炭黑&耐高溫磁粉/PI樹脂基吸波復(fù)合材料的制備和性能研究

陳繼博　黃大慶　周卓輝　胡悅　縱統(tǒng)

摘 要：以聚酰亞胺（PI）樹脂為基體、連續(xù)玻璃纖維為增強(qiáng)體、耐高溫磁粉摻雜炭黑（CB）為吸收劑，采用預(yù)浸料-熱壓工藝制備了吸收劑配料比不同和填料比不同的PI樹脂基結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料層合板，測試并探究了不同CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)和不同填料比對復(fù)合材料吸波性能與力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)樹脂和填料比為1∶1、CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%時(shí)，復(fù)合材料在常溫和高溫下的吸波性能最好，不超過﹣10.000 dB時(shí)的有效帶寬分別為3.030 GHz和1.690 GHz；添加一定量的CB可以提高復(fù)合材料的吸波性能和力學(xué)性能，但過多的CB對復(fù)合材料性能的提升作用很小甚至有所減弱；當(dāng)CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%時(shí)，復(fù)合材料在350 ℃下的高溫彎曲強(qiáng)度保持率為65.8%、層間剪切強(qiáng)度保持率為65.3%，具有較好的耐熱性能和力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：聚酰亞胺；結(jié)構(gòu)吸波；連續(xù)纖維增強(qiáng)；高溫吸波性能

隨著我國軍事和航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的吸波材料已經(jīng)不能滿足隱身材料“輕”“薄”“強(qiáng)”“寬”的發(fā)展需求，而樹脂基結(jié)構(gòu)吸波一體化復(fù)合材料不僅能減小飛行器質(zhì)量、提高發(fā)動機(jī)推重比，還可大幅提高飛機(jī)、導(dǎo)彈、坦克等大型作戰(zhàn)武器的生存和防御能力[1-4]。

聚酰亞胺（Polyimide，PI）樹脂具有高耐熱性、高機(jī)械強(qiáng)度、小密度和較高的熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)[5]，其高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以使吸收劑顆粒在復(fù)合材料體系中充分、穩(wěn)定地分散，有助于復(fù)合材料的制備，非常適合作為耐高溫吸波材料的基體，可以通過填充不同種類的吸波劑調(diào)節(jié)其吸波性能[6-7]。目前，對PI樹脂基結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的研究多以SiC、SiO2纖維、碳纖維等連續(xù)纖維為增強(qiáng)體和吸收劑[8-10]，而以石英、玻璃纖維為增強(qiáng)體制備PI樹脂基吸波復(fù)合材料的研究大多側(cè)重于單一損耗機(jī)制吸收劑的性能[5，11]，對復(fù)合吸收劑添加的PI樹脂基結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的相關(guān)研究很少。

本研究采用預(yù)浸料-熱壓工藝，以玻璃纖維為增強(qiáng)體、PI樹脂為基體、炭黑（Carbon Black，CB）摻雜耐高溫磁粉為吸收劑，制備了PI樹脂基結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料層合板，并對其在常溫、高溫下的吸波性能和力學(xué)性能進(jìn)行測試。

1?實(shí)驗(yàn)及方法

1.1? 原材料

PI樹脂（KH-370，中國科學(xué)院化學(xué)研究所）；玻璃纖維布（EW100A-100a，中材科技股份有限公司），厚度為0.1 mm，面密度為102.2 g/m²；耐高溫磁性吸收劑（北京航空材料研究院）；乙炔炭黑（焦作市和興化學(xué)工業(yè)有限公司）。

1.2? 預(yù)浸料的制備與熱處理

將CB、KH-370樹脂和耐高溫磁性吸收劑按一定比例混合，用高速分散機(jī)進(jìn)行機(jī)械混合，攪拌時(shí)間為1.5 h，轉(zhuǎn)速為400 r/min。將混合漿料均勻涂覆在EW100玻璃纖維布表面，晾置數(shù)小時(shí)后得到預(yù)浸料。將預(yù)浸料裁剪成200.0 mm×200.0 mm的尺寸，并按30層進(jìn)行堆疊，然后放入高溫烘箱中進(jìn)行亞胺化處理，按80、120、160 ℃梯度升溫，分別保溫0.5、0.5、1.0 h。

1.3? 復(fù)合材料層合板的制備

將經(jīng)過亞胺化處理的預(yù)浸料放入模具中，使用平板硫化機(jī)熱壓制備復(fù)合材料層合板。加壓溫度為290 ℃，加壓壓力為3.5 MPa，保溫1.0 h，再升溫至380 ℃保溫保壓1.5 h，最后保持壓力冷卻至室溫。

1.4? 性能測試方法

參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3356—2014、JC/T 773—2010，采用Instron1185型萬能試驗(yàn)機(jī)測試彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和層間剪切強(qiáng)度；依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GJB 2038A—2011，采用弓形法，由北京航空材料研究院的反射率測試系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)測試；介電常數(shù)和電磁參數(shù)由北京航空材料研究院采用波導(dǎo)法和同軸法進(jìn)行測試。

2?結(jié)果與討論

2.1? 常溫吸波性能

圖1（a）為CB&耐高溫磁粉復(fù)合吸收劑與PI比例為1∶1、吸收劑配比不同的PI樹脂基復(fù)合材料在2.000～18.000 GHz頻率范圍內(nèi)的反射率曲線。從圖1（a）中可以看出，當(dāng)CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí)，復(fù)合材料反射率小于﹣5.000 dB的頻率范圍為10.100～12.300 GHz，但未測試到小于﹣6.000 dB（74.9%的吸收）的反射率；當(dāng)CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%時(shí)，復(fù)合材料在6.450～12.900 GHz頻率范圍內(nèi)的反射率均小于﹣6.000 dB，反射率小于﹣8.000 dB的頻帶寬為4.400 GHz，在9.025 GHz處取得反射率最小值﹣14.547 dB；當(dāng)CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至5.0%時(shí)，復(fù)合材料的反射率在整個測試頻段均不小于﹣6.000 dB，反射率小于﹣5.000 dB的頻率范圍為6.000～9.100 GHz?？梢钥闯?，當(dāng)復(fù)合吸收劑中的CB占一定比例時(shí)，CB的加入有效提高了復(fù)合材料的吸波性能。這是由于在復(fù)合材料體系中添加一定量高導(dǎo)電的CB[11]，提高了復(fù)合材料的介電常數(shù)，加強(qiáng)了復(fù)合材料對電磁波的電導(dǎo)損耗，在磁損耗與電損耗的雙重作用下，復(fù)合材料的吸波性能顯著提升。當(dāng)繼續(xù)增大CB的比例時(shí)，復(fù)合材料的吸波性能大幅下降，相比于不添加CB的試樣，只是吸收頻帶偏向低頻區(qū)域，反射損耗峰值幾乎沒有變化。同時(shí)也能看出，CB的加入導(dǎo)致復(fù)合材料反射率曲線的最大吸收峰向低頻移動，復(fù)合材料的吸波帶寬得到一定程度的增大。

從圖1（b）中可以看出，當(dāng)樹脂占比降低時(shí)，隨著CB的加入，復(fù)合材料的反射損耗峰值反而減小，并朝著低頻方向移動。原因在于，CB的加入會提高復(fù)合材料電導(dǎo)率，而過高的電導(dǎo)率容易導(dǎo)致吸波復(fù)合材料的阻抗不匹配；同時(shí)CB的密度較小、所占的比例較大，而磁性吸收劑密度大、不易分散，導(dǎo)致制備預(yù)浸料時(shí)涂敷不均勻且磁性吸收劑損失較多，最終影響復(fù)合材料試樣的吸波性能。此外，在熱壓成型過程中，當(dāng)體系中的樹脂占比較少時(shí)，樹脂的流動性會變差，加劇了復(fù)合材料內(nèi)部吸收劑分散不均勻的情況，樹脂基體與玻璃纖維之間易出現(xiàn)孔隙，這在一定程度上也影響了復(fù)合材料的吸波性能。

2.2? 高溫吸波性能

圖2（a）（b）為復(fù)合吸收劑與樹脂比例為1∶1時(shí)，CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的復(fù)合材料試樣分別在200、350 ℃環(huán)境條件下的反射率曲線。從圖中可以看出，在200 ℃環(huán)境下，CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的復(fù)合材料試樣的反射率變化趨勢與室溫條件下測試的反射率變化趨勢基本相同。這是由于在高溫條件下，電導(dǎo)損耗型吸收劑內(nèi)部存在空穴和可自由移動的電子，它們會在高頻電磁波的作用下定向遷移，形成電流，導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率上升，從而增強(qiáng)材料的電損耗能力。CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增加到5.0%所導(dǎo)致的反射損耗峰移動幅度幾乎和室溫環(huán)境一致，這是因?yàn)楫?dāng)材料的電導(dǎo)率過大時(shí)，電子空穴定向遷移的電流只存在于一定的趨附深度，導(dǎo)致復(fù)合材料對其損耗能力降低。

圖3（a）～（c）為不同CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)下復(fù)合材料試樣在不同溫度環(huán)境下的反射率曲線。從圖3中可以看出，隨著溫度升高，復(fù)合材料吸波頻帶變窄且最小吸收損耗峰往上移，所選用的磁性吸收劑在室溫、200 ℃、350 ℃條件下的吸收性能較為穩(wěn)定，具有一定的耐溫性。圖3（b）是CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%的復(fù)合材料在不同溫度環(huán)境下的反射率曲線，可以看出，隨著溫度升高，含3.0% CB的復(fù)合材料試樣最大吸收損耗所對應(yīng)的頻率由9.200 GHz偏移到6.000 GHz左右；同時(shí)，反射率曲線吸收頻帶也逐漸變窄，其中，小于? ? ? ? ? ? ?﹣8.000 dB的頻率范圍由4.400 GHz收縮到2.900 GHz，最后在350 ℃收縮到2.400 GHz。當(dāng)CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%時(shí)，在室溫環(huán)境下，復(fù)合材料最大反射率出現(xiàn)在9.200 GHz處，為﹣14.550 dB；200 ℃下最小反射率出現(xiàn)在7.050 GHz處，為﹣13.384 dB；350 ℃下最小反射率出現(xiàn)5.950 GHz處，為 ﹣12.616 GHz。

2.3? 常溫力學(xué)性能

圖4為制備的吸波復(fù)合材料在填料與樹脂比為1∶1時(shí)，不同CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度條件下的力學(xué)性能對比?？梢钥闯?，相同溫度下復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度均隨著CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而升高。含3.0% CB的試樣相比于未添加CB的試樣彎曲強(qiáng)度增長14.5%；當(dāng)CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至5.0%時(shí)，相對于含3.0% CB的試樣，力學(xué)性能漲幅較小。復(fù)合材料層合板的載荷損傷是一個積累的過程，首先是薄弱處損傷，引起載荷的重新分配，導(dǎo)致區(qū)域范圍內(nèi)的缺陷擴(kuò)散，進(jìn)一步弱化該區(qū)域的材料性能，最終導(dǎo)致材料完全失效[12]。磁性吸收劑顆粒尺寸較大且與樹脂、玻璃纖維間的結(jié)合力較弱，受力后容易與基體脫粘，在不添加CB的情況下，復(fù)合材料內(nèi)部易形成較多薄弱的孔隙。添加顆粒尺寸較小的CB可以填補(bǔ)薄弱處的孔隙，同時(shí)CB與基體樹脂和纖維之間的結(jié)合力比磁粉強(qiáng)，有利于增強(qiáng)各鋪層之間的層間結(jié)合力，進(jìn)而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。繼續(xù)添加CB，其在PI樹脂中的分散性逐漸變差，在樹脂基體中的團(tuán)聚逐漸加劇，因此，對復(fù)合材料力學(xué)性能的提升作用變小。

2.4? 高溫力學(xué)性能

通過對比圖4中350 ℃與室溫環(huán)境下復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能可知，在350 ℃下，吸波復(fù)合材料的力學(xué)性能都有所下降，高溫彎曲強(qiáng)度保持率分別為59.7%、63.8%、65.8%；高溫層間剪切強(qiáng)度保持率分別為58.0%、60.9%、65.3%。高溫下復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度保持率均在58.0%以上，因此，所制備的PI樹脂基吸波復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐熱性能和力學(xué)性能。

3?結(jié)論

（1）當(dāng)吸收劑與PI樹脂比例為1∶1、CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%時(shí)，復(fù)合材料在室溫及350 ℃下的吸波性能最好，常溫下最大反射率為﹣14.550 dB，有效頻段為7.500～10.530 GHz，帶寬為3.030 GHz；高溫下最大反射率為﹣12.498 GHz，有效頻段為5.150～6.740 GHz，帶寬為1.690 GHz；當(dāng)溫度升高時(shí)，復(fù)合材料反射損耗峰向低頻移動，有效吸波帶寬變小。

（2）CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加和吸收劑含量的增大會使復(fù)合材料的反射率損耗峰向低頻區(qū)域移動，且吸波帶寬變小。

（3）適量CB可以有效提高復(fù)合材料的力學(xué)性能；當(dāng)CB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%時(shí)，復(fù)合材料在350 ℃下的高溫彎曲強(qiáng)度保持率為65.8%、層間剪切強(qiáng)度保持率為65.3%，具有較好的耐熱性能和力學(xué)性能。

[參考文獻(xiàn)]

[1]梁彩云，王志江.耐高溫吸波材料的研究進(jìn)展[J].航空材料學(xué)報(bào)，2018（3）：1-9.

[2]邢麗英，李亞鋒，陳祥寶.先進(jìn)復(fù)合材料在航空裝備發(fā)展中的地位與作用[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2022（9）：4179-4186.

[3]于永濤，王彩霞，劉元軍，等.吸波復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].絲綢，2019（12）：50-58.

[4]胡婉欣，尹洪峰，袁蝴蝶，等.纖維增強(qiáng)樹脂基吸波復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].中國塑料，2022（10）：178-189.

[5]董潔.纖維增強(qiáng)吸波復(fù)合材料的制備與性能研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2019.

[6]孫國華，張信，武德珍，等.高性能聚酰亞胺復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].中國塑料，2021（9）：147-155.

[7]王倩倩，周燕萍，鄭會保，等.耐高溫聚酰亞胺樹脂及其復(fù)合材料的研究及應(yīng)用[J].工程塑料應(yīng)用，2019（8）：144-147.

[8]王姍，姜帥，韓旭輝，等.高性能聚酰亞胺樹脂及其復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].功能高分子學(xué)報(bào)，2021（6）：570-585.

[9]DONG J，ZHOU W，QING Y，et al.Dielectric and microwave absorption properties of CB doped SiO2f/PI double-layer composites[J].Ceramics International，2018（12）：14007-14012.

[10]WANG H，ZHU D.Double layered radar absorbing structures of silicon carbide fibers/polyimide composites[J].Synthetic Metals，2018（11）：213-219.

[11]望紅玉.聚酰亞胺樹脂基吸波復(fù)合材料的制備及性能研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2016.

[12]鄔志華.顆粒填充纖維增強(qiáng)復(fù)合材料動態(tài)力學(xué)性能及其夾芯結(jié)構(gòu)抗撞擊性能研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2016.