2 mm短切碳纖維吸波涂層的制備與吸波性能

陶 睿，劉朝輝，班國東，羅 平，舒 心

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2 mm短切碳纖維吸波涂層的制備與吸波性能

陶 睿，劉朝輝，班國東，羅 平，舒 心

（后勤工程學(xué)院 化學(xué)與材料工程系，重慶 401311）

基于雷達(dá)吸波涂層薄、輕、寬、強的要求，以2 mm短切碳纖維為吸收劑，水性聚氨酯為基體樹脂，制備了碳纖維吸波涂層，將芳綸紙蜂窩與碳纖維吸波涂層進(jìn)行匹配，并采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試了涂層的吸波性能。結(jié)果表明，單層碳纖維吸波涂層在厚度較薄時吸波性能較差，添加匹配層后性能有所改善。將不同碳纖維含量的吸波涂層與芳綸紙蜂窩進(jìn)行匹配，制備了多層匹配碳纖維吸波涂層，涂層的吸收強度和有效吸收帶寬均得到明顯提升，通過調(diào)整碳纖維涂層和芳綸紙蜂窩的匹配方式，復(fù)合涂層在4.1~13.6 GHz頻率范圍內(nèi)均能實現(xiàn)有效吸收。

短切碳纖維；芳綸紙蜂窩；吸波涂層；寬頻

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，電磁輻射大幅增加，導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁污染，對環(huán)境和人體健康都造成了一定的危害，使用吸波涂層可以較為有效緩解電磁污染問題[1,2]。連續(xù)碳纖維對雷達(dá)波具有強反射作用，難以直接用作吸波涂層填料, 通常對碳纖維進(jìn)行短切處理，然后分散到基體樹脂當(dāng)中制備碳纖維/樹脂復(fù)合材料[3]。吳紅煥[4]研究了短切碳纖維的長度與其電磁性能之間的關(guān)系，長度過短的短切碳纖維，電流沿纖維徑向流動的距離太短，難以產(chǎn)生較大的損耗，長度過長的短切碳纖維，容易形成電磁波的強反射體，不能起到良好的吸波效果。為了進(jìn)一步改善碳纖維的吸波性能，目前的研究主要集中在對碳纖維進(jìn)行活化處理[5,6]；利用納米鐵粉[7]、鎳鐵合金[8]、羰基鐵粉[9]等材料對碳纖維進(jìn)行改性處理；制備特殊結(jié)構(gòu)的碳纖維，如多孔碳纖維[10,11]、螺旋碳纖維[12]等，對通過添加匹配層提高碳纖維吸波涂層吸波性能的研究較少。本研究以短切碳纖維（長度2 mm）為吸收劑，水性聚氨酯為基體樹脂，制備了雷達(dá)吸波涂層，將不同碳纖維含量的吸波涂層與芳綸紙蜂窩進(jìn)行匹配，并對其吸波性能進(jìn)行了研究。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

碳纖維：上海力碩新材料科技有限公司LS-CF2-S型短切碳纖維；水性聚氨酯：上海源禾化工有限公司Bayhydrol2648型水性聚氨酯；增稠劑：廣州宏潤化工有限公司RM-8W型增稠劑；蜂窩：蘇州芳磊蜂窩復(fù)合材料有限公司AC-NH間位芳綸紙蜂窩。

1.2 試樣制備

稱取一定質(zhì)量聚氨酯，加入0.5%(wt)的增稠劑，利用分散機（SF智能型分散砂磨機）增稠10 min，轉(zhuǎn)速為300 r/min。增稠完成后，按照預(yù)先設(shè)計的碳纖維摻量，稱取相應(yīng)質(zhì)量的碳纖維加入樹脂中，繼續(xù)以300 r/min的轉(zhuǎn)速分散30 min。分散完成后，將涂料按一定厚度噴涂于模具中，升溫至 50 ℃固化6 h，待涂層完全固化后進(jìn)行脫模，并將蜂窩與碳纖維涂層匹配，制備多層匹配雷達(dá)吸波涂層。

1.3 性能測試

采用HITACHI-53700N型掃描電子顯微鏡和SG-51型金相顯微鏡對短切碳纖維和涂層的微觀形貌進(jìn)行表征。采用弓形法對電磁波反射率進(jìn)行測試，測試設(shè)備為Agilent PNA E8363B型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測試頻率為2~18 GHz。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌分析

圖1為短切碳纖維掃描電鏡圖像，圖中顯示，碳纖維呈絲狀結(jié)構(gòu)，平均直徑7 μm，表面存在沿纖維軸向的小槽，基本無其它附著物，這有利于碳纖維與基體樹脂之間的結(jié)合，提高碳纖維的分散性。圖2為碳纖維吸波涂層的金相顯微鏡圖像，圖中顯示，短切碳纖維沿不同方向隨機分布在基體樹脂當(dāng)中，碳纖維之間的間距較為均勻，無明顯的纏結(jié)和團聚現(xiàn)象。

圖1 短切碳纖維SEM照片

圖2 短切碳纖維SEM照片

2.2 吸波性能分析

2.2.1 單層碳纖維涂層

圖3為單層碳纖維吸波涂層（涂層厚度0.5 mm，碳纖維含量分別為0.1%、0.2%、 0.3%、 0.5%(wt)）的電磁波反射率測試曲線。圖3中顯示，雖然隨著碳纖維含量的增加，涂層的吸波性能有所提升，但最大吸收強度也僅達(dá)到了-2 dB。

圖3 單層碳纖維涂層反射率測試曲線

根據(jù)單層平板吸波涂層反射吸收模型，當(dāng)平面電磁波i由空氣入射到單層平板吸波涂層前界面時，一部分電磁波r會直接被涂層表面反射回空氣當(dāng)中，另一部分電磁波t則會透射進(jìn)入吸波涂層內(nèi)部，被涂層內(nèi)部的吸收劑損耗吸收后到達(dá)涂層后界面，被金屬底板反射回涂層中，經(jīng)二次吸收后，剩余能量Ee出射到空氣中，假設(shè)涂層中損耗的能量為l，則具體過程如圖4所示。

圖4 單層平板吸波涂層反射吸收模型

由以上分析可知，吸波涂層對電磁波的吸收主要來源于兩個部分：(1)吸收劑對進(jìn)入涂層內(nèi)部電磁波造成的損耗吸收；(2)涂層表面反射的電磁波與涂層后方金屬板反射的電磁波干涉相消造成的吸收。因此，單層碳纖維涂層無法對電磁波進(jìn)行有效吸收可能存在三方面的原因：一是電磁波大部分在涂層表面被反射，沒有進(jìn)入涂層內(nèi)部；二是電磁波進(jìn)入涂層內(nèi)部后，涂層中的吸收劑不能對電磁波造成有效的損耗；三是在涂層表面和涂層后方金屬板反射的電磁波相位和振幅不匹配，沒有產(chǎn)生明顯的干涉吸收。針對這些原因，可將單層碳纖維吸波涂層與空氣層進(jìn)行匹配，進(jìn)一步研究涂層的吸波性能。

2.2.2 碳纖維涂層與空氣層匹配

圖5 蜂窩匹配碳纖維涂層反射率測試曲線

圖5為不同碳纖維含量的吸波涂層（厚度0.5 mm）和不同厚度的芳綸紙蜂窩（2、4、6、8 mm）進(jìn)行匹配后測得的反射率測試曲線。圖中顯示，碳纖維涂層與蜂窩進(jìn)行匹配后，其反射率測試曲線與匹配之前相比，得到了明顯的改善。

平面電磁波的傳播理論指出，電磁波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，兩種介質(zhì)的本征阻抗變化越小，電磁波的在界面的反射率越低，因此要想使電磁波更好的進(jìn)入吸波涂層內(nèi)部，必須使吸波涂層的本征阻抗接近于空氣的本征阻抗。圖5中，隨著碳纖維含量的增加，涂層對高頻電磁波的損耗能力逐漸降低，當(dāng)碳纖維含量超過0.3%(wt)后，涂層在X波段和Ku波段的吸波性能基本消失，且空氣匹配層厚度的變化對涂層吸波性能影響很小。這是由于碳纖維屬于電損耗材料，不具備磁損耗性能，隨著碳纖維含量的增加，涂層的介電常數(shù)也隨之增加，而磁導(dǎo)率始終近似為1，因此碳纖維涂層與空氣間本征阻抗的變化幅度增大，當(dāng)電磁波入射到涂層表面時大部分能量無法進(jìn)入涂層內(nèi)部，不能形成有效的損耗。

根據(jù)電磁波傳播中的趨膚效應(yīng)，在相同介質(zhì)中，電磁波的趨膚深度隨其頻率的減小而增大。圖5中，當(dāng)碳纖維含量較大時，基體樹脂不能完全將短切碳纖維絲分隔開，在涂層內(nèi)部形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，呈現(xiàn)出導(dǎo)體的性質(zhì)，由于涂層厚度較小，而電磁波在頻率相對較低時趨膚深度較大，因此部分電磁波可以穿透涂層。穿透涂層的電磁波雖然場強較入射電磁波減小，但頻率沒有發(fā)生變化，經(jīng)涂層后方的金屬板反射后會再次穿透涂層回到空氣當(dāng)中。通過調(diào)整芳綸紙蜂窩的厚度，可以調(diào)節(jié)經(jīng)涂層表面和涂層后方金屬板反射的兩組電磁波之間的相位差，使兩組波之間發(fā)生干涉現(xiàn)象，當(dāng)涂層的反射率達(dá)到最低時，表明因干涉相消造成的能量損耗最大，此時的蜂窩厚度即為最佳匹配厚度。圖5(a)顯示，當(dāng)碳纖維含量為0.1%(wt)時，采用2 mm厚的蜂窩，吸波性能最佳，涂層在10.8 GHz處反射率最低，達(dá)到-11.2 dB，有效吸收頻段（<-10 dB）為9.5~12.2 GHz；圖5(b)顯示，當(dāng)碳纖維含量為0.2%時，采用4 mm的蜂窩，吸波性能最佳，涂層在4.3 GHz處反射率最低，達(dá)到-23.5 dB，有效吸收頻段為3.7~4.9 GHz；圖5(c)和圖5(d)顯示，當(dāng)碳纖維含量為0.3% 和0.5%時，在各自最佳蜂窩厚度下，其有效吸收頻段與碳纖維含量為0.2%時較為接近，但吸收強度降低。

2.2.3 多層匹配碳纖維吸波涂層

2.2.2中的結(jié)論表明，單層碳纖維吸波涂層與蜂窩進(jìn)行匹配后，吸波性能有所提升，通過調(diào)節(jié)蜂窩的匹配厚度，涂層在部分頻段對電磁波造成了一定的損耗，但有效吸收帶寬較窄。分析表明，碳纖維含量為0.1%(wt)時，涂層在X波段（8~12 GHz）和Ku波段（12~18 GHz）吸波性能最佳，碳纖維含量為0.2%時，涂層在S（2~4 GHz）波段和C波段（4~8 GHz）吸波性能最佳，因此，可將兩種不同含量的涂層進(jìn)行匹配，拓寬涂層的有效吸收頻段。圖6為多層匹配碳纖維吸波涂層的反射率測試曲線，上層碳纖維含量為0.1%（空氣匹配層厚度2 mm），下層碳纖維含量為0.2%.（蜂窩厚度分別為2、4、6、8 mm）。圖中顯示，隨著下層蜂窩厚度增加，涂層在低頻的吸波性能逐漸減弱，在X波段吸波性能逐漸增強。當(dāng)下層蜂窩厚度為2 mm時，復(fù)合涂層的有效吸收頻帶最寬，在4.1~13.6 GHz頻率范圍內(nèi)反射率均<-10 dB，有效吸收帶寬達(dá)到9.5 GHz；當(dāng)下層蜂窩厚度為8 mm時，復(fù)合涂層在X波段具有最佳吸波性能，涂層反射率在10.9 GHz處最低達(dá)到-26.3 dB，X波段平均反射率達(dá)到-16.1 dB。

圖6 多層匹配碳纖維吸波涂層反射率測試曲線

3 結(jié)論

（1）單層碳纖維吸波涂層在厚度較薄時吸波性能較差，在與空氣層進(jìn)行匹配后其吸波強度得到明顯提升。當(dāng)碳纖維含量為0.1%(wt)時，空氣匹配層厚度為2 mm時，涂層在X波段和K波段吸收強度最佳；當(dāng)碳纖維含量為0.2%時，空氣匹配層厚度為4 mm時，涂層在S波段和C波段吸收強度最佳。

（2）將不同含量的碳纖維涂層進(jìn)行匹配制備多層匹配碳纖維吸波涂層，可有效提升涂層的吸波性能。匹配方案從上到下依次為0.1%(wt)碳纖維涂層、2 mm蜂窩、0.2%碳纖維涂層、2 mm蜂窩時，有效吸收頻帶最寬；匹配方案從上到下依次為0.1%碳纖維涂層、2 mm蜂窩、0.2%碳纖維涂層、8 mm蜂窩時，在X波段吸波性能最佳。

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Preparation and Absorbing Property of 2 mm Short Carbon Fiber Absorbing Coating

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（Department of Chemistry and Material Engineering, Logistic Engineering University, Chongqing 401311, China）

Based on the requirements of “thin, light, wide and strong” of radar absorbing coating, the radar absorbing coating was prepared by using short carbon fiber as absorbent and waterborne polyurethane as matrix resin, the aramid honeycomb was used to match with the carbon fiber coating, and the absorbing properties of the coating were tested by the vector network analyzer. The results show that the absorbing properties of single layer carbon fiber absorbing coating are poor when the thickness is thin, and the performance can be slightly improved after the matched layer is adopted. Multilayer matched carbon fiber absorbing coatings were prepared by using the aramid honeycomb to match with carbon fiber absorbing coating with different carbon fiber contents, the absorption intensity and effective absorption bandwidth of the coating were improved obviously. By changing the matching methods, the composite coating can achieve effective absorption in frequency range of 4.1~13.6 GHz.

Short carbon fiber; Aramid honeycomb; Absorbing coating; Broadband

TB 34

A

1671-0460（2017）10-2018-04

全軍后勤科研計劃項目，項目號：BY115C007。

2017-07-03

陶睿(1993—), 男, 重慶人，碩士研究生, 研究方向：雷達(dá)吸波材料。E-mail：itaorui@163.com。

劉朝輝（1965—），男，教授，博士，研究方向：隱身材料。