碳納米管/納米四氧化三鐵聚乙烯復(fù)合板的吸波性能研究

贠凱迪，張昭環(huán)

(西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048)

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碳納米管/納米四氧化三鐵聚乙烯復(fù)合板的吸波性能研究

贠凱迪，張昭環(huán)

(西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048)

文章選用低密度聚乙烯作為基體材料，分別與碳納米管(CNT)吸收劑、納米Fe3O4吸收劑融合，制備吸波復(fù)合板材。采用網(wǎng)絡(luò)分析儀-波導(dǎo)管系統(tǒng)分析了吸波劑濃度、板材厚度對(duì)吸波性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，CNT復(fù)合板材的厚度為3.6 mm時(shí)，最佳吸收劑濃度為1.5%，回?fù)p在9.96 GHz處達(dá)到最大值-40.92 dB；納米Fe3O4吸波材料厚度為3.6 mm時(shí)，回?fù)p隨吸收劑濃度增加而增大，在濃度2.0%時(shí)，回?fù)p在9.44 GHz處可達(dá)-23.95 dB。復(fù)合板材的吸波性能隨板材厚度的增加而增強(qiáng)。板材厚度相同時(shí)，同濃度的CNT的吸波性能優(yōu)于納米Fe3O4。

碳納米管；納米四氧化三鐵；低密度聚乙烯；吸波性能

吸波材料應(yīng)用廣泛。在軍事領(lǐng)域，隨著美國(guó)U-2高空偵察機(jī)、B-2隱形轟炸機(jī)等機(jī)型的出現(xiàn)，吸波材料開始顯現(xiàn)出其在國(guó)防應(yīng)用中的重要地位；在社會(huì)生活中，電磁污染會(huì)對(duì)人體中樞神經(jīng)、機(jī)體免疫功能、心血管系統(tǒng)等造成潛在損害。吸波材料可以為人體提供一定的防護(hù)，減少電磁波危害[1]。

吸波材料一般由基體材料與吸收劑復(fù)合而成，可將投射到它表面的電磁波能量吸收，并通過材料的介質(zhì)損耗使電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式的能量[2]。目前國(guó)內(nèi)外正在研究的吸波材料從損耗機(jī)理上來說，可分為電阻型、電介質(zhì)型以及磁介質(zhì)型吸波材料；按材料成型工藝和承載能力及應(yīng)用方式可分為涂覆型和結(jié)構(gòu)型；按吸波原理可分為吸收型和干涉型；其次還有一些新型吸波材料，包括手性材料、納米材料、等離子體吸波材料、導(dǎo)電高聚物吸波材料等。鐵氧體吸波材料對(duì)電磁波的損耗同時(shí)包括介電損耗和磁損耗，具有磁電效應(yīng)，其中最主要的損耗機(jī)制為剩余損耗中的鐵磁自然共振吸收[3]。納米材料具有量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)及界面效應(yīng)，使其在光、電、磁等物理性質(zhì)方面發(fā)生質(zhì)的變化，具有吸波、透波、偏振特性，并且頻帶寬、兼容性好、質(zhì)量輕、厚度薄[4]。

碳納米管質(zhì)輕，具有特殊的介電性能、高溫抗氧化性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。由于碳納米管具有高比表面積、大量可以使界面極化的懸掛鍵以及宏觀量子隧道效應(yīng)，因此具有良好的吸波性能[5]。納米Fe3O4吸波材料既是磁介質(zhì)又是電介質(zhì)，同時(shí)具有磁吸收和電吸收性能，是很好的吸收材料，擁有體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于民用和軍事領(lǐng)域[6]。

本文分別以碳納米管、納米Fe3O4作為吸收劑，與基體材料聚乙烯復(fù)合，制備出不同厚度系列、不同含量的系列樣品，并對(duì)其在6.57 GHz～9.99 GHz波段的吸波性能進(jìn)行測(cè)試研究。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1材料

1.1.1試劑

低密度聚乙烯，CNT(碳納米管)，納米Fe3O4。

1.1.2儀器

FA2104-N型電子天平，KY-3203-120型混合開煉機(jī)，XTM105F-5T型油壓機(jī)，6.57 GHz～9.99 GHz波導(dǎo)管，N5230A型網(wǎng)絡(luò)分析儀。

1.2樣品制備

1.2.1根據(jù)樣品板吸波劑百分比含量要求，稱取適量的CNT、納米Fe3O4以及低密度聚乙烯。啟動(dòng)混合開煉機(jī)，設(shè)定溫度為150℃，當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)加入約1/2低聚乙烯，當(dāng)聚乙烯呈熔融狀態(tài)時(shí)，加入約1/3 CNT或納米Fe3O4；在后面的混煉過程中，緩慢加入剩余的低密度聚乙烯及CNT或納米Fe3O4，混煉均勻。

1.2.2將熔體轉(zhuǎn)移到油壓機(jī)上，制備不同厚度的CNT或納米Fe3O4聚乙烯復(fù)合板。

1.3儀器

測(cè)試采用網(wǎng)絡(luò)分析儀-波導(dǎo)管系統(tǒng)，可同時(shí)測(cè)試回?fù)p和插損，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　網(wǎng)絡(luò)分析儀-波導(dǎo)管測(cè)試裝置原理示意圖

將所制備樣品裁剪成適當(dāng)?shù)某叽?，置于測(cè)試夾具中，然后將測(cè)試夾具安裝在波導(dǎo)管的樣品測(cè)試部位進(jìn)行測(cè)試。由于吸波材料在實(shí)際應(yīng)用中通常是用來衰減金屬對(duì)電磁波的反射，因此，采用樣品背襯金屬板，測(cè)量回?fù)p的測(cè)試法。在這種情況下，透射為0，吸波性能越好的材料，其回?fù)p越大。

2　結(jié)果與討論

2.1碳納米管吸波性能

2.1.1碳納米管含量對(duì)吸波性能的影響

CNT板材厚度為3.6 mm時(shí)，不同含量的回?fù)p值，見圖2。

從圖2可以明顯看出，當(dāng)CNT吸波材料厚度為3.6 mm，隨著碳納米管濃度的增加，吸波性能增強(qiáng)。吸收劑百分比含量為1.5%時(shí)，回?fù)p達(dá)到最大值-40.92 dB，波峰在9.96 GHz處。隨著CNT濃度的繼續(xù)增加，超過1.5%后，回?fù)p值隨之增加，吸波性能減弱。研究表明：CNT存在滲流相變閾值[7]。CNT為電損耗型材料，處于半導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，吸波性能最好；隨著CNT含量的增加，當(dāng)含量超過導(dǎo)通點(diǎn)，CNT復(fù)合板材處于導(dǎo)電狀態(tài)，反射增強(qiáng)，吸波性能減弱。圖2中波形不完整，這是因?yàn)闇y(cè)試使用的波導(dǎo)管工作波段為6.57 GHz～9.99 GHz，最大吸收峰剛好接近工作波段的上限。

圖2　不同含量CNT的復(fù)合板材的回?fù)p值

2.1.2板材厚度對(duì)吸波性能的影響

板材厚度可以采用一次性壓片成型，也可以采用較薄的板材疊層來實(shí)現(xiàn)，為比較兩種方式對(duì)吸波性能的影響，采用CNT含量1.5%，1.2 mm厚的板材，層疊后進(jìn)行測(cè)試，并和疊層厚度相同的單層板材進(jìn)行吸波性能對(duì)比，測(cè)試結(jié)果見圖3和圖4。

圖3　單層CNT板材的回?fù)p值

對(duì)比圖3、圖4，當(dāng)吸收劑百分比含量為1.5%時(shí)，單層2.4 mm的CNT板材，回?fù)p在9.09 GHz處達(dá)-5.38 dB；兩疊層1.2 mm×2的CNT板材，回?fù)p在9.11 GHz處達(dá)-22.94 dB；單層3.6 mm的CNT板材，回?fù)p在9.96 GHz處達(dá)-40.92 dB；三疊層1.2 mm×3的CNT板材，回?fù)p在9.14 GHz處達(dá)-34.62 dB。單層或疊層厚度的CNT板材都是隨著吸波材料厚度的增加，回?fù)p值隨之減小，吸波材料吸波性能增強(qiáng)。單層2.4 mm CNT板材的吸波性能差于兩疊層板材，此時(shí)厚度為主要因素，由于兩疊層板材與金屬板之間發(fā)生多次反射，吸波性能減弱。單層3.6 mm CNT板材的吸波性能優(yōu)于三疊層板材，這是因?yàn)榇藭r(shí)吸收占主要因素。

圖4　疊層CNT板材的回?fù)p值

2.2納米Fe3O4吸波性能

2.2.1納米Fe3O4含量對(duì)吸波性能的影響

納米Fe3O4板材厚度為3.6 mm時(shí)，不同含量的回?fù)p值，見圖5。

圖5　不同含量納米Fe3O4的復(fù)合板材的回?fù)p值

從圖5可明顯看出，當(dāng)納米Fe3O4吸波材料厚度為3.6 mm時(shí)，吸收劑百分比含量為2.0%時(shí)，回?fù)p在9.44 GHz處達(dá)到最大值-23.95 dB。隨著納米Fe3O4濃度的增加，吸波性能隨之增強(qiáng)。納米Fe3O4非導(dǎo)電材料，不存在滲流相變閾值，繼續(xù)增加其濃度，吸波性能會(huì)繼續(xù)增強(qiáng)。但是，在熔體中繼續(xù)加入納米Fe3O4，必定會(huì)對(duì)流體流動(dòng)性能產(chǎn)生影響，因此吸收劑含量并非無上限。

2.2.2板材厚度對(duì)吸波性能的影響

采用納米Fe3O4含量2.0%，1.2 mm厚的板材，層疊后進(jìn)行測(cè)試，并和疊層厚度相同的單層板材進(jìn)行吸波性能對(duì)比，見圖6和圖7。

圖6　單層納米Fe3O4板材的回?fù)p值

圖7　疊層納米Fe3O4板材的回?fù)p值

對(duì)比圖6、圖7，吸收劑百分比含量為2.0%，單層2.4 mm的納米Fe3O4板材，回?fù)p在9.33 GHz處達(dá)-6.03 dB；兩疊層1.2 mm×2的納米Fe3O4板材，回?fù)p在9.08 GHz處達(dá)-11.03 dB；單層3.6 mm的納米Fe3O4板材，回?fù)p在9.44 GHz處達(dá)-23.95 dB；三疊層1.2 mm×3的納米Fe3O4板材，回?fù)p在9.08 GHz處達(dá)-13.92 dB。對(duì)單層或疊層板材來說，隨著板材厚度的增加，吸波性能增強(qiáng)。與CNT板材相同，兩疊層的納米Fe3O4板材的厚度為主要因素，吸波性能優(yōu)于單層2.4mm的板材；對(duì)三疊層的納米Fe3O4板材來說，吸收占主要因素，單層板材的吸波性能更好。

從各回?fù)p值圖中可以看出，厚度一定時(shí)，板材疊層后的波峰位置相較于單層板材的峰位向低頻方向移動(dòng)。

3　結(jié)論

本研究通過制備不同厚度、不同吸收劑百分比含量的吸波材料樣品板材，測(cè)試發(fā)現(xiàn)：

3.1當(dāng)板材厚度一定時(shí)，對(duì)CNT板材來說，存在滲流相變閾值，當(dāng)百分比含量為1.5%時(shí)，材料吸波性能最佳，大于或小于此數(shù)值，吸波性能下降；對(duì)納米Fe3O4板材而言，不存在滲流相變閾值，隨著吸收劑百分比含量的增加，反射回?fù)p值減小，吸波性能增強(qiáng)。

3.2當(dāng)CNT板材和納米Fe3O4板材吸收劑百分比含量一定時(shí)，隨著板材厚度的增加，反射回?fù)p值隨之減小，吸波材料吸波性能增強(qiáng)。兩疊層板材的吸波性能優(yōu)于同厚度的單層板材，三疊層板材的吸波性能差于同厚度的單層板材。

3.3當(dāng)吸波材料吸收劑百分比含量一定，板材厚度相同時(shí)，同濃度的CNT板材吸波性能優(yōu)于納米Fe3O4板材。

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Researches on Electromagnetic Wave Absorbing Properties of Carbon Nanotube /Iron Oxide Nanoparticle Polyethylene Composite Plates

YunKaidi,ZhangZhaohuan

(Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048, China)

In this article, low density polyethylene which was used as matrix material was mixed with carbon nanotube (CNT) absorbent or Fe3O4nanoparticle absorbent to make electromagnetic wave absorbing composite plates. A network analyzer-waveguide system was used to test absorbing properties. The results showed that when the thickness of CNT composite plate was 3.6 mm, the optimum concentration of CNT was 1.5%, the maximum return loss was -40.92 dB at 9.96 GHz; When the thickness of Fe3O4composite plate was 3.6 mm, return loss increased with the increasing concentration of Fe3O4nanoparticle, when it was 2.0%, the return loss was -23.95 dB at 9.44 GHz. Absorbing properties increased with the increasing thickness of plates. When the thickness and concentration were same, absorbing performance of CNT was better than what of Fe3O4nanoparticle.

carbon nanotube; Fe3O4nanoparticle; low density polyethylene; electromagnetic wave absorbing property

2016-05-25

陜西省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(1570)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2016JM5078)

贠凱迪(1994—)，男，陜西西安人 ，碩士研究生。

TS101.3+2

A

1009-3028(2016)05-0005-04