鐵氧體/碳化硅涂層復(fù)合材料的介電性能研究*

劉元軍，趙曉明，拓　曉

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)部，天津 300387)

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鐵氧體/碳化硅涂層復(fù)合材料的介電性能研究*

劉元軍，趙曉明，拓曉

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)部，天津 300387)

摘要：在滌綸基布上進(jìn)行鐵氧體/碳化硅雙層復(fù)合涂層整理，制備1.0 mm涂層厚度的柔性紡織涂層復(fù)合材料。研究了鐵氧體和碳化硅含量對(duì)復(fù)合材料介電性能的影響，并測試了該復(fù)合材料的力學(xué)性能。結(jié)果表明，該柔性涂層復(fù)合材料在低頻范圍內(nèi)具備良好的介電性能，且具備一定的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：機(jī)織物；鐵氧體；碳化硅；涂層；介電性能

0引言

涂敷型吸波材料是將吸收劑與粘合劑混合后涂在目標(biāo)表面形成吸波涂層，使材料具有一定的吸波效果，其以涂覆方便靈活、可調(diào)節(jié)性高、吸收性能好等優(yōu)點(diǎn)受到世界各國的重視[1-3]。目前單一吸波劑很難同時(shí)滿足“薄、輕、寬、強(qiáng)”的要求，因此需要將多種吸波材料進(jìn)行復(fù)合以獲得最佳效果，將不同損耗機(jī)制、不同吸收頻帶的材料進(jìn)行多元復(fù)合，可方便地調(diào)節(jié)復(fù)合物的電磁參數(shù)以達(dá)到阻抗匹配要求，而且能夠減輕質(zhì)量，有望成為今后吸波材料研究與發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)方向。本文利用吸波涂層表層和底層兩列反射波的相干即振幅相等、相位相反進(jìn)行干涉抵消來設(shè)計(jì)吸波涂層。當(dāng)電磁波垂直入射到吸波涂層表面時(shí)，一部分被反射出去，稱之為第一反射波。其余部分透入涂層，在自由空間與涂層的界面和涂層與金屬的界面之間進(jìn)行來回反射。在反射波每次返回自由空間與涂層的界面時(shí)，都有一部分波會(huì)穿出此界面，返回到自由空間。這部分波疊加以后形成第二反射波。如果第一反射波與第二反射波處于同一偏振面上，且相位差為180°，則會(huì)發(fā)生干涉，使總的反射波能量發(fā)生急劇衰減[4-8]。本文特選用磁損耗率較大的鐵氧體作為底層吸波劑[9-11]，選用電阻率可調(diào)的介電損耗型吸波材料碳化硅作為表層吸波劑[12]。本文以環(huán)氧樹脂為基體，以鐵氧體、碳化硅分別作為底層、表層吸波劑，制備柔性紡織雙層涂層復(fù)合材料，期望開發(fā)一種具備良好介電、力學(xué)性能的多功能涂層復(fù)合材料。

1實(shí)驗(yàn)

1.1主要材料和試劑

滌綸機(jī)織物，海安縣利來雅紡織有限公司提供；鐵氧體粉末，天津市天磁磁材有限公司提供；碳化硅粉末，安陽市凱瑞冶金爐料有限公司提供；650聚酰胺樹脂，杭州五會(huì)港膠粘劑有限公司提供；E44型環(huán)氧樹脂，中國石化集團(tuán)資產(chǎn)經(jīng)營管理有限公司提供。

1.2材料制備工藝

(1) 稱量一定量的稀釋劑無水乙醇與適量環(huán)氧樹脂混合并攪拌均勻。

(2) 將一定質(zhì)量的鐵氧體粉末加入(1)中攪拌至均勻。

(3) 將固化劑聚酰胺樹脂加入(2)中，攪拌均勻，底層鐵氧體涂層劑制備完畢。

(4) 將基布固定在LTE-S87609型涂層機(jī)上，取適量鐵氧體涂層劑進(jìn)行涂層整理；保持溫度60 ℃烘燥3 h。至此，底層鐵氧體涂層(0.5 mm)制備完畢。

(5) 重復(fù)(4)操作，可制得表層碳化硅涂層(0.5 mm)。鐵氧體/碳化硅雙層涂層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1　鐵氧體/碳化硅涂層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模型

Fig 1 Structure model of ferrite and silicon carbide coating composite materials

1.3測試指標(biāo)和方法

1.3.1介電常數(shù)測試

鐵氧體/碳化硅雙層涂層復(fù)合材料介電常數(shù)的測試根據(jù)SJ20512-1995《微波大損耗固體材料復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率測試方法》標(biāo)準(zhǔn)[4-8]，在BDS50介電譜儀(德國Novocontorl Gmbh公司)上測試。

1.3.2損耗角正切測試

采用BDS50型介電譜儀測試鐵氧體/碳化硅雙層涂層復(fù)合材料的損耗角正切 tanδ。

1.3.3彎曲性能測試

鐵氧體/碳化硅雙層涂層復(fù)合材料彎曲性能的測試參照GB1449-2005彎曲性能測試方法[13-15]，在Instron萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試，測試方法為三點(diǎn)彎曲法。加載方式如圖2所示。

圖2　加載方式

1.3.4剪切性能測試

鐵氧體/碳化硅雙層涂層復(fù)合材料剪切性能的測試參照標(biāo)準(zhǔn)JCT773-2010短梁法測定層間剪切強(qiáng)度，在Instron萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測試方法為短梁法[16-17]。剪切試樣如圖3所示。

圖3　剪切試樣示意圖

1.3.5拉伸性能測試

拉伸性能的測試參照GB1447-2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法，在Instron萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行[16-17]。

2結(jié)果與討論

2.1底層鐵氧體含量對(duì)介電性能的影響

為探究鐵氧體含量對(duì)介電性能的影響，制備了6組不同鐵氧體含量的鐵氧體/碳化硅雙層涂層復(fù)合材料，試樣參數(shù)如表1所示。

表1　工藝參數(shù)表

介電常數(shù)和損耗角正切可以間接地評(píng)價(jià)吸波性能；介電常數(shù)是外電場頻率的函數(shù)，實(shí)部代表材料在外加電場作用下發(fā)生極化的程度，其值越大則材料的極化能力越強(qiáng)；虛部代表材料在外加電場作用下的電偶極矩產(chǎn)生重排引起能量損耗的量度，其值越大則對(duì)電磁波的損耗能力越強(qiáng)；損耗角正切表征材料的吸波衰減能力，其值越大則吸波性能就越好。由圖4-6可知隨頻率增大，鐵氧體/碳化硅雙層涂層復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切均減小。鐵氧體屬于磁損耗型吸波材料，主要是通過磁滯損耗、鐵磁共振和渦流損耗等吸收電磁波能量，并將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能達(dá)到吸波目的。隨著鐵氧體含量增多，涂層中鐵氧體顆粒數(shù)目增加，對(duì)電磁波有效吸收增加。

圖4　鐵氧體含量介電常數(shù)實(shí)部的影響

Fig 4 The influence of the content of ferrite on permittivity’s real part of dielectric constant

圖5　鐵氧體含量介電常數(shù)虛部的影響

Fig 5 The influence of the content of ferrite on permittivity’s imaginary part of dielectric constant

圖6　鐵氧體含量對(duì)損耗角正切的影響

Fig 6 The influence of the content of ferrite on loss tangent

從圖4中可以看出，隨鐵氧體含量增加，鐵氧體/碳化硅雙層涂層復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部呈現(xiàn)出波動(dòng)性增大的趨勢，其中鐵氧體含量為60%時(shí)介電常數(shù)實(shí)部最大，其極化能力最強(qiáng)；隨鐵氧體含量增加，介電常數(shù)虛部出現(xiàn)波動(dòng)性變化，在低頻段(f<103Hz)，鐵氧體含量為10%時(shí)介電常數(shù)虛部最大，其損耗能力最強(qiáng)；當(dāng)f>103Hz時(shí), 鐵氧體含量為60%的復(fù)合材料介電常數(shù)虛部最大，其損耗能力最強(qiáng)；鐵氧體含量為10%實(shí)驗(yàn)組的損耗角正切值明顯高于另外5組。

2.2表層碳化硅含量對(duì)介電性能的影響

為探究表層碳化硅含量對(duì)介電性能的影響，制備了6組不同碳化硅含量的鐵氧體/碳化硅雙層涂層復(fù)合材料，試樣參數(shù)如表2所示。

表2　工藝參數(shù)表

由圖7-9可知隨頻率增大，鐵氧體/碳化硅雙層涂層復(fù)合材料實(shí)部、虛部、損耗角正切均減小。碳化硅屬于介電損耗型吸波材料，主要是通過介質(zhì)的極化弛豫損耗吸收電磁波。當(dāng)涂層厚度一定時(shí)，隨著碳化硅含量增多，涂層中碳化硅顆粒數(shù)目增加，對(duì)電磁波有效吸收增加。

圖7　碳化硅含量對(duì)介電常數(shù)實(shí)部的影響

Fig 7 The influence of the content of silicon carbide on permittivity’s real part of dielectric constant

圖8　碳化硅含量對(duì)介電常數(shù)虛部的影響

Fig 8 The influence of the content of silicon carbide on permittivity’s imaginary part of dielectric constant

從圖7中可以看出，隨著碳化硅含量增加，鐵氧體/碳化硅雙層涂層復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部呈現(xiàn)出波動(dòng)性增大的趨勢，其中碳化硅含量為48%時(shí)介電常數(shù)實(shí)部最大，其極化能力最強(qiáng)；介電常數(shù)虛部和損耗角正切均呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，f<105Hz時(shí)，碳化硅含量為60% 的介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切最大；105Hz

圖9　碳化硅含量對(duì)損耗角正切的影響

Fig 9 The influence of the content of silicon carbide on loss tangent

2.3雙層涂層復(fù)合材料力學(xué)性能的研究

從圖10可以看出隨著彎曲應(yīng)變?cè)黾?，鐵氧體/碳化硅雙層涂層復(fù)合材料彎曲應(yīng)力增大，最大彎曲強(qiáng)力和強(qiáng)度分別為38.5 N、28.9 MPa。隨著形變?cè)龃螅瑥澢鷳?yīng)力呈波動(dòng)式增大，這可能是由涂層與滌綸機(jī)織物基布斷裂的不同時(shí)性造成。圖11為剪切位移-載荷曲線。

圖10　彎曲位移-載荷曲線

圖11　剪切位移-載荷曲線

從圖11可以看出，隨著剪切應(yīng)變?cè)黾?，鐵氧體/碳化硅雙層涂層復(fù)合材料剪切應(yīng)力增大，當(dāng)位移增大到1.1 mm時(shí)，出現(xiàn)波動(dòng)，可能是因?yàn)檩d荷施加過程中涂層斷裂而基布未斷裂，當(dāng)載荷繼續(xù)施加，載荷由基布承擔(dān)；當(dāng)位移增大到1.8 mm時(shí)，剪切強(qiáng)力達(dá)到最大，最大剪切強(qiáng)力和剪切強(qiáng)度分別為95.2 N、38.1 MPa。從圖12可以看出鐵氧體/碳化硅雙層涂層復(fù)合材料初始模量較大，說明該復(fù)合材料在較小變形條件時(shí)較為挺括。隨著拉伸應(yīng)變?cè)黾?，拉伸?yīng)力隨之增大，最大拉伸強(qiáng)力和拉伸強(qiáng)度分別為619 N、12.38 MPa。

圖12　拉伸位移-載荷曲線

3結(jié)論

在滌綸基布上進(jìn)行鐵氧體/碳化硅雙層涂層整理，制備了1.0 mm涂層厚度的柔性紡織雙層涂層復(fù)合材料。在低頻段，該材料介電性能良好，鐵氧體、碳化硅含量均對(duì)涂層復(fù)合材料的實(shí)部、虛部和損耗角正切影響較大；在高頻段，鐵氧體、碳化硅含量對(duì)涂層復(fù)合材料的介電性能影響較小，其實(shí)部曲線、虛部曲線、損耗角正切曲線近似重合。通過對(duì)該復(fù)合材料的彎曲、剪切、拉伸測試表明，此種雙層涂層復(fù)合材料具備一定的力學(xué)性能。

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文章編號(hào)：1001-9731(2016)07-07140-05

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51206122)；2015年天津工業(yè)大學(xué)研究生科技創(chuàng)新活動(dòng)資助項(xiàng)目(15101)

作者簡介：劉元軍(1986-)，女，山東青島人，博士，師承趙曉明教授，從事復(fù)合材料介電性能研究。

中圖分類號(hào)：TG132.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.026

Study on the dielectric properties of the ferrite and silicon carbide coating composite materials

LIU Yuanjun, ZHAO Xiaoming, TUO Xiao

(Cellege of Textiles, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

Abstract：The polyester was used as a basic structure material and coating finishing was applied to the structure material by using ferrite and silicon carbide absorbing materials. The composite materials was prepared and the thickness of coatings was 1.0 mm. The influence of the content of ferrite and silicon carbide on dielectric constant were discussed. Then mechanical properties were tested. The results showed that the composite material with good dielectric properties at low frequencies had a certain mechanical properties.

Key words：woven fabric；ferrite；silicon carbide；coating；dielectric constant

收到初稿日期：2015-06-18 收到修改稿日期：2015-09-16 通訊作者：趙曉明，E-mail: texzhao@163.com