鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料介電性能

趙曉明，劉元軍

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387)

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鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料介電性能

趙曉明，劉元軍

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387)

選用柔性滌綸針織物為基材，以鐵氧體、碳化硅和石墨分別作為底層、中層和表層吸波劑，在基材上進(jìn)行三層復(fù)合涂層整理，制備不同厚度的復(fù)合材料。探討了底層、中層、表層厚度對介電常數(shù)實部、虛部和損耗角正切的影響。結(jié)果表明：該復(fù)合材料在低頻段具備良好的介電性能，涂層厚度對介電常數(shù)實部、虛部和損耗角正切影響較大；底層鐵氧體涂層厚度為0.5mm，中層碳化硅涂層厚度為0.3mm，表層石墨涂層厚度為0.3mm時，鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料的介電常數(shù)實部、虛部、損耗角正切最大。

滌綸；鐵氧體；碳化硅；石墨；涂層；介電性能

電磁波是由同相且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生發(fā)射的震蕩粒子波，具有波粒二象性[1-3]。電磁波向空中發(fā)射或泄漏的現(xiàn)象叫電磁輻射，過量的電磁輻射會造成電磁污染。電磁波的危害主要分為兩類：影響人類身體健康，干擾電子設(shè)備可靠運行。因此，吸波材料和屏蔽材料的研究具有重大實用價值[4-6]。電磁波在介質(zhì)界面處反射和介質(zhì)內(nèi)部衰減均與材料介電常數(shù)相關(guān)[5-7]。介電常數(shù)表征介質(zhì)材料容納極化電荷的能力，是表征極化性質(zhì)的宏觀物理量，在外電場中材料極化感生的電荷越多其介電常數(shù)越大，反之越小，通常將介電常數(shù)表示為ε=ε′-jε″，ε′為介電常數(shù)的實部，ε″為介電常數(shù)虛部，是極化電荷和介電損耗的宏觀參數(shù)，介電常數(shù)實部代表在電場中介質(zhì)材料能量的存儲，虛部表示在電場中能量損失，該能量損失可以理解為材料內(nèi)部感應(yīng)電偶極矩產(chǎn)生相對位移所引起的損耗[8-10]。本工作通過改變涂層厚度來改變阻抗特性以獲得較大的介電常數(shù)實部、虛部和損耗角正切，特選用磁損耗率較大的鐵氧體作為涂層復(fù)合材料的底層，鐵氧體主要通過磁滯損耗、鐵磁共振、渦流損耗等吸收電磁波能量，并將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能[11-14]；選用電阻率可調(diào)的介電損耗型材料碳化硅作為涂層復(fù)合材料中層，碳化硅主要通過介質(zhì)的極化弛豫損耗吸收電磁波[15，16]；選用價格低廉、密度較小的石墨作為涂層復(fù)合材料表層，石墨受到外界磁場感應(yīng)，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生與外界磁場方向相反的磁場，從而與外界磁場相抵消，達(dá)到對外界電磁場的屏蔽作用[17，18]。本工作選用柔性滌綸緯編針織物為基材，以E44型環(huán)氧樹脂為基體，以無水乙醇為稀釋劑，以650聚酰胺樹脂為固化劑，在柔性基材上進(jìn)行鐵氧體/碳化硅/石墨三層復(fù)合涂層整理，重點研究了底層、中層、表層涂層厚度對該復(fù)合材料介電常數(shù)實部、虛部和損耗角正切的影響，期望開發(fā)一種新型具備良好介電性能柔性涂層復(fù)合材料。

1 實驗

1.1 主要材料和試劑

滌綸緯編針織物，E44型環(huán)氧樹脂，無水乙醇，650聚酰胺樹脂，鐵氧體粉末，碳化硅粉末，石墨粉末等。

1.2 涂層織物的制備

(1)將鐵氧體粉末(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%)加入E44型環(huán)氧樹脂與無水乙醇的混合物中，然后加入一定量固化劑650聚酰胺樹脂，并攪拌均勻。

(2)將基材固定在LTE-S8760涂層機(jī)上，取適量鐵氧體涂層劑進(jìn)行涂層整理，60℃真空烘燥3h。

(3)重復(fù)上述工藝，可制得中層碳化硅涂層和表層石墨涂層。該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1：Fundamental fabric;2：Bottom layer coating，3：Middle layer coating;4：Surface layer coating圖1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure model of composite materials

1.3 測試指標(biāo)和方法

1.3.1 介電常數(shù)測試

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)，在BDS50介電譜儀上測試鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料的介電常數(shù)，使用3號電極片(直徑為30 mm)在恒溫恒濕(20～22℃、64%～66%RH)條件下測試[18-20]，介電譜儀的測試單元如圖2所示。

圖2 介電譜儀的測試單元Fig.2 Test cells of dielectric spectrometer

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/石墨三層涂層復(fù)合材料的損耗角正切tanδ，tanδ表征著材料的吸波衰減能力，電磁損耗角正切越大，材料的吸波性能就越好。tanδ=tanδe+tanδm=ε″/ε′+μ″/μ′，式中tanδe為電損耗正切，tanδm為磁損耗正切[23,24]。

2 結(jié)果與討論

2.1 底層涂層厚度對介電常數(shù)和損耗角正切的影響

為了探究底層鐵氧體涂層厚度對介電常數(shù)和損耗角正切的影響，以緯編針織物為基材，制備了一系列不同底層涂層厚度的鐵氧體/ 碳化硅/石墨復(fù)合材料，其涂層厚度工藝參數(shù)如表1所示。

表1 不同底層厚度的涂層工藝參數(shù)Table 1 Coating process parameters of different bottom layer thickness

圖3 底層涂層厚度對介電常數(shù)實部(a),虛部(b)和損耗角正切(c)的影響Fig.3 Effect of the thickness of bottom layer coating on permittivity’s real part (a), imaginary part (b) and loss tangent (c)

介電常數(shù)和損耗角正切可以間接地評價吸波性能。介電常數(shù)是外電場頻率的函數(shù)，實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；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，其值越大則對電磁波的損耗能力越強；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。鐵氧體屬于磁損耗型材料，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。如圖3(a)所示：在低頻段，介電常數(shù)實部由大到小依次是底層鐵氧體涂層厚度為0.5,0.3,0.9,0.7mm的復(fù)合材料，而當(dāng)?shù)讓油繉雍穸葹?.1mm時，該復(fù)合材料實部曲線向低頻方向移動；在高頻段，5種不同底層涂層厚度實部曲線近似重合。如圖3(b)所示：在低頻段，介電常數(shù)虛部由大到小依次是底層涂層厚度為0.5,0.3,0.9,0.7,1.1mm的復(fù)合材料；在高頻段，5種不同底層涂層厚度的虛部曲線近似重合。如3(c)所示：在低頻段，底層涂層厚度為0.3mm和0.5mm的涂層鐵氧體的損耗角正切交替出現(xiàn)最大值，損耗角正切由大到小依次是底層涂層厚度為0.9,0.7,1.1mm的復(fù)合材料；在高頻段，5種不同底層涂層厚度的損耗角正切曲線近似重合。底層鐵氧體涂層厚度為0.9mm時，復(fù)合材料介電常數(shù)實部和虛部值均最大。綜上所述，在低頻段，底層鐵氧體涂層厚度為0.5mm時，復(fù)合材料的介電常數(shù)實部、虛部、損耗角正切值均最大，其介電常數(shù)實部數(shù)值是其他實驗組的近3倍，其損耗角正切值是其他實驗組的近2倍。根據(jù)以上事實，適當(dāng)增加涂層厚度有利于其介電常數(shù)和損耗角正切的提高；另外根據(jù)涂層厚度控制以輕薄為宜的原則，底層鐵氧體涂層厚度為0.5mm較好。

2.2 中層涂層厚度對介電常數(shù)和損耗角正切的影響

為了探究中層碳化硅涂層厚度對介電常數(shù)的影響，以滌綸緯編針織物為基材，制備了一系列不同中層涂層厚度的鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料，其涂層工藝參數(shù)如表2所示。

表2 不同中層厚度的涂層工藝參數(shù)Table 2 Coating process parameters of different middle layer thickness

圖4 中層涂層厚度對介電常數(shù)實部(a), 虛部(b)和損耗角正切(c)的影響Fig.4 Effect of the thickness of middle layer coating on permittivity’s real part (a), imaginary part (b) and loss tangent (c)

碳化硅屬于介電損耗型材料，主要是通過介質(zhì)的極化弛豫損耗吸收電磁波。如圖4所示：在低頻段，當(dāng)中層碳化硅涂層厚度為0.3mm，鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料的介電常數(shù)實部、虛部和損耗角正切值最大。0.5,0.7,0.9,1.1mm涂層厚度的復(fù)合材料實部、虛部和損耗角正切曲線近似重合，中層涂層厚度對介電常數(shù)的實部、虛部和損耗角正切的影響可以忽略。在高頻段，5種不同中層涂層厚度的鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料的實部曲線、虛部曲線和損耗角正切曲線均近似重合，中層涂層厚度對其實部、虛部和損耗角正切的影響可以忽略。根據(jù)以上事實，中層涂層厚度應(yīng)偏低控制，故中層涂層厚度為0.3mm較好。

2.3 表層石墨涂層厚度對介電常數(shù)和損耗角正切的影響

為了探究表層石墨涂層厚度對介電常數(shù)的影響，以緯編針織物為基材，制備了一系列不同表層涂層厚度的鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料，其涂層工藝參數(shù)如表3所示。

表3 不同表層厚度的涂層工藝參數(shù)Table 3 Coating process parameters of different surface layer thickness

石墨屬于電損耗型材料，當(dāng)材料受到外界磁場感應(yīng)時，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流又產(chǎn)生與外界磁場方向相反的磁場，從而與外界磁場相抵消，達(dá)到對外界電磁場的屏蔽作用。由圖5所示，在低頻段，表層石墨涂層厚度為0.3mm時，鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料的實部、虛部及損耗角正切值最大，其他涂層樣品實部曲線、虛部曲線及損耗角正切曲線近似重合，且對實部、虛部及損耗角正切影響較小，特別是在虛部曲線中，其他涂層厚度對介電常數(shù)虛部的影響可以忽略；在高頻段，5種不同表層涂層厚度的復(fù)合材料實部、虛部及損耗角正切相互重合。根據(jù)以上事實，表層涂層厚度應(yīng)偏小控制，故表層涂層厚度為0.3mm較好。

圖5 表層涂層厚度對介電常數(shù)實部(a), 虛部(b)和損耗角正切(c)的影響Fig.5 Effect of the thickness of surface layer coating on permittivity’s real part (a)， imaginary part (b) and loss tangent (c)

3 結(jié)論

(1)選用柔性滌綸緯編針織物為基材，在柔性基材上進(jìn)行鐵氧體/碳化硅/石墨三層復(fù)合涂層整理，成功制備了多種涂層厚度的三層涂層復(fù)合材料。

(2)在較低頻段，該復(fù)合材料介電性能良好，三層涂層厚度均對復(fù)合材料的實部、虛部和損耗角正切影響較大，底層鐵氧體涂層厚度為0.5mm，中層碳化硅涂層厚度為0.3mm，表層石墨涂層厚度為0.3mm時，鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料的介電常數(shù)實部、虛部、損耗角正切最大。

(3)在高頻段，三層涂層厚度均對介電性能影響較小，其實部曲線、虛部曲線、損耗角正切曲線都近似重合。

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(本文責(zé)編：解 宏)

Dielectric Properties of Ferrite/Silicon Carbide/Graphite Three-layer Composite Coating Materials

ZHAO Xiao-ming，LIU Yuan-jun

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

The flexible knitted polyester fabric was used as a base material and a three-layer composite coating was applied to the structure material by using ferrite, silicon carbide, and graphite absorbing materials, and the composites were prepared with different coating thickness. The influences of the thickness of the bottom layer, the middle layer, and the surface layer coating on permittivity’s the real part, the imaginary part and loss tangent were discussed. The results show that the dielectric properties of the composite material are sound at low frequencies. The thickness of the coating has a clear influence on the permittivity’s real part, the imaginary part and the loss tangent of the composite material. When the thickness of the bottom coating layer is 0.5mm, the thickness of the middle coating layer is 0.3mm, and the thickness of the surface coating layer is 0.3mm, the permittivity’s real part, imaginary part, and loss tangent of the ferrite/silicon carbide/graphite coating composite material reaches the maximum value.

polyester;ferrite;silicon carbide;graphite;coating;dielectric constant

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000775

TG132.2

A

1001-4381(2017)01-0033-05

國家自然科學(xué)基金項目(51206122);天津應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃項目(13JCQNJC03000);2015年天津工業(yè)大學(xué)研究生科技創(chuàng)新活動計劃資助項目(15101)

2015-06-16；

2016-06-29

趙曉明(1963-)，男，教授，博士，博導(dǎo)，主要從事吸波涂層材料的制備及其介電性能研究，聯(lián)系地址：天津市賓水西道399號天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院F408(300387)，E-mail:texzhao@163.com