環(huán)氧基復(fù)合吸波涂層的制備與性能研究

王順順，張喆，王霏，張際亮，顏丙功，顧永華，江開勇

環(huán)氧基復(fù)合吸波涂層的制備與性能研究

王順順，張喆，王霏，張際亮，顏丙功，顧永華，江開勇

（華僑大學(xué) a.福建省特種能場(chǎng)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 b.廈門市數(shù)字化視覺測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021）

制備綜合吸波性能良好的復(fù)合吸波涂層。選擇炭黑和羰基鐵粉進(jìn)行機(jī)械混合，作為吸波劑加入到環(huán)氧樹脂中進(jìn)行吸波材料制備，利用掃描電子顯微鏡對(duì)炭黑和羰基鐵粉分別進(jìn)行微觀形貌的觀察。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在2～18 GHz內(nèi)測(cè)試其電磁性能，研究炭黑和羰基鐵粉含量及涂層厚度對(duì)吸波性能的影響規(guī)律。通過觀察微觀形貌發(fā)現(xiàn)，炭黑顆粒較小，出現(xiàn)團(tuán)聚和粘附性現(xiàn)象，羰基鐵粉顆粒呈球狀，表面光滑，分散性好。復(fù)合后的材料混合較均勻，羰基鐵粉分散在基體中，與炭黑團(tuán)配合能夠提高材料的吸波性能。純炭黑的吸波頻帶較窄，純羰基鐵粉的頻帶主要集中在中高頻段，而復(fù)合后的吸波頻段較寬，有著良好的吸波性能。炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為250%，厚度為2 mm時(shí)，吸波涂層在9～18 GHz的微波吸收率超過90%，且反射損耗峰值達(dá)到近–45 dB。炭黑和羰基鐵粉復(fù)合后，吸波材料的吸波頻帶更寬，效果更好，解決了單一吸波劑涂層存在的吸波頻帶窄和集中于高頻段的問題。通過調(diào)節(jié)涂層厚度，可以使材料在相對(duì)應(yīng)的波段獲得更好的吸波性能，從而得到更廣泛的應(yīng)用。

吸波涂層；炭黑；羰基鐵粉；復(fù)介電常數(shù)；復(fù)磁導(dǎo)率；吸波性能

在電子設(shè)備和軍事裝備飛速發(fā)展的時(shí)代，吸波材料廣泛應(yīng)用于軍事武器、雷達(dá)、通信、建筑等行業(yè)中[1-5]。在軍事領(lǐng)域利用吸波材料能夠提高無(wú)人機(jī)等設(shè)備的隱蔽性，從而提高探測(cè)和偵查能力，不受激光武器的攻擊等[6]。這不僅需要吸波材料的吸波性能強(qiáng)，并且對(duì)吸波材料的輕質(zhì)性、厚度、寬頻性等提出了新的要求[7]，因而需要進(jìn)一步研究材料屬性，獲得綜合性能更高的新型吸波材料。

根據(jù)電磁損耗的機(jī)理，吸波材料可分為電介質(zhì)型、電阻型和磁介質(zhì)型[8]。其中電介質(zhì)型的代表材料是氮化硅[9]，其吸波機(jī)理是介質(zhì)極化的弛豫損耗[10]；電阻型包括炭黑[11-12]、碳纖維[13]、碳化硅[14-15]、石墨烯[16-17]、碳納米管[18-19]等，主要通過材料與電場(chǎng)的相互作用實(shí)現(xiàn)吸波，吸波效果取決于材料本身的介電常數(shù)和電導(dǎo)率；磁介質(zhì)型包括鐵氧體[20-21]、羰基鐵粉[22-23]等，其吸波機(jī)理主要是自共振和磁滯損耗。由于吸波機(jī)理的限制，采用單一類型吸波劑無(wú)法實(shí)現(xiàn)寬頻的吸波性能，將2種或2種以上的吸波劑混合使用，制備復(fù)合涂層成為新的發(fā)展趨勢(shì)。

炭黑作為電阻型材料，具有質(zhì)量輕、介電性能好、成本低等特點(diǎn)，但同時(shí)存在介電常數(shù)過大、阻抗匹配較差、頻帶窄等缺點(diǎn)[12,24-25]。羰基鐵粉有較高的磁導(dǎo)率，且吸波頻帶寬，成本較低，但也存在密度大、難以實(shí)現(xiàn)輕量化的不足[26-27]。因此，為了獲得綜合吸波性能良好的復(fù)合材料，可以將2種材料共用。共用的方法有2種，一種是將羰基鐵粉作為匹配層，炭黑作為損耗層，制備多層吸波材料；另一種則是直接將二者混合制備吸波材料。Wang等[28]將羰基鐵粉和炭黑分別用于匹配層和吸收層，發(fā)現(xiàn)在2～18 GHz中有2個(gè)吸收峰，并且在羰基鐵粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，炭黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%或60%時(shí)，<–4 dB的帶寬大于 10 GHz，但涂層較厚，總厚度為4 mm。栗志等[29]通過將羰基鐵粉、炭黑和硫氧鎂基體材料復(fù)合，設(shè)計(jì)了強(qiáng)度高、耐熱好的吸波涂層，將羰基鐵粉和炭黑分別作為匹配層與吸收層，最終在匹配層內(nèi)添加2%炭黑達(dá)到吸波效果，但沒有對(duì)炭黑含量進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)以確定其最佳用量。Liu等[30]通過試驗(yàn)得到25%的炭黑與25%的羰基鐵粉加入到環(huán)氧樹脂中能夠制備出吸波性能良好的涂層，但炭黑含量過高會(huì)影響材料整體的黏度，在實(shí)際制備中增加了困難。Shen等[31]將羰基鐵粉、炭黑復(fù)合加入到線性低密度聚乙烯基體中制備吸波材料，發(fā)現(xiàn)500%的羰基鐵粉和7%的炭黑混合均勻后，吸波效果比單一炭黑或羰基鐵粉更好，但是羰基鐵粉含量偏高，會(huì)大大加大涂層的密度，不利于制造和實(shí)際使用。由此可見，炭黑與羰基鐵粉復(fù)合吸波材料可有效提高綜合吸波性能，但針對(duì)材料配方和制備工藝的定量研究還不夠具體和深入。

本文將電阻型吸波材料炭黑與磁介質(zhì)型吸波材料羰基鐵粉進(jìn)行混合，在掃描電鏡下觀察其微觀形貌，并且與單純的炭黑和羰基鐵粉作對(duì)比，討論其吸波性能。重點(diǎn)關(guān)注不同配比的炭黑和羰基鐵粉含量以及涂層厚度對(duì)復(fù)合材料整體吸波性能的影響，最終制備出寬頻高效的吸波涂層。

1 試驗(yàn)

1.1 材料與制備

E51環(huán)氧樹脂由廣州穗心化工有限公司提供，固化劑1021由絡(luò)合高新材料（上海）有限公司提供，炭黑（CB）由天津正遠(yuǎn)科技有限公司提供，羰基鐵粉（CIP）由河北樂伯金屬材料科技有限公司提供。在E51環(huán)氧樹脂中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的1021固化劑，放入攪拌機(jī)中進(jìn)行混合，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為300 r/min，攪拌1 h以保證攪拌均勻，再加入相對(duì)應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的羰基鐵粉，均勻攪拌30 min后，加入相對(duì)應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的炭黑，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為與環(huán)氧樹脂的百分比。炭黑加入后，將材料放入攪拌機(jī)中均勻攪拌1 h后進(jìn)行脫泡。本試驗(yàn)利用臺(tái)式脫泡離心機(jī)進(jìn)行脫泡，轉(zhuǎn)速為4500 r/min，脫泡時(shí)間為5 min。復(fù)合材料脫泡之后擠出到對(duì)應(yīng)的模具中，放入80 ℃烘箱中恒溫10 h使其完全固化，取出樣品在干燥環(huán)境放置7 d，最終完成制樣。制得的試樣為外徑7 mm、內(nèi)徑3 mm、高2 mm的空心圓環(huán)。

1.2 測(cè)試與表征

使用掃描電鏡（SEM，JEOL JSM-IT500LA）觀察炭黑和羰基鐵粉微粒，以及固化后復(fù)合材料的微觀形貌。采用傳輸線同軸法，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Agilent E5071C Keysight）在2～18 GHz頻率內(nèi)測(cè)量材料的電磁參數(shù)，包括復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)前期試驗(yàn)，以4%炭黑或250%羰基鐵粉作為單一吸波劑的材料吸波效果最佳。然而，2種吸波劑復(fù)合后，吸波性能隨含量的變化規(guī)律受到面密度、阻抗匹配等多種因素綜合影響，需要設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)一步探究。本文設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)，分別探究炭黑和羰基鐵粉含量對(duì)復(fù)合材料電磁性能影響，具體的材料配比見表1和表2。

表1 不同炭黑含量的吸波材料配比

Tab.1 Ratio of absorbing materials with different carbon black content　wt.%

表2 不同羰基鐵粉含量的吸波材料配比

Tab.2 Ratio of absorbing materials with different carbonyl iron powder content 　wt.%

在上述測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究涂層吸波性能的影響因素。吸波性能通常采用反射損耗RL來(lái)表示，在涂層中，由于沒有復(fù)雜結(jié)構(gòu)增加衰減，反射損耗通常由式（1）和（2）所示[32]。

式中：為玻爾茲曼常數(shù)；為涂層厚度；和代表材料的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率。通過式（1）和（2）可以看出，反射損耗與材料的配方（電磁參數(shù)）及涂層厚度有關(guān)。因此，將炭黑含量、羰基鐵粉含量和厚度分別作為變量進(jìn)行探究，炭黑含量、羰基鐵粉含量分別見表1和表2，厚度分別取值為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm。

由于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法和處理難度太大，而且效率較低，所以需要使用遙感技術(shù)進(jìn)行大范圍監(jiān)測(cè)。遙感影像能真實(shí)反映調(diào)查區(qū)的實(shí)際情況，且不受交通和空間的限制。基于遙感技術(shù)的調(diào)查對(duì)于大區(qū)域范圍來(lái)說具有優(yōu)越性，可以節(jié)省人力物力。東川泥石流以其分布之廣、規(guī)模之大、類型齊全、爆發(fā)猛烈而著名，以東川泥石流為研究對(duì)象具有一定的代表性，對(duì)其進(jìn)行研究有利于掌握泥石流災(zāi)害規(guī)律及制定防災(zāi)減災(zāi)措施。但是遙感影像也有一定的局限性，遙感影像受天氣影響比較大，云層會(huì)在影像上形成陰影，增加解譯的難度，遙感影像在泥石流災(zāi)害解譯中的最大弱點(diǎn)是缺少立體視覺。

2 分析與討論

2.1 吸波劑和復(fù)合材料的微觀形貌

炭黑和羰基鐵粉在掃描電鏡下（5 000倍）的微觀形貌如圖1和圖2所示。由圖1可知，炭黑顆粒較小，出現(xiàn)了團(tuán)聚和粘附現(xiàn)象。這種團(tuán)聚和粘附形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，能夠增大材料的電導(dǎo)率和介電常數(shù)。但因?yàn)樘亢谂c基體樹脂的相容性較差，阻抗匹配較低，所以宏觀上很難大幅度提高材料的吸波性能。由圖2可以看出，羰基鐵粉顆?；境是驙?，顆粒較為飽滿，粒徑為1～5 μm，表面光滑，這有利于其在基體樹脂中均勻分散。與炭黑相比，羰基鐵粉的吸波性能更好，主要因?yàn)轸驶F粉依靠介電損耗和磁損耗，能夠提高阻抗匹配，從而增強(qiáng)材料對(duì)電磁波的吸收。但羰基鐵粉的吸收頻段較窄，且密度更大，不利于吸波涂層的輕量化。

圖1 炭黑的SEM形貌

圖2 羰基鐵粉的SEM形貌

制備完成的環(huán)氧樹脂基復(fù)合吸波材料的微觀形貌如圖3所示。從圖3可以清晰地看出，羰基鐵粉顆粒均勻分散在基體材料中，無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象。與純炭黑相比，加入羰基鐵粉能夠有效降低材料的介電常數(shù)，提高阻抗匹配。與純羰基鐵粉相比，炭黑的加入則能夠提高材料的介電常數(shù)，減少羰基鐵粉的使用量，在提高吸波性能的同時(shí)，降低材料密度。炭黑與羰基鐵粉復(fù)合使用，材料的吸波機(jī)理也隨之發(fā)生改變，與純炭黑或純羰基鐵粉對(duì)比，可通過電與磁的雙重?fù)p耗機(jī)制拓寬吸波頻帶，提高吸波材料的性能。

圖3 復(fù)合材料的SEM形貌

2.2 吸波劑含量對(duì)復(fù)合材料電磁參數(shù)的影響

2.2.1 炭黑含量

復(fù)合材料在電磁性能的描述中一般需要比較2個(gè)參數(shù)：一個(gè)是復(fù)介電常數(shù)；另一個(gè)是復(fù)磁導(dǎo)率。介電常數(shù)的實(shí)部代表介質(zhì)儲(chǔ)存電磁波的能力，虛部″代表?yè)p耗電磁波的能力；復(fù)磁導(dǎo)率實(shí)部代表了介質(zhì)對(duì)電磁波的儲(chǔ)存能力，而虛部″代表?yè)p耗電磁波的能力。

不同含量炭黑添加到復(fù)合材料后，復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)部和虛部與對(duì)應(yīng)頻率之間的關(guān)系分別如圖4和圖5所示（“CB2-CIP2.5”表示“炭黑2%-羰基鐵粉250%”，下同）。通過圖4a、b對(duì)比介電常數(shù)的實(shí)部和虛部發(fā)現(xiàn)，增大炭黑含量，介電常數(shù)的實(shí)部增加，虛部基本不變，但整體介電常數(shù)緩慢增長(zhǎng)，但當(dāng)炭黑含量增加到10%時(shí)，復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部總體上均有明顯提升，實(shí)部的均值在12以上。通過分析圖5a、b發(fā)現(xiàn)，隨著炭黑含量的增加，材料的磁導(dǎo)率沒有明顯變化，主要是因?yàn)樘亢谧鳛榈湫偷碾娮栊蛽p耗材料，不具有導(dǎo)磁性，對(duì)材料的磁導(dǎo)率不產(chǎn)生影響，但炭黑含量在10%時(shí)，材料的復(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)部和虛部都有一定的下降。

圖4 不同炭黑含量對(duì)材料復(fù)介電常數(shù)的影響

圖5 不同炭黑含量對(duì)材料復(fù)磁導(dǎo)率的影響

復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率虛部與實(shí)部的比值大小決定了材料的損耗形式，稱為損耗角的正切值，如式（3）和式（4）所示。

圖6 不同含量炭黑的損耗角正切值

2.2.2 羰基鐵粉含量

不同含量羰基鐵粉復(fù)合材料的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率如圖7和圖8所示。通過圖7可知，隨著羰基鐵粉含量的增加，材料的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部先增加，羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)到150%后，再加入羰基鐵粉，材料的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部有下降的趨勢(shì)，但是下降幅度較小。羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在250%時(shí)，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部降低到6左右。后續(xù)再添加羰基鐵粉，材料整體的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部有了大幅提高，而羰基鐵粉含量對(duì)復(fù)介電常數(shù)的虛部無(wú)明顯影響。通過圖8可知，羰基鐵粉的加入相比純炭黑能夠明顯提高材料的復(fù)磁導(dǎo)率，而且羰基鐵粉含量的增加與復(fù)磁導(dǎo)率基本呈正相關(guān)趨勢(shì)。

圖7 不同羰基鐵粉含量對(duì)材料復(fù)介電常數(shù)的影響

圖8 不同羰基鐵粉含量對(duì)材料復(fù)磁導(dǎo)率的影響

由于介電常數(shù)和磁導(dǎo)率并不是單調(diào)變化的，因此根據(jù)式（3）和（4）計(jì)算羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%、150%、250%、300%時(shí)的損耗角正切值，如圖9所示。通過圖9可以看出，材料吸波機(jī)制以磁損耗為主。雖然羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在150%時(shí)，復(fù)磁導(dǎo)率實(shí)部有所下降，但是與羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%時(shí)相比，磁損耗的特性仍然更加顯著。羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到250%時(shí)，磁損耗基本達(dá)到最大值，繼續(xù)添加羰基鐵粉，材料的損耗性質(zhì)基本沒有提升。

圖9 不同含量羰基鐵粉的損耗角正切值

2.3 復(fù)合材料的吸波性能

炭黑/羰基鐵粉的反射損耗與頻率之間的關(guān)系如圖10所示。通過圖10總體可以看出，隨著厚度的增加，各組分的峰值均向左移動(dòng)。圖10a、b中，當(dāng)厚度為1.0 mm時(shí)，材料整體的吸波性能較差，雖然羰基鐵粉和炭黑的加入能夠提升吸波性能，但提升幅度有限，吸波性能整體受厚度限制。當(dāng)厚度提升到1.5 mm時(shí)，添加量較多的CB8-CIP2.5組在高頻（12～18 GHz）出現(xiàn)峰值，但是帶寬在6 GHz左右，帶寬較窄。隨著厚度增加到2.0 mm，峰值逐漸左移，吸波帶寬都有明顯增加，CB2-CIP2.5和CB4-CIP2.5和CB4-CIP1.5組的吸波效果更好。其中，CB4-CIP2.5組的帶寬最寬，9～18 GHz的吸收率在90%以上，峰值約為－40 dB。隨著厚度繼續(xù)增加到3.0 mm，帶寬變窄，吸波效果減弱。相比于純炭黑和純羰基鐵粉的結(jié)果，將炭黑和羰基鐵粉復(fù)合的吸波劑能夠大幅提升吸波性能。但在厚度較低時(shí)，炭黑或羰基鐵粉含量過高，同樣也會(huì)減小峰值，其原因是過高含量的吸波劑使得涂層表面的阻抗匹配大大降低，導(dǎo)致電磁波無(wú)法進(jìn)入材料內(nèi)部。

比較反射損耗與厚度頻率的三維圖（圖11a—k）可更直觀地看出上述問題，還可以看出，厚度為1.5～2.5 mm時(shí)，炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%和4%、羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為250%的吸波效果較好。涂層厚度為1～1.5 mm時(shí)，炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%、羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為250%的吸波效果較強(qiáng)。通過觀察投影圖可以看出，隨著厚度的增加，材料出現(xiàn)峰值的頻率由高頻向低頻移動(dòng)，整體近似為扇形。這主要是因?yàn)槠桨褰Y(jié)構(gòu)在1/4波長(zhǎng)的厚度下能夠在截面之間形成干涉相消，能夠使損耗的介質(zhì)層與自由空間形成較好的阻抗匹配，從而使得該頻率下的反射損耗達(dá)到峰值。

不同材料反射損耗的峰值對(duì)比如圖12所示，虛線代表吸波效率達(dá)90%以上（<–10 dB）的分界線。通過圖12a、b均可看出，炭黑、羰基鐵粉均添加后，相較于添加純炭黑或純羰基鐵粉的吸波性能明顯提高。圖12a中，涂層厚度為1.0 mm時(shí)，材料的反射損耗均在–10 dB以內(nèi)，吸波效果不明顯，但隨著厚度的不斷增加，在1.0～2.0 mm時(shí)，吸波效果大幅提高。繼續(xù)增大材料的厚度，吸波效果逐漸下降，但下降趨勢(shì)較小，表明材料厚度大于2.0 mm后，對(duì)吸波效果無(wú)明顯影響。在炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%和4%時(shí)，吸波效果較好，變化明顯，繼續(xù)增大炭黑含量后，吸波峰值變差。圖12b中，羰基鐵粉含量偏高（>100%）時(shí)的吸波效果較好，并且在涂層厚度增加的過程中，吸波效果均為先增加、后減小。

不同厚度下復(fù)合涂層的帶寬（<–10 dB）如圖13所示。–10 dB代表材料對(duì)電磁波的吸收率在90%。通過圖13a可知，在厚度為1.0 mm時(shí)，帶寬均為0，表明電磁波的吸收率很低。復(fù)合涂層厚度從1.0 mm逐漸提升到2.0 mm的過程中，帶寬明顯增加，電磁波吸收率有了顯著的提高，帶寬最大值出現(xiàn)在炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%、羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為250%時(shí)，近9 GHz。繼續(xù)增加厚度，帶寬逐漸減小，但減小的幅度較小，這與最大峰值出現(xiàn)的規(guī)律基本一致。通過對(duì)比炭黑含量可以看出，炭黑含量較高的試驗(yàn)組在1.5 mm時(shí)的帶寬最寬，說明吸收率在90%以上的頻率更多，整體吸波性能更好；而炭黑含量較低的復(fù)合涂層厚度在2.0～3.0 mm時(shí)，帶寬均大于高炭黑含量組。另外，相比較于不加炭黑試驗(yàn)組，加少量炭黑能夠提高材料的電磁波吸收率。通過圖13b可以看出，不加羰基鐵粉的試驗(yàn)組，帶寬均為0，吸波效果較差，但將羰基鐵粉和炭黑復(fù)合之后，帶寬比之前有了明顯增加。與炭黑試驗(yàn)組的試驗(yàn)規(guī)律近似，在1.0 mm處電磁波吸收率均比較差，但當(dāng)涂層厚度增大到2 mm時(shí)，涂層的吸收率有了明顯的提升，帶寬大大增寬。當(dāng)炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為250%時(shí)，帶寬達(dá)到最大。涂層厚度繼續(xù)增加，帶寬明顯變窄，吸波效果減弱。通過比較羰基鐵粉含量發(fā)現(xiàn)，羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在低于250%時(shí)，涂層在2.0 mm處的帶寬最寬；當(dāng)羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于250%時(shí)，涂層在1.5 mm處達(dá)到最寬。

圖10 不同厚度的復(fù)合材料反射損耗

通過圖10—13對(duì)吸收帶寬（<–10 dB）以及峰值的比較，綜合制備過程中的材料特性，最終選擇4%炭黑、250%羰基鐵粉作為材料，制備的涂層厚度為2 mm時(shí)，在9～18 GHz的吸收率在90%以上，并且峰值出現(xiàn)在12.5 GHz左右，峰值約為–40 dB。

分析材料的吸波機(jī)理可知，電磁波垂直入射到涂層表面，大部分被吸波劑的涂層進(jìn)行損耗，小部分在界面發(fā)生反射。由圖6和圖9所示損耗角正切大小可知，炭黑/羰基鐵粉復(fù)合材料的磁損耗角正切遠(yuǎn)大于介電損耗角正切，材料的能量轉(zhuǎn)換主要是由磁損耗為主，介電損耗為輔。磁損耗的損耗機(jī)制主要是依賴于磁滯損耗、共振、渦流損耗等機(jī)制，增大電磁波散射[21]。介電損耗主要是通過炭黑粒子對(duì)電磁波的反射和散射，以及炭黑和羰基鐵粉之間的界面極化[33]。將電阻型損耗機(jī)理的炭黑和磁損耗機(jī)理為主的羰基鐵粉復(fù)合能夠產(chǎn)生相互作用，二者適量地混合能夠有效減少炭黑和羰基鐵粉的團(tuán)聚，形成復(fù)合導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，有利于電子躍遷，并使得涂層內(nèi)部產(chǎn)生界面極化，改善了復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率，提高阻抗匹配，使其利于吸收電磁波，提高電磁波的吸收帶寬和峰值。當(dāng)其中某一成分過高或單一成分吸波時(shí)，容易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，形成渦流效應(yīng)強(qiáng)烈的傳導(dǎo)電流，降低涂層阻抗匹配，從而影響吸收效果。

圖11 不同厚度吸波涂層的反射損耗三維圖

圖12 反射損耗峰值

圖13 不同厚度涂層的帶寬（<–10 dB）

3 結(jié)論

1）單純的炭黑或羰基鐵粉的吸波效果較差，吸收頻帶較窄，不適合作為最終的吸波材料應(yīng)用。

2）通過確定炭黑/羰基鐵粉的配比，獲得更好的吸波效果。當(dāng)炭黑含量增加時(shí)，材料的介電屬性得到加強(qiáng)，吸波效果有明顯提升，在炭黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，吸波效果最好。進(jìn)一步提高炭黑含量，吸波性能降低，整個(gè)過程反射損耗峰值逐漸向左移動(dòng)。當(dāng)羰基鐵粉含量增加時(shí)，材料的吸波性能提高，在羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為250%時(shí)達(dá)到最大，進(jìn)一步提高羰基鐵粉含量，材料的吸波性能降低，整個(gè)過程中反射損耗峰值逐漸左移。因此，最終選擇4%炭黑和250%羰基的鐵粉作為材料，其整體的吸波性能較好。

3）通過仿真分析不同厚度的吸波涂層對(duì)吸波性能的影響，本文設(shè)計(jì)的涂層厚度為2 mm，吸波帶寬（<–10 dB）覆蓋9～18 GHz，達(dá)到了寬頻吸收微波的性能。

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Preparation and Properties of Epoxy Matrix Composite Absorbing Materials

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(a. Fujian Key Laboratory of Special Energy Manufacturing, b. Xiamen Key Laboratory of Digital Vision Measurement, Huaqiao University, Fujian Xiamen 361021, China)

This paper is to prepare hybrid composite absorbing coating with good absorbing properties. Carbon black and carbonyl iron powder are mixed mechanically and added into epoxy resin as absorbent for the preparation of absorbing materials. The microstructure of carbon black and carbonyl iron powder is observed by scanning electron microscope. The electromagnetic properties are tested by vector network analyzer in 2～18 GHz. The effects of carbon black and carbonyl iron powder content and the coating thickness on the absorbing properties are studied. By observing the microscopic morphology, it is found that the carbon black particles are small, appearing agglomeration and adhesion phenomenon, while the carbonyl iron powder particles are spherical, the surface is smooth, good dispersion. The composite material mixture is more uniform, the carbonyl iron powder dispersed in the matrix with carbon black group can improve the absorbing performance of the material; The absorbing frequency band of pure carbon black is narrow, and that of pure carbonyl iron powder is mainly concentrated in the middle and high frequency band, while the absorbing frequency band of composite is wider, which has good absorbing performance. When the content of carbon black is 4%, carbonyl iron powder is 250%, and the thickness of the absorbing coating is 2 mm, the absorption rate of the coating is more than 90% in the range of 9～18 GHz, and the peak value of reflection loss is nearly –45 dB. The composite material of carbon black and carbonyl iron powder has wider absorbing band and better effect, which solves the problems that single absorbing agent coating is narrow absorbing band and concentrated in high frequency band. By adjusting the coating thickness, the material can obtain better absorption performance in the corresponding band, so it can be used more widely.

absorbing coating; carbon black; carbonyl iron powder; complex permittivity; complex permeability; absorbing performance

TB332

A

1001-3660(2022)04-0325-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.04.034

2021-04-06；

2021-09-27

2021-04-06；

2021-09-27

福建省自然科學(xué)基金（2016J01089，2020J01067）；福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2019H6016）

The Natural Science Foundation of Fujian Province (2016J01089, 2020J01067); Fujian Provincial Science and Technology Project (2019H6016)

王順順（1996—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樵霾闹圃臁?/p>

WANG Shun-shun (1996—)，Male, Postgraduate, Research focus: additive manufacturing.

王霏（1979—），男，博士，講師, 主要研究方向?yàn)樵霾闹圃臁?/p>

WANG Fei (1979—), Male, Doctor, Lecturer，Research focus：additive manufacturing

王順順, 張喆, 王霏, 等.環(huán)氧基復(fù)合吸波涂層的制備與性能研究[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(4): 325-334.

WANG Shun-shun, ZHANG Zhe, WANG Fei, et al. Preparation and Properties of Epoxy Matrix Composite Absorbing Materials[J]. Surface Technology, 2022, 51(4): 325-334.

責(zé)任編輯：劉世忠