文章信息
- 赵晓明, 刘元军
- ZHAO Xiao-ming, LIU Yuan-jun
- 铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料介电性能
- Dielectric Properties of Ferrite/Silicon Carbide/Graphite Three-layer Composite Coating Materials
- 材料工程, 2017, 45(1): 33-37
- Journal of Materials Engineering, 2017, 45(1): 33-37.
- http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000775
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文章历史
- 收稿日期: 2015-06-16
- 修订日期: 2016-06-29
电磁波是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波,具有波粒二象性[1-3]。电磁波向空中发射或泄漏的现象叫电磁辐射,过量的电磁辐射会造成电磁污染。电磁波的危害主要分为两类:影响人类身体健康,干扰电子设备可靠运行。因此,吸波材料和屏蔽材料的研究具有重大实用价值[4-6]。电磁波在介质界面处反射和介质内部衰减均与材料介电常数相关[5-7]。介电常数表征介质材料容纳极化电荷的能力,是表征极化性质的宏观物理量,在外电场中材料极化感生的电荷越多其介电常数越大,反之越小,通常将介电常数表示为ε=ε′-jε″,ε′为介电常数的实部,ε″为介电常数虚部,是极化电荷和介电损耗的宏观参数,介电常数实部代表在电场中介质材料能量的存储,虚部表示在电场中能量损失,该能量损失可以理解为材料内部感应电偶极矩产生相对位移所引起的损耗[8-10]。本工作通过改变涂层厚度来改变阻抗特性以获得较大的介电常数实部、虚部和损耗角正切,特选用磁损耗率较大的铁氧体作为涂层复合材料的底层,铁氧体主要通过磁滞损耗、铁磁共振、涡流损耗等吸收电磁波能量,并将电磁能转化为热能[11-14];选用电阻率可调的介电损耗型材料碳化硅作为涂层复合材料中层,碳化硅主要通过介质的极化弛豫损耗吸收电磁波[15, 16];选用价格低廉、密度较小的石墨作为涂层复合材料表层,石墨受到外界磁场感应,在导体内产生感应电流,感应电流产生与外界磁场方向相反的磁场,从而与外界磁场相抵消,达到对外界电磁场的屏蔽作用[17, 18]。本工作选用柔性涤纶纬编针织物为基材,以E44型环氧树脂为基体,以无水乙醇为稀释剂,以650聚酰胺树脂为固化剂,在柔性基材上进行铁氧体/碳化硅/石墨三层复合涂层整理,重点研究了底层、中层、表层涂层厚度对该复合材料介电常数实部、虚部和损耗角正切的影响,期望开发一种新型具备良好介电性能柔性涂层复合材料。
1 实验 1.1 主要材料和试剂涤纶纬编针织物,E44型环氧树脂,无水乙醇,650聚酰胺树脂,铁氧体粉末,碳化硅粉末,石墨粉末等。
1.2 涂层织物的制备(1)将铁氧体粉末(质量分数为30%)加入E44型环氧树脂与无水乙醇的混合物中,然后加入一定量固化剂650聚酰胺树脂,并搅拌均匀。
(2)将基材固定在LTE-S8760涂层机上,取适量铁氧体涂层剂进行涂层整理,60℃真空烘燥3 h。
(3)重复上述工艺,可制得中层碳化硅涂层和表层石墨涂层。该复合材料结构模型如图 1所示。
1.3 测试指标和方法 1.3.1 介电常数测试介电常数的测试根据SJ20512-1995《微波大损耗固体材料复介电常数和复磁导率测试方法》标准,在BDS50介电谱仪上测试铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料的介电常数,使用3号电极片(直径为30 mm)在恒温恒湿(20~22℃、64%~66%RH)条件下测试[18-20],介电谱仪的测试单元如图 2所示。
1.3.2 损耗角正切测试采用BDS50型介电谱仪测试铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料的损耗角正切tanδ,tanδ表征着材料的吸波衰减能力,电磁损耗角正切越大,材料的吸波性能就越好。tanδ=tanδe+tanδm=ε″/ε′+μ″/μ′,式中tanδe为电损耗正切,tanδm为磁损耗正切[23,24]。
2 结果与讨论 2.1 底层涂层厚度对介电常数和损耗角正切的影响为了探究底层铁氧体涂层厚度对介电常数和损耗角正切的影响,以纬编针织物为基材,制备了一系列不同底层涂层厚度的铁氧体/碳化硅/石墨复合材料,其涂层厚度工艺参数如表 1所示。
No | Bottom layer thickness/mm |
Middle layer thickness/mm |
Surface layer thickness/mm |
1 | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
2 | 0.5 | 0.3 | 0.3 |
3 | 0.7 | 0.3 | 0.3 |
4 | 0.9 | 0.3 | 0.3 |
5 | 1.1 | 0.3 | 0.3 |
介电常数和损耗角正切可以间接地评价吸波性能。介电常数是外电场频率的函数,实部代表材料在外加电场作用下发生极化的程度,其值越大则材料的极化能力越强;虚部代表材料在外加电场作用下的电偶极矩产生重排引起能量损耗的量度,其值越大则对电磁波的损耗能力越强;损耗角正切表征材料的吸波衰减能力,其值越大则吸波性能就越好。铁氧体属于磁损耗型材料,主要是通过磁滞损耗、铁磁共振和涡流损耗等吸收电磁波能量,并将电磁能转化为热能。如图 3(a)所示:在低频段,介电常数实部由大到小依次是底层铁氧体涂层厚度为0.5, 0.3, 0.9, 0.7 mm的复合材料,而当底层涂层厚度为1.1 mm时,该复合材料实部曲线向低频方向移动;在高频段,5种不同底层涂层厚度实部曲线近似重合。如图 3(b)所示:在低频段,介电常数虚部由大到小依次是底层涂层厚度为0.5, 0.3, 0.9, 0.7, 1.1 mm的复合材料;在高频段,5种不同底层涂层厚度的虚部曲线近似重合。如3(c)所示:在低频段,底层涂层厚度为0.3 mm和0.5 mm的涂层铁氧体的损耗角正切交替出现最大值,损耗角正切由大到小依次是底层涂层厚度为0.9, 0.7, 1.1 mm的复合材料;在高频段,5种不同底层涂层厚度的损耗角正切曲线近似重合。底层铁氧体涂层厚度为0.9 mm时,复合材料介电常数实部和虚部值均最大。综上所述,在低频段,底层铁氧体涂层厚度为0.5 mm时,复合材料的介电常数实部、虚部、损耗角正切值均最大,其介电常数实部数值是其他实验组的近3倍,其损耗角正切值是其他实验组的近2倍。根据以上事实,适当增加涂层厚度有利于其介电常数和损耗角正切的提高;另外根据涂层厚度控制以轻薄为宜的原则,底层铁氧体涂层厚度为0.5 mm较好。
2.2 中层涂层厚度对介电常数和损耗角正切的影响为了探究中层碳化硅涂层厚度对介电常数的影响,以涤纶纬编针织物为基材,制备了一系列不同中层涂层厚度的铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料,其涂层工艺参数如表 2所示。
No | Bottom layer thickness/mm |
Middle layer thickness/mm |
Surface layer thickness/mm |
1 | 0.5 | 0.3 | 0.3 |
2 | 0.5 | 0.5 | 0.3 |
3 | 0.5 | 0.7 | 0.3 |
4 | 0.5 | 0.9 | 0.3 |
5 | 0.5 | 1.1 | 0.3 |
碳化硅属于介电损耗型材料,主要是通过介质的极化弛豫损耗吸收电磁波。如图 4所示:在低频段,当中层碳化硅涂层厚度为0.3 mm,铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料的介电常数实部、虚部和损耗角正切值最大。0.5, 0.7, 0.9, 1.1 mm涂层厚度的复合材料实部、虚部和损耗角正切曲线近似重合,中层涂层厚度对介电常数的实部、虚部和损耗角正切的影响可以忽略。在高频段,5种不同中层涂层厚度的铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料的实部曲线、虚部曲线和损耗角正切曲线均近似重合,中层涂层厚度对其实部、虚部和损耗角正切的影响可以忽略。根据以上事实,中层涂层厚度应偏低控制,故中层涂层厚度为0.3 mm较好。
2.3 表层石墨涂层厚度对介电常数和损耗角正切的影响为了探究表层石墨涂层厚度对介电常数的影响,以纬编针织物为基材,制备了一系列不同表层涂层厚度的铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料,其涂层工艺参数如表 3所示。
No | Bottom layer thickness/mm |
Middle layer thickness/mm |
Surface layer thickness/mm |
1 | 0.5 | 0.3 | 0.3 |
2 | 0.5 | 0.3 | 0.5 |
3 | 0.5 | 0.3 | 0.7 |
4 | 0.5 | 0.3 | 0.9 |
5 | 0.5 | 0.3 | 1.1 |
石墨属于电损耗型材料,当材料受到外界磁场感应时,在导体内产生感应电流,感应电流又产生与外界磁场方向相反的磁场,从而与外界磁场相抵消,达到对外界电磁场的屏蔽作用。由图 5所示,在低频段,表层石墨涂层厚度为0.3 mm时,铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料的实部、虚部及损耗角正切值最大,其他涂层样品实部曲线、虚部曲线及损耗角正切曲线近似重合,且对实部、虚部及损耗角正切影响较小,特别是在虚部曲线中,其他涂层厚度对介电常数虚部的影响可以忽略;在高频段,5种不同表层涂层厚度的复合材料实部、虚部及损耗角正切相互重合。根据以上事实,表层涂层厚度应偏小控制,故表层涂层厚度为0.3 mm较好。
3 结论(1)选用柔性涤纶纬编针织物为基材,在柔性基材上进行铁氧体/碳化硅/石墨三层复合涂层整理,成功制备了多种涂层厚度的三层涂层复合材料。
(2)在较低频段,该复合材料介电性能良好,三层涂层厚度均对复合材料的实部、虚部和损耗角正切影响较大,底层铁氧体涂层厚度为0.5 mm,中层碳化硅涂层厚度为0.3 mm,表层石墨涂层厚度为0.3 mm时,铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料的介电常数实部、虚部、损耗角正切最大。
(3)在高频段,三层涂层厚度均对介电性能影响较小,其实部曲线、虚部曲线、损耗角正切曲线都近似重合。
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