入射电场方向平行和垂直时纤维中涡流损耗的差异造成的。当入射电场与碳纤维平行时,在透射波高频交变电场的作用下,纤维中产生较强的传导电流,此时,纤维中的涡流损耗是很大的;而当入射电场与碳纤维垂直时,由于纤维直径尺寸(0.50.75mm)的限制,纤维中产生的传导电流将会很小,这就是碳纤维平行排布时吸波性能呈各向异性的原因。3.2 碳纤维平行排布时纤维的支数对吸波性能的影响图5为相同间距(8mm)不同支数碳纤维/树脂复合材料吸波性能的比较。5#、6#和7#试样所用的碳纤维分别为每束2000、3000和4000根。图5(a)、(b)分别为碳纤维排布方向与入射电场方向平行和

13、垂直时的吸波特性,对比可见,也只在纤维排布方向与入射电场方向平行时有吸波性能。在图5(a)中可见,随着碳纤维支数的增加,试样的反射衰减增大,材料的吸波性能提高。图5 碳纤维支数对吸波性能的影响Fig 5 The effect of the filament count in a bundle ofcarbon fiber on the reflection loss 由圆柱导体表面电阻的公式13:Rs=1 c12 式中、和c分别为导体半径、电导率和趋肤深度。可知,随纤维支数的增加,纤维束半径增大,纤维束的表面电阻Rs减小,纤维中的涡流损耗增大,所以其对入射波的衰减增大;另外,在纤维支数变化的过

14、程中,纤维轴线之间的距离并不改变,因此,纤维阵的相位对消受纤维支数的影响是很小的。综合以上两个因素,可知随着碳纤维支数的增加,吸波材料的吸波性能提高。通过上面的研究发现,碳纤维平行排布吸波材料具有一定的吸波性能,但其对电磁波的吸收呈各向异性。为消除吸波材料的各向异性和进一步提高其吸波性能,本文制备了碳纤维正交排布的吸波材料。3.3 碳纤维正交排布时纤维间距对吸波性能的影响图6为碳纤维正交排布复合材料的反射衰减曲线。当碳纤维分别以间距4、8、10和15mm排布时,材料显示出较好的吸波性能。9#、10#、11#和12#试样的反射衰减曲线均显示出单峰吸收,且随着纤维间距的减小,最大吸收峰对应的频率增

15、大,这一规律与碳纤维平行排布(入射电场与纤维排布方向平行)时是相同的。其中,9#试样在入射波频率为12GHz时,出现最大吸收峰,峰值-21.6dB,并且其在本实验所测频段上有4.7GHz的有效带宽。可见,不加入其它吸收剂,仅使用碳纤维,也可使材料在一定的频率范围内获得良好的吸波效果,对这一结果,从查阅的相关资料中尚未见报道。图6 碳纤维间距对吸波性能的影响Fig 6 The effect of the space between carbon fibers onthe reflection loss 对比碳纤维平行排布和正交排布吸波材料的吸波性能,后者比前者要好。分析原因,主要有以下两点:一是

16、正交排布的碳纤维形成了一个平面导电网络,纤维阵的整体阻抗降低,电流强度增强,从而使碳纤维涡流损耗程度增大,材料的吸波性能提高;二是在碳纤维正交排布的吸波材料中,纤维束数较多,碳纤维在相互垂直的两个方向上通过相位对消作用消耗电磁波的能量。在计算正交碳纤维阵的?E辐时,由于入射波的频率高且碳纤维的电阻率小,碳纤维阵中的电流分布较均匀,可将正交排布的纤维阵近似看做两个相互垂直的平行排布纤维阵的组合(见图7)。此时,在纤维阵上方距离纤维阵较远处任一点的?E辐是两个平行排布纤维阵辐射场的叠加,即?E辐=?E辐1+?E辐2,式中?E辐1和?E辐2分别为两个相互垂直的平行排布纤维阵电磁辐射所形成的反射电场,

17、?E辐1?E辐2。由此可知,纤维正交排布时,纤维间距对反射衰减曲线最大吸收峰位置1961邹田春 等:微量碳纤维/树脂复合吸波材料的研究的影响与平行排布时的规律应该是相同的,即随纤维间距d的减小,最大吸收峰向高频方向移动。图7 正交排布碳纤维阵近似等效为两个相互垂直的平行排布碳纤维阵Fig 7 orthogonal2arranged carbon2fiber arrays are ap2proximately equal to two parallel2arranged car2bon2fiber arrays which are perpendicular to eachother4 结 论(

18、1)当普通碳纤维在环氧树脂基体中少量加入(纤维含量约0.2%(质量分数),并以平行、正交方式排布时,纤维显示出良好的吸波性能。纤维的排布方式、支数对吸波性能有显著影响。(2)碳纤维平行排布吸波材料只在入射电磁波电场方向与纤维排布方向平行时具有吸波性能,并且其吸波性能与纤维之间的距离及纤维的支数有关。随着纤维间距的减小,吸波材料的最大吸收峰向高频方向移动;纤维的支数增加后,材料的吸波性能提高。本实验在间距为6mm,1000根/束的条件下,得到了-19.3dB的反射衰减,有效带宽为1.9GHz。(3)碳纤维正交排布吸波材料具有较好的吸波性能,当试样中纤维的间距为8mm时,材料的吸波性能最佳,它的最

19、大吸收峰值达到-21.6dB,有效带宽4.7GHz。与碳纤维平行排布吸波材料相同,随着纤维间距的减小,碳纤维正交排布材料反射衰减曲线最大吸收峰位置向高频方向移动。这种树脂基复合材料成型工艺简单,成本低,具有一定的应用前景。参考文献:1 王晓红,刘俊能.J.功能材料,1999,30(4):3872391.2华宝家,肖高智,杨建生,等.J.宇航材料工艺,1994,(3):31234.3 罗 发,周万成,赵东林.J.材料工程,2000,(2):37240.4 赵东林,沈曾民,迟伟东.J.新型炭材料,2001,16(2):66272.5Lee W I,Springers G S.J.J Compos

20、Mater,1984,18(7):3572386.6 赵东林,沈曾民,迟伟东,等.J.高科技纤维与应用,2000,25(3):8214.7Yi Yang,Zhang Baoshan,Xu Weidong,et al.J.Journalof Magnetism and Magnetic Materials,2003,256(123):1292132.8PaligovM,Vilkova J,Sha P,et al.J.Physica A:Sta2tistical Mechanics and its Applications,2004,335(324):4212429.9 马铁军.碳纤维毡类电磁功能

21、复合材料的研究D.天津:天津大学,1998.10 张玉民,戚伯云.电磁学 M.北京:科学出版社,2000.3792382.11 郭伟凯.碳纤维排布方式对结构吸波材料吸波性能的影响及其机理分析D.天津:天津大学,2004.12 全泽松.电磁场理论 M.成都:电子科技大学出版社,1995.2912313.13Bhag Singh Guru,周克定,张肃文.电磁场与电磁波M.北京:机械工业出版社,2000.2562258.Microwave absorbing properties ofmicro content carbon fibers/epoxy resin compositesZOU Tia

22、n2chun,ZHAO Nai2qin,SHI Chun2sheng,LI Jia2jun,GUO Wei2kai(School of Material Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract:Microwave absorbing properties of the composites containing parallel2arranged and orthogonal2ar2ranged carbon fibers were investigated respectively.Th

23、e absorbing mechanism of carbon fibers and the factors(the space between fibers and the filament count in a bundle of fiber)affecting the absorbing properties werebriefly discussed.The results show that the absorbing properties of the composites containing parallel2arrangedcarbon fibers are good onl

24、y when the incident electric field is parallel with the fibers.With the decrease of thespace between fibers,the maximal absorption moves to high frequencies.The more filaments in a bundle of car2bon fiber are,the better the absorption characteristics are.The absorbing performances of the composites

25、contai2ning orthogonal2arranged carbon fibers are greatly affected by the space between fibers.In this research,thecomposite obtains a reflection loss below-10dB over 4.7GHz and the minimum value reaches-21.6dB whenthe space is 8mm.Key words:microwave absorbing materials;carbon fiber;parallel2arranged;orthogonal2arranged2961功 能 材 料2005年第11期(36)卷