环氧树脂双层复合材料的吸波性能研究

      为了提高国防体系中地面军事目标的生存能力与武器系统的突防能力和纵深打击能力,发展和应用雷达隐身技术已成为国防体系发展的重要方向.雷达隐身技术是通过减弱、抑制、偏转目标的雷达回波强度或减少雷达散射面积(RCS),来降低敌方对目标的发现概率,其中,能够实现雷达隐身技术重大突破的途径主要是发展高效的雷达吸波材料.良好的吸波材料必须具备两个条件:①是当电磁波传播、入射到材料表面(表层)时,能够最大限度地使电磁波进入到材料内部,以减少电磁波的直接反射;②是当电磁波一旦进入材料内部,应能够对入射电磁波进行有效地吸收或衰减[1, 2].由于单层电磁波吸收体设计可变参量少,难以满足以上两个条件而获得良好的吸波效果,因此,双层吸波材料的研制势在必行.在已报道的相关文献中,双层吸波体中匹配层多选用玻璃纤维或其他种类的透波材料,吸收层多选用铁氧体或其他种类的透波材料磁性粉体,制备成本高、比重较大且成型工艺复杂,限制了其实用性[3-5].二氧化锰的体积电导率在10-6(Ω-1·cm-1)数量级[6],其导电性能并不好,但其在微波辐照作用下的升温速度可以达到10·80 K/s,在100 s内温度由室温298 K上升到1378 K[7],表明二氧化锰具有较好的微波吸收性能,对电磁波有一定的损耗作用;管洪涛等[6]通过实验进一步发现二氧化锰属于一种介电损耗介质,并将二氧化锰应用于石英复合材料中,在低频下取得了较好的吸波性能.段玉平等[8]发现二氧化锰的加入能有效提高二氧化锰/炭黑的电磁波吸收性能.本文依据阻抗匹配原理和电磁波传播规律设计了双层复合吸波材料,在匹配层中引入二氧化锰或炭黑作为填料,吸收层采用介电常数较高的炭黑作为吸波剂,以期能对吸收剂的复合使用有更多的了解,并实现其工程上的应用.

1·实　验

1·1　实验材料

N234炭黑,粒径20~30 nm,辽宁抚顺东信化工有限公司生产;二氧化锰,粒径约为110~150 nm,湖南科源科技实业有限公司生产;E-44环氧树脂、固化剂低分子聚酰胺,无锡树脂厂生产;稀释剂为无水乙醇,沈阳试剂厂生产.

1·2　主要设备及仪器

MG250/390球磨机; XSJ200型行星式双轴搅拌机;HP8720B网络分析仪.

1·3　试样制备

将炭黑在球磨机中球磨5 h,使炭黑颗粒达到纳米量级.由于炭黑表面存在某些化学基团和有机物成分,会影响其导电性能,因此,在使用前需要对炭黑进行表面预处理.首先将炭黑用10%HCl溶液浸渍,过滤,烘干.然后在氮气保护下,在700℃下加热30 min,以除去表面的有机物,同时达到活化炭黑的目的.

将处理后的炭黑与环氧树脂、稀释剂以及固化剂混合,然后在搅拌机中搅拌均匀后注模,试样截面大小为200 mm×200 mm,常温固化成型.当底层固化后,面层(匹配层)是一定配比的炭黑或二氧化锰与环氧树脂、稀释剂、固化剂均匀混合物,将混和物搅拌均匀后浇铺在底层上,面层与底层紧密粘结常温固化成型.针对工程用吸波材料要求轻、薄的特点设计了1#~9#试样.具体成分配比如表1所示.

1·4　测试方法

炭黑和二氧化锰粉体的电磁参数采用同轴法兰法在北京航空材料研究总院进行测试,测试频段为2~18 GHz.

炭黑、二氧化锰表面形貌采用JEM2100CX-Ⅱ型高分辨率透镜进行测试.

 

复合材料的吸波性能采用弓形反射法按照国家军用标准GJB2038-94的规定在微波暗室内进行测试,所用设备为HP8320B矢量网络分析仪(集成信号源,动态范围95 dB),测试频率为8~18 GHz.

2·结果与讨论

2·1　二氧化锰和炭黑介电性能的研究

炭黑和二氧化锰粉体的电磁参数测试结果如图1所示.二氧化锰属于一种介电型吸波剂,主要通过介电损耗衰减电磁波.从二氧化锰的微观结构上看,二氧化锰的基本单元是由1个锰原子和6个氧原子构成的密堆积结构,是以锰原子为中心构成八面体.二氧化锰晶体中含有大量的隧道和空穴[9],这种隧道和空穴结构一方面可以接纳其他的离子或分子,另一方面在电磁场作用下正负电荷容易向两极移动,最后聚集在界面处产生界面极化和空间电荷极化,这种极化是造成二氧化锰材料对电磁波介电损耗的重要原因之一.目前,对二氧化锰掺杂金属氧化物的电磁性能研究已经充分证明了这一点[10].在电磁场作用下,二氧化锰结构中的载流子引起局域化堆积,从而造成空间电荷极化,由于空间电荷载流子的堆积需要一定的时间,以使得载流子的轴向与外加电磁场的方向相同,因此,在不同频率下具有不同的极化强度,由此造成二氧化锰粒子的频散特性.随着频率的增加,载流子的变化落后于外加电磁场的变化,造成介电常数的降低,所以二氧化锰的介电常数对频率的增加而呈现出下降的趋势.

从图1可以看到,二氧化锰的介电常数较炭黑的介电常数要小得多.因此,用二氧化锰作为面层填料,炭黑作为吸波层填料是可行的.

2·2　透射电镜结果表征

对炭黑形貌的分析如图2所示,可见炭黑颗粒呈20~30 nm的球状,且构成葡萄状的二次结构.根据文献[11]可知,炭黑是一种电损耗介质,吸波机制为:①偶极子的作用,导电粉末相当于一偶极子,其振动是阻尼振动,从而造成电磁波的衰减;②多重反射造成损耗;③导体粉末之间的漏电导效应.

由图2MnO2颗粒形貌的TEM测试照片可以看出,MnO2具有不规则的片状和条状等结构,颗粒尺寸约为100~150 nm.由于颗粒的粒径很小,表面积非常大,表面活性高,而且粒子数目多,在电磁场作用下,将有更多的粒子发生极化.同时,纳米颗粒具有更大的反射和散射截面,对入射电磁波的多次反射和散射作用更强,因此,通常纳米粒子的电磁损耗性能要比大颗粒体系强一些.另一方面,片状和条状粒子,具有更大的比表面积,在电磁场作用下能产生更大的吸收和散射截面[12].

　　2·3　双层复合材料微波吸波特性

　　1#~9#试样的反射率测试结果如图3所示,

吸收峰值对比和优于-10dB的频宽如表2所示,测试频段为8~18 GHz.由图3可以看出:在吸收层厚度、炭黑含量相同,匹配层二氧化锰含量相同的情况下,随着匹配层厚度的增加,双层吸波材料的吸收峰值逐渐向高频漂移; 1#试样的吸波性能优于4#试样, 2#试样的吸波性能与5#试样的吸波性能相近, 3#试样的吸波性能优于6#试样.这说明:在吸波厚度、炭黑含量相同,匹配层厚度相同的情况下,匹配层中二氧化锰的填充量将直接影响到双层吸波体的吸波效果.但是当匹配层二氧化锰含量由10%增加到20%时,双层复合材料的吸波效果反而降低,这可能是由于匹配层面密度的增大导致双层吸波体表面与空气界面的阻抗匹配程度的降低,不利于电磁波进入吸波体,所以会出现吸波效果降低的情况.因此,应进一步通过确定匹配层中MnO2的含量来改善材料的吸波效果.从表2也可以看出,二氧化锰作为匹配层时,其吸收峰值和吸收带宽得到普遍提高,当匹配层吸收剂为10%的二氧化锰,吸收层吸收剂为30%的炭黑时,双层复合材料的电磁波吸收性能为最佳,特别是当匹配层的厚度为2 mm时,其吸收性能在8~18 GHz测试频段内的16·8 GHz达到-27·48 dB,优于-10 dB的频带达8·6 GHz.从C/C复合材料到MnO2/C复合材料,吸波效果有了很大的改善,这也是本实验应用MnO2作为匹配层填充剂的一个意义所在.

3　结　论

1)匹配层为10% (质量分数)的二氧化锰,吸收层为30% (质量分数)的炭黑,且匹配层的厚度为2 mm时,双层复合吸波材料的吸收性能在8~18 GHz达到最优.

2)在吸收层厚度和炭黑含量相同的情况下,通过改变匹配层中炭黑、二氧化锰填充量和匹配层厚度来调整双层吸波体电磁参数以达到双层吸波体表面与空气界面的波阻抗匹配是十分必要的.