碳包覆鐵吸波涂層制備及其電磁性能研究

李 明，徐任信，廖慶玲，曾黎明，楊 歡，譚 行

（1.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

碳包覆鐵吸波涂層制備及其電磁性能研究

李 明1，徐任信1，廖慶玲2，曾黎明1，楊 歡1，譚 行1

（1.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

制備了碳包覆鐵（C@Fe）/環(huán)氧樹脂吸波復(fù)合材料，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和網(wǎng)絡(luò)分析儀，分別研究了不同C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及吸波性能。結(jié)果表明，當(dāng)C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，顆粒在復(fù)合材料中呈均勻分散狀態(tài)。當(dāng)C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)從30%增加到40%時(shí)，厚度為2 mm的復(fù)合材料反射損耗峰由-3.7 dB增加到-38.2 dB；當(dāng)C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，復(fù)合材料反射損耗在-10 dB以下帶寬約為5.6 GHz。

碳包覆鐵；吸波復(fù)合材料；反射損耗

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電子、電器設(shè)備在為人們?nèi)粘Ｉ顜肀憷耐瑫r(shí)，在工作中產(chǎn)生的電磁輻射與干擾問題又影響著人們的生活。此外，電磁輻射和電磁干擾對(duì)軍事行動(dòng)也帶來很大的威脅[1～4]?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)細(xì)節(jié)的把握極其重要，可能因?yàn)殡姶鸥蓴_而導(dǎo)致失敗。因此，吸波和屏蔽材料是國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直以來不斷研究的課題[5，6]。吸波復(fù)合材料具有很好的環(huán)境適應(yīng)性，即可以涂覆于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)上，又可以貼附在裝備上，為實(shí)際運(yùn)用提供方便。但是傳統(tǒng)的吸波材料要達(dá)到高效吸波能力，其厚度和吸波劑含量往往比較大，增加了裝備的重量，限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的推廣。本文采用一種碳包覆鐵（C@Fe）顆粒作為吸波劑，其飽和磁化強(qiáng)度Ms為177 emu/g、矯頑力Bc為20 Oe，與環(huán)氧樹脂等聚合物復(fù)合后，可望在較低吸波劑含量條件下獲得較大的微波損耗，適合制備輕質(zhì)高效的吸波復(fù)合材料。關(guān)于C@Fe的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的研究結(jié)果鮮見報(bào)道。

本文通過澆鑄工藝制備C@Fe/環(huán)氧樹脂吸波復(fù)合材料，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微電鏡和網(wǎng)絡(luò)分析儀，分別研究了不同C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及吸波性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及主要儀器

環(huán)氧樹脂，CYD-127，中國(guó)石化集團(tuán)資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理有限公司；改性胺，胺當(dāng)量約60，實(shí)驗(yàn)室自制；C@Fe，平均粒徑為2 μm，山東大學(xué)；丙酮，化學(xué)純，上海試一化學(xué)試劑有限公司。

超聲波聲化學(xué)處理器，無錫市錫山德嘉電子有限責(zé)任公司；真空脫泡機(jī)，東莞市弘研機(jī)械設(shè)備廠；雕刻機(jī)，SE-3230，洛克機(jī)電系統(tǒng)工程有限公司；場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，德國(guó)，Zeiss Ultra Plus；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，PNA-X N5247A，安捷倫科技有限公司；同軸空氣線夾具（7 mm），安捷倫科技公司。

1.2 吸波復(fù)合材料和測(cè)試樣品制備

吸波復(fù)合材料制備：按比例稱取C@Fe顆粒和CYD-127，加入適量丙酮，人工攪拌10 min后，再用超聲波聲化學(xué)處理器分散30 min。然后在紅外燈下緩慢研磨直至去除大部分丙酮，得到C@Fe顆粒在環(huán)氧樹脂中均勻分散的膠狀混合物料。按化學(xué)計(jì)量比稱取混合物料和改性胺，攪拌均勻后，將物料澆鑄到50 mm×10 mm×2 mm和180 mm×180 mm×2 mm的鋼制模具中，常溫固化24 h后得到吸波復(fù)合材料試樣。復(fù)合材料中C@Fe顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%、35%、40%、45%。

測(cè)試樣制備：電磁參數(shù)測(cè)試樣品內(nèi)徑為3.02 mm、外徑為7.00 mm、厚為2.00 mm的同軸環(huán)，利用雕刻機(jī)在50 mm×10 mm×2 mm的小樣條雕刻制得；反射損耗測(cè)試樣品為180 mm×180 mm×2 mm復(fù)合材料，利用數(shù)控銑床將相同大小試樣上表面進(jìn)行加工后，粘貼在相同尺寸的鋁板上得到。

1.3 吸波復(fù)合材料密度測(cè)試

按照GB/T1446—2003中的規(guī)定，采用浮力法測(cè)試。

1.4 吸波復(fù)合材料的電磁參數(shù)測(cè)試

利用同軸法測(cè)試同軸環(huán)樣品在1～18 GHz頻率內(nèi)的電磁參數(shù)，測(cè)試儀器為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（PNA-X N5247A）和同軸空氣線夾具；通過弓形法測(cè)試吸波材料樣板在1～18 Ghz頻率內(nèi)的反射損耗，測(cè)試儀器為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

2 結(jié)果與分析

2.1 C@Fe顆粒和吸波復(fù)合材料斷面形貌

C@Fe顆粒及C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別30%、 45%的吸波復(fù)合材料的斷面場(chǎng)發(fā)射SEM照片分別由圖1a～1c給出。由圖1a看出，C@Fe顆粒平均粒徑約為2 μm，具有凹凸不光滑的表面，這是因?yàn)殍F粉表面包覆了一層厚度不等的無定型碳，無定型碳呈現(xiàn)不規(guī)則堆積。由圖1b看出，盡管采用超聲波分散工藝，C@Fe顆粒在樹脂中仍有部分團(tuán)聚，這是因?yàn)轭w粒含量較低時(shí)，體系中有足夠的空間使磁性顆粒在樹脂固化前因磁力發(fā)生遷移和團(tuán)聚。圖1c表明，C@Fe顆粒分散性較好，也就是說，隨著C@Fe顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，樹脂黏度增大，阻礙了磁性粒子遷移團(tuán)聚，使得顆粒在復(fù)合材料中均勻分散。

圖1 碳包覆鐵顆粒及吸波復(fù)合材料斷面SEM照片F(xiàn)ig1 SEM photos of C@Fe particles and fracture surfaces of microwave-absorbing composites

2.2 C@Fe/環(huán)氧樹脂吸波復(fù)合材料表觀密度

通過浮力法測(cè)試復(fù)合材料的表觀密度如表1所示。由表1看出，當(dāng)C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)由30%增加到45%時(shí)，復(fù)合材料的體積密度由1.54 g/cm3增大到2.10 g/cm3，2 mm厚復(fù)合材料的面密度由3.08 kg/m2增大到4.20 kg/m2，密度比傳統(tǒng)吸波材料小很多，可作為輕質(zhì)吸波復(fù)合材料。

表1 C@Fe/環(huán)氧樹脂吸波復(fù)合材料密度與吸波劑含量的關(guān)系Tab.1 Relationship of density of C @ Fe/epoxy resin microwave absorbing composite materials and absorbing agent content

2.3 C@Fe/環(huán)氧樹脂吸波復(fù)合材料電磁參數(shù)

C@Fe/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在1～12 GHz的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率的測(cè)試值見圖2。事實(shí)上，同軸線法可以連續(xù)測(cè)試復(fù)合材料1～18 GHz內(nèi)的電磁參數(shù)，但測(cè)試中發(fā)現(xiàn)頻率超過12 GHz時(shí)出現(xiàn)明顯的厚度諧振現(xiàn)象，因此本文只討論12 GHz以下復(fù)合材料電磁參數(shù)的變化。由圖2可知，吸波復(fù)合材料在不同頻率下的介電常數(shù)實(shí)部與虛部、磁導(dǎo)率實(shí)部與虛部均隨著C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大。介電常數(shù)實(shí)部的增大主要有2個(gè)原因，一是隨著C@Fe含量增加，復(fù)合材料單位體積偶極子密度增大，極化能力增強(qiáng)；二是C@Fe顆粒的引入導(dǎo)致界面極化增強(qiáng)，由Maxwell-wagner界面極化理論可知，相鄰兩者材料電導(dǎo)率和電容率不同，會(huì)使界面極化和電荷堆積。介電常數(shù)虛部增大的原因主要是復(fù)合材料中C@Fe含量增加，使電子傳輸在網(wǎng)絡(luò)中變得通暢，即電阻率降低，從而增加了電損耗。與對(duì)介電常數(shù)的影響類似，隨著C@Fe含量的增加，復(fù)合材料中單位體積內(nèi)磁偶極矩密度增大，在外加磁場(chǎng)的作用下，磁導(dǎo)實(shí)部和虛部均得到提高。介電實(shí)部和磁導(dǎo)率實(shí)部越大，材料儲(chǔ)能越多；而介電虛部和磁導(dǎo)虛部對(duì)電磁波入射到材料內(nèi)部的能量損耗起著決定性作用，虛部越大，電磁波吸收能力越強(qiáng)[7～10]。由此可以預(yù)期，C@Fe/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的吸波能力隨著C@Fe含量的增加而提升。

圖2 吸波復(fù)合材料的介電常數(shù)與磁導(dǎo)率隨C@Fe含量和頻率的變化Fig.2 Change of permittivity and permeability of composites with change of C@Fe content and frequency

2.4 C@Fe/環(huán)氧樹脂吸波復(fù)合材料反射損耗

圖3給出了2 mm厚C@Fe/環(huán)氧樹脂吸波復(fù)合材料反射率模擬值和實(shí)測(cè)值。吸波復(fù)合材料反射率的模擬值通過HFSS軟件計(jì)算得到，輸入的電磁參數(shù)為前文同軸線法測(cè)得的數(shù)值，由圖3a到圖3d可以看出，不同C@Fe含量吸波復(fù)合材料的反射率實(shí)測(cè)值和模擬值吻合得比較好。從圖中還可以看出，當(dāng)吸波復(fù)合材料中C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%、35%、40%、45%時(shí)，復(fù)合材料的反射損耗峰分別為-3.7 dB、-11.2 dB、-38.2 dB和-22.7 dB，對(duì)應(yīng)的頻率分別14.0 GHz、14.5 GHz、14.7 GHz和9.9 GHz。吸波復(fù)合材料的反射損耗峰隨著C@Fe含量增加而增大的原因可以用圖2中吸波復(fù)合材料介電損耗和磁損耗的變化來解釋。要說明的是，當(dāng)C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%時(shí)，反射損耗峰低于C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的體系，其原因是C@Fe含量過大使得復(fù)合材料阻抗與空氣阻抗的匹配性降低，導(dǎo)致反射率增大。事實(shí)上，當(dāng)C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%時(shí)，在14.0 GHz附近，雖然反射損耗峰值不及C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的體系，但反射損耗高于-10 dB的帶寬也達(dá)到了2.3 GHz，具有較好的吸波性能。當(dāng)C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，復(fù)合材料的吸波性能達(dá)到最佳，反射損耗除峰值最大外，高于-10 dB的帶寬達(dá)到5.6 GHz（11.2～16.8 Ghz）。

圖3 不同C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)吸波復(fù)合材料的反射損耗Fig.3 Reflectivity of wave-absorbing composites with different C@Fe contents

3 結(jié)論

（1）當(dāng)C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到45%時(shí)，顆粒在復(fù)合材料體系中呈均勻分散狀態(tài)。

（2）當(dāng)C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，復(fù)合材料密度最大且為1.88 g/cm2，2 mm厚復(fù)合材料的面密度僅為3.76 kg/m2，可作為輕質(zhì)吸波材料。

（3）吸波復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部和虛部、磁導(dǎo)率實(shí)部和虛部均隨著C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大。

（4）當(dāng)C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)從30%增加到40%時(shí)，厚度為2 mm的復(fù)合材料反射損耗峰由-3.7 dB增加到-38.2 dB；當(dāng)C@Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，復(fù)合材料反射損耗在-10 dB以下帶寬約為5.6 GHz（11.2～16.8 GHz）。

[1]王建忠,朱紀(jì)磊,支浩,等.電磁輻射及其防護(hù)材料[J].材料導(dǎo)報(bào),2013,27(7):51-54.

[2]苑金生.電磁輻射的危害及吸收電磁波涂料[J].廣東建材,2002,(5):15-16.

[3]湯仕平,王征,成偉蘭.艦船電磁輻射危害及防護(hù)[J].船舶工程,2006,28(2):55-58.

[4]夏長(zhǎng)念,吳超,李明.電腦和手機(jī)電磁輻射強(qiáng)度測(cè)試及防護(hù)對(duì)策[J].安全與環(huán)境工程,2006,13(4):26-29.

[5]Cinzia B S,Dobák,Enzo F,et al.Broadband magnetic losses of nanocrystalline ribbons and powder cores[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2016,420:317-323.

[6]Zhang J,Wang L X,Zhang Q T. Electromagnetic properties and microwave-absorption properties of BaTiO3/BaZn2Fe16O27composite in 2-18GHz[J]. Journal of Materials Science:Materials in Electronics, 2014,25(12):5601-5605.

[7]He S,Lu C,Wang G S,et al.Synthesis and Growth Mechanism of White Fungus Like Nickel Sulfide Microspheres, and Their Application in Polymer Composites with Enhanced Microwave Absorption Properties[J].Chem Plus Chem,2014, 79(4):569-576.

[8]Fuezer J,Dobak S,Kolla P.Magnetization dynamics of FeCuNbSiB soft magnetic ribbons and derived powder cores[J].Journal of alloys and compounds, 2015,628:335-342.

[9]Dorraji M S S,Rasoulifard M H,Amani-Ghadim A R,et al.Microwave absorption properties of p olypyrrole-SrFe12O19-TiO2-epoxy resin nanocomposites: Optimization using response surface methodology[J].

Preparation and electromagnetic properties of microwave absorbing coating containing C@Fe magnetic powder

LI Ming1, XU Ren-xin1, LIAO Qing-ling2, ZENG Li-ming1, YANG Hua, TAN Xing1
(1. School of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan, Hubei 430070, China; 2. School of Resouses and Environmental Engineering , Wuhan University of Technology, Wuhan, Hubei 430070, China)

The microwave absorbing composite materials were prepared by using different C@Fe magnetic powders as the absorbing agents and epoxy resin as the matrix. The microstructure and the microwave absorbing properties of the epoxy resin based composites with different C@Fe content were studied by field emission SEM and PNA-X N5247A vector network analyzer. The results show that when the C@Fe content in the composites increases from 30% to 40% , the reflection loss peak of the composites with thickness of 2 mm decreases from -3.7 dB to -38.2 dB. And when the C@Fe content in the compositie is 40%, the effective bandwidth (less than-10 dB) is 5.6 GHz. When the C@Fe content is higher, the particles are dispersed evenly in the composite materials.

C@Fe magnetic powder; microwave absorbing material; reflection loss

TQ050.4+3

A

1001-5922（2017）03-0034-04

2016-11-24

李明（1991-）,男，碩士，研究方向：聚合物基電磁吸波復(fù)合材料。E-mail：Lem@whut.edu.cn。