混雜纖維填充環(huán)氧泡沫塑料吸波性能研究

宋宇華，王超杰，萬曉霞，劉永峙，王雯，厲寧，于萬增，郭宇，潘士兵

(中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，濟南 250031)

隨著軍用雷達技術(shù)的不斷發(fā)展，雷達隱身材料的研究得到空前的發(fā)展。吸波泡沫塑料作為一種重要的結(jié)構(gòu)／隱身功能一體化復合材料，不僅具有良好的寬頻吸波特性，而且具有質(zhì)輕、耐濕熱、耐腐蝕、易加工成曲率復雜樣件等優(yōu)點[1]，成為新一代武器裝備實現(xiàn)隱身化不可缺少的重要材料。

國外在吸波泡沫塑料技術(shù)方面的研究起步較早，已見許多報道[2]。美國專利(US6231794)公開了一種可以改善泡沫吸波性能的制備方法，將導電材料分散于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)泡沫中，采用真空工藝得到一種質(zhì)輕寬頻吸波泡沫材料[3]。目前泡沫夾芯材料已在多種軍用戰(zhàn)機中獲得應用，包括美國F–117A、B–2、F–22 等戰(zhàn)機型號[4]。

國內(nèi)對吸波泡沫塑料的研究較晚，且多以軟質(zhì)泡沫或非承載吸波泡沫研究報道為主，其應用形式以尖劈、角錐為主；而對硬質(zhì)結(jié)構(gòu)吸波泡沫塑料的研究較少，但在電磁吸收與屏蔽方面也取得一定進展[5]。

環(huán)氧樹脂泡沫塑料具有力學性能好、耐水性及耐化學腐蝕性能優(yōu)異、熱穩(wěn)定性高等特點[6-7]；同時環(huán)氧樹脂泡沫塑料價格低廉，常溫固化且時間較短，使用比較方便，因此環(huán)氧樹脂泡沫塑料在建筑、交通、工業(yè)及國防等領(lǐng)域中得到廣泛應用[8-9]。筆者以環(huán)氧樹脂泡沫塑料為基體，添加短切磁性纖維、短切導電纖維、蒙皮制備環(huán)氧樹脂吸波泡沫塑料，采用雷達吸波材料(RAM)弓形法測試了吸波泡沫塑料的反射率，研究短切磁性纖維和短切導電纖維含量對吸波泡沫復合材料吸波性能的影響；制備不同厚度的環(huán)氧樹脂吸波泡沫塑料樣件，研究厚度對吸波泡沫塑料吸波性能的影響；在吸波泡沫塑料上表面增加蒙皮，討論蒙皮對吸波泡沫塑料吸波性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

環(huán)氧樹脂預聚體：XD6638，東莞市立德環(huán)氧科技有限公司；

短切磁性纖維：華中科技大學；

短切導電纖維：自制。

1.2 主要儀器及設備

高速變頻分散機：JFS–1500 型，常州耀凱電子科技有限公司；

電子天平：KD–2000NEC 型，福州科迪電子技術(shù)有限公司；

模具：自制；

反射率測試系統(tǒng)：自制。

1.3 試樣制備

試樣的制備采用復合材料成型工藝壓縮模塑，又稱模壓成型法。泡沫樣板制備過程可分為以下幾個步驟，見圖1。

圖1 泡沫樣板制備過程

環(huán)氧樹脂預聚體組分配比(A ∶B ∶C) 為1 ∶2 ∶3，第一次攪拌時間為1 min，第二次攪拌時間為30 s。先將模具放入75℃烘箱中預熱，將纖維加入A+C 組分中，混合攪拌，再加入B 組分混合攪拌均勻，注入預熱好模具中，用膩子刀攤平，合模，放入75℃烘箱中，靜置1 h，關(guān)閉烘箱，冷卻后脫模。

1.4 反射率測量

采用RAM 弓形測試法，測試系統(tǒng)工作方式為掃頻，樣品尺寸為180 mm×180 mm×10 mm，襯板為光滑鋁板，入射角為2.5°，測試裝置如圖2 所示。

圖2 反射率測試裝置結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果與討論

2.1 短切磁性纖維對環(huán)氧吸波泡沫塑料吸波性能影響

保持短切導電纖維的含量不變，改變短切磁性纖維含量，制備一系列環(huán)氧吸波泡沫塑料，其反射率與頻率關(guān)系曲線對比如圖3 所示。

圖3 不同短切磁性纖維含量時環(huán)氧吸波泡沫復合材料吸波性能

由圖3 可以看出，短切磁性纖維含量改變，環(huán)氧吸波泡沫塑料的吸波性能有較大改變。當短切磁性纖維含量為1%時，環(huán)氧吸波泡沫塑料在13.2～16.56 GHz、26.5～40 GHz 內(nèi)，反射率值在–10 dB以下，最小反射率在14.96 GHz 達到–15.46 dB。當短切磁性纖維含量增加到2%時，在厘米波段環(huán)氧吸波泡沫塑料的反射率峰值位置不變，但峰值變?。辉? mm 波段反射率曲線趨勢不變，但反射率值整體變大，環(huán)氧吸波泡沫塑料吸波性能變差。繼續(xù)加大短切磁性纖維的含量，在厘米波段，反射率峰值位置逐漸向低頻移動，峰值大小稍有改變；在8 mm 波段，短切磁性纖維含量為3%的環(huán)氧吸波泡沫塑料出現(xiàn)一強吸收峰，但相對于滿足–10 dB 的有效帶寬較窄。因此，隨著短切磁性纖維含量增大，環(huán)氧吸波泡沫塑料的吸波性能減弱，根據(jù)Gurland 理論[10]，復合材料形成導電網(wǎng)絡的幾率取決于每個導電粒子與周圍粒子接觸的統(tǒng)計平均數(shù)n 和每個顆粒的空間最大接觸數(shù)Z。當n ＞1 時，開始形成斷續(xù)的導電網(wǎng)絡；1.3 ≤n ≤1.5 時，形成連續(xù)導電網(wǎng)絡；n ＞2時，導電網(wǎng)絡完全形成，電阻率不再隨導電粒子的增多而降低。當短切磁性纖維含量較低時，還沒有形成導電網(wǎng)絡，纖維含量增加，由磁性纖維引起的渦流損耗、磁滯損耗等損耗增多，環(huán)氧吸波泡沫塑料的吸波性能增強；纖維含量繼續(xù)增多，纖維吸收劑的分布發(fā)生改變，在吸波材料內(nèi)部纖維相互搭接，形成了導電網(wǎng)絡，從而影響了其電導率與電磁參數(shù)，降低了樣品對入射雷達波的損耗，使樣品的吸波性能變差。據(jù)資料所知[11]，如果吸波材料的電阻率過小，就會對電磁波形成反射而不是吸收，因此，短切磁性纖維的填充量不能太高，這樣才能保證纖維在吸波基體中相互分散，以得到較高的電阻率，保證吸波材料的吸波性能。

2.2 短切導電纖維對環(huán)氧吸波泡沫塑料吸波性能影響

保持短切磁性纖維的含量不變，改變短切導電纖維含量，制備一系列環(huán)氧吸波泡沫塑料，其反射率與頻率關(guān)系曲線對比如圖4 所示。

圖4 不同短切導電纖維含量時環(huán)氧吸波泡沫復合材料吸波性能

由圖4 可以看出，隨著短切導電纖維含量的增加，環(huán)氧吸波泡沫塑料的吸波性能增強，短切導電纖維含量為3%的環(huán)氧吸波泡沫塑料在厘米波出現(xiàn)吸收峰，峰值為–13 dB。由此可見，短切導電纖維的含量在一定范圍內(nèi)增加時，泡沫塑料的吸波能力增強。短切導電纖維對電磁波的吸收，是由于電磁波入射到復合材料時，短切導電纖維作為電偶極子與入射電磁波諧振而產(chǎn)生的諧振感應電流，滯后的極化電流對電磁波產(chǎn)生吸收作用及材料對電磁波的干涉作用而形成的[12-13]。當短切導電纖維含量較低時，短切導電纖維作為相對獨立的電偶極子存在，對電磁波的吸收是各電偶極子相互疊加的結(jié)果；然而隨著短切導電纖維含量的增加，獨立的電偶極子數(shù)量增加，對電磁波的吸收能力增強；當短切導電纖維的含量增加到一定程度的時候，電偶極子之間的距離縮短，電力線相互排斥，環(huán)氧吸波泡沫塑料的介電常數(shù)發(fā)生變化，導致對入射電磁波表現(xiàn)為反射特征。

對于有金屬襯底的吸波層板的反射率R 可表示為[14]：

式中：γ =i2 π f (μ0ε0εrμr)1/2為傳播常數(shù)；εr、μr分別為介質(zhì)的相對復介電常數(shù)和相對復磁導率；d為樣品厚度。

因此，反射率R 為頻率f、電磁參數(shù) εr、μr和厚度d 的函數(shù)。在厚度d 相同的情況下，對某頻段有一最佳短切導電纖維填充量，使該頻段內(nèi)的吸波性能最好。

2.3 厚度對環(huán)氧吸波泡沫塑料吸波性能影響

保持環(huán)氧吸波泡沫中纖維吸收劑的含量不變，改變泡沫塑料的厚度，制備一系列的環(huán)氧吸波泡沫塑料，其反射率與頻率關(guān)系曲線對比如圖5 所示。

圖5 不同厚度時環(huán)氧吸波泡沫復合材料吸波性能

由圖5 可以看出，環(huán)氧吸波泡沫塑料厚度為5 mm 時，吸波性能最差；厚度增大，吸波泡沫塑料的吸波性能增強，當厚度達到15 mm 時，在8～18 GHz，吸波泡沫塑料的吸波性能反而降低。在8～18 GHz、26.5～40 GHz 頻段內(nèi)，厚度為10 mm 的環(huán)氧吸波泡沫塑料滿足–10 dB 的有效帶寬為16 GHz(8.4～12.4 GHz，26.5～38.4 GHz)。

隨著環(huán)氧吸波泡沫塑料厚度的增加，樣件中纖維吸收劑數(shù)目增多，材料的吸波性能有一個增強的過程，但吸波性能并非隨厚度增加而單調(diào)的增強。材料的介電常數(shù)和磁導率隨著材料中纖維含量的不同和頻率的變化而發(fā)生改變，使得在每個頻率點其厚度都為該頻率下的電磁波在材料中波長的四分之一的奇數(shù)倍時，可以得到最小的反射[15]。電磁波在介質(zhì)中的波長為：

式中：λ0為真空中的波長；εr、μr分別為介質(zhì)的相對復介電常數(shù)和相對復磁導率。令：

其中，n=0，1，2，3，…，此時材料的厚度d 是介質(zhì)波長四分之一的奇數(shù)倍。

把式(2)代入式(3)中，得出：

所以，對于不同的介質(zhì)，具有不同的介電常數(shù)和磁導率，得到最小反射率的厚度也是不同的。因而，對于短切纖維吸收劑填充量不同的發(fā)泡材料，在不同的頻率下，所對應的具有最好吸波性能的材料的厚度不同。

2.4 蒙皮對環(huán)氧吸波泡沫塑料吸波性能研究

首先制備環(huán)氧吸波泡沫塑料，然后用同樣的模壓成型法在復合材料的表面制備厚度為2 mm 的蒙皮。反射率與頻率關(guān)系曲線對比如圖6 所示。

圖6 蒙皮對環(huán)氧吸波泡沫復合材料吸波性能影響

由圖6 可以看出，與無蒙皮的環(huán)氧吸波泡沫塑料相比，在整個厘米波段和8 mm 波段，蒙皮的加入提高了環(huán)氧吸波泡沫塑料的吸波性能，吸收峰位置向低頻移動。含有蒙皮的環(huán)氧吸波泡沫塑料，在厘米波段，反射率值小于–10 dB 的帶寬為6.64 GHz，反射率峰值在13.2 GHz 為–19.93 dB；在整個8 mm 波段，反射率值均在–11 dB 以下，反射率峰值在28.39 GHz 為–18.247 dB。表面增加不含吸收劑的蒙皮[16]，蒙皮的電磁參數(shù)相對接近于空氣的電磁參數(shù)，使入射電磁波最大限度的進入到吸波材料中，減少了表面電磁波的反射；同時蒙皮的增加導致了整體樣板厚度的增加，能夠匹配較大波長的電磁波，相應的吸收峰頻率就越低，有助于低頻材料的研發(fā)。

3 結(jié)論

(1)在一定范圍內(nèi)，隨著含量的增加，短切磁性纖維和短切介電纖維都能提高環(huán)氧吸波泡沫塑料的吸波性能，但當含量高于一定值后，對電磁波形成反射，從而降低環(huán)氧吸波泡沫塑料的吸波性能；同時填充量較高時，在基體中易分散不均。

(2)在一定范圍內(nèi)，隨著樣件厚度的增加，環(huán)氧吸波泡沫塑料的吸波性能增強，厚度增加到一定程度后，吸波性能反而降低；樣件厚度為10 mm 時，8～18 GHz、26.5～40 GHz 頻段內(nèi)，環(huán)氧吸波泡沫塑料滿足–10 dB 的有效帶寬為16 GHz。

(3)在環(huán)氧吸波泡沫塑料表面增加蒙皮，能整體提高厘米波段和8 mm 波段的吸波性能，吸收峰向低頻移動，整個8 mm 波段，反射率值均在–11 dB以下。