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  应用科技  2017, Vol. 44 Issue (6): 89-92  DOI: 10.11991/yykj.201706008
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引用本文  

程祥珍, 刘伟, 段玉平. 吸收剂复合对提升羰基铁涂层吸波性能的影响[J]. 应用科技, 2017, 44(6), 89-92. DOI: 10.11991/yykj.201706008.
CHENG Xiangzhen, LIU Wei, DUAN Yuping. The effect of composite absorber on the absorption properties of carbonyl-iron coatings[J]. Applied Science and Technology, 2017, 44(6), 89-92. DOI: 10.11991/yykj.201706008.

基金项目

国家自然科学基金项目(51577021)

通信作者

段玉平,E-mail:duanyp@dlut.edu.cn

作者简介

程祥珍(1977−),女,高级工程师,博士

文章历史

收稿日期:2017-06-07
网络出版日期:2017-07-04
吸收剂复合对提升羰基铁涂层吸波性能的影响
程祥珍1, 刘伟2, 段玉平2    
1. 南部战区陆军第一工程科研设计所,广东 广州 510515;
2. 大连理工大学 材料科学与工程学院,辽宁 大连 116085
摘要:为提升羰基铁(CIP)涂层吸波性能,分别添加了电阻型吸收剂炭黑(CB)和透波材料二氧化硅(SiO2),研究不同吸收剂的加入对其吸波性能的影响。用扫描电子显微镜表征其断面形貌,用弓形法测试其反射损耗(2~18 GHz频段)。结果表明,吸收剂的复合化显著提升了涂层的吸波性能。SiO2的加入显著改善了吸收峰值,且随SiO2含量的增加,峰值的改善更加显著。CB的加入也提升了涂层的吸波性能,但由于CB的高导电性,其加入量达到一定程度时,涂层的阻抗匹配条件恶化,吸波性能的提升也逐渐减小。当CB、CIP与聚氨酯质量比为0.1:5:1时,此时涂层吸波性能最佳,在6 GHz处可达−22.1 dB。吸收剂的复合化可有效提高传统吸波涂层性能,合理设计吸收剂的用量,可以获得吸波性能优异的涂层材料。
关键词羰基铁    复合吸波涂层    二氧化硅    炭黑    反射损耗    阻抗匹配    传输线原理    涡流损耗    
The effect of composite absorber on the absorption properties of carbonyl-iron coatings
CHENG Xiangzhen1, LIU Wei2, DUAN Yuping2    
1. The First Engineering Research and Design Institute of Southern Theater Army, Guangzhou 510515 China;
2. School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116085 China
Abstract: To investigate the methods improving the absorption properties of coatings using carbonyl-iron (CIP) as absorber, the resistance absorber carbon black (CB) and electromagnetic wave transparent silicon dioxide (SiO2) were added into coatings as composite absorbers respectively to research the influence of different absorbers on wave absorption performance of coating. The fracture surface of coatings was observed by scanning electron microscopy. The reflection loss versus frequency of the microwave absorbing coating was tested in the 2–18 GHz range using the arch method. The results show that adding composite absorbers is an effective way to improve the absorption properties of coatings. Besides, with the increase of SiO2 content, the improvement of peak value becomes more obvious. The adding of CB also enhanced wave absorption performance of coating. However, due to the strong conductivity of CB, when the amount of CB achieves a certain value, the improvement of absorption properties decrease because of the worse impedance match condition. When the coating with the mass ratio (CB:CIP:PU) is 0.1:5:1, the absorption peak value achieves −22.1dB at 6GHz, which shows the best absorption properties. Addition of composite absorbers is an effective way to improve absorption properties of coatings. Designing different addition amount of absorbers can reasonably obtain coatings with excellent absorption properties.
Key words: carbonyl-iron    composite coating    composite coating    carbon black    reflection loss    impedance match    transmission line theory    eddy-current loss    
 

从1864年英国科学家J.C.Maxwell预测电磁波的存在,到如今电磁波在当今社会的广泛应用。短短一百多年,电磁波经历了一个从未知到认同的过程,从日常生活所能接触到的一些家用电器如微波炉、电脑、手机等,到隐身飞机、雷达等国防军事装备,无处不涉及到电磁波的应用。然而事物总有两面性,电磁波的广泛应用虽然极大的便利了我们生产生活,但其也带来了许多问题,信息泄露、电磁辐射等问题不断困扰着我们,制约着电磁波的进一步发展。

吸波涂层材料作为一种应用最广泛的吸波材料,追求“薄、轻、宽、强”一直是国内外学者研究的重点。羰基铁作为一种传统的吸收剂,具有磁导率高、磁损耗大的优点,但用其作为单一吸收剂制备出来的吸波涂层很难达到“薄、轻、宽、强”的要求,如何提高羰基铁吸波涂层的吸波性能成为了研究的重点[1-5]

本文以聚氨酯为基体材料,羰基铁作为主要吸收剂,炭黑和SiO2作为复合吸收剂,制备出一系列吸波涂层,通过改变复合吸收剂的加入量,提升涂层的吸波性能,并研究不同的复合吸收剂加入对涂层吸波性能影响的机理,为以后制备出具有更好吸波性能的吸波涂层提供思路。

1 实验 1.1 实验材料及吸波涂层的制备

羰基铁粉(CIP)由陕西兴化化学股份有限公司生产;炭黑(CB)由辽宁抚顺东信化工有限公司生产,为了减小炭黑的尺寸和活化炭黑表面,在使用之前先将炭黑球磨5 h;二氧化硅(SiO2)由河南省纳米材料工程技术研究中心提供;聚氨酯由东莞左镕工实业有限公司生产。

首先将乙酸乙酯和乙酸丁酯按1:1的比例配成一定量的稀释剂,然后将配好的稀释剂按一定的比例加入到聚氨酯中,充分搅拌均匀以后,再按照实验要求加入经过预处理的吸收剂,以480 r/min的转速机械搅拌半小时后,再将混合溶液放入超声振荡仪超声振荡半小时。随后再往溶液中加入一定比例的二月桂酸二丁基锡,机械搅拌10 min后,得到混合均匀的膏状物。将所得的膏状物涂覆到200 mm×200 mm的铝板上,并通过自制的装置对涂层的厚度进行精确的控制。最后将涂覆完成的涂层放置在室温条件下自然固化成型,固化成型后对涂层进行脱模处理,以便后续对样品的修整和测试。试样的具体参数见表1

表 1 吸波涂层的具体成分
1.2 性能表征

涂层的断面形貌通过扫描电子显微镜(SEM,Zeiss SUPRA55)进行观察,采用弓形法对涂层的吸波性能进行测试,测试频段范围为2~18 GHz,实验设备为矢量网络分析仪(VNA,Agilent8720B)。

2 结果和讨论 2.1 形貌

图1(a)为羰基铁涂层断面的扫描电子显微镜图,从图中可以看出,球状的羰基铁粒子较为均匀的分散在聚氨酯基体中,并没有出现明显的团聚现象。图1(b)是羰基铁/二氧化硅复合吸波涂层的断面形貌图,由于二氧化硅的粒径很小,所以大量二氧化硅存在于聚氨酯基体中,被聚氨酯所包覆。图1(c)是羰基铁/炭黑复合吸波涂层的断面形貌图,从图中可以看出,由于炭黑粒子和羰基铁粒子的粒径差,所以炭黑粒子倾向于聚集在羰基铁粒子之间的间隙处,被聚氨酯基体所包围。

图 1 涂层的断面形貌
2.2 吸波性能分析 2.2.1 吸波理论

根据传输线理论,当电磁波垂直入射到以理想导体作为基板的单层吸波涂层时,涂层的电磁辐射的反射损耗值可以定义为[6]

${R_L} = 20\lg \left| {\frac{{{Z_{\rm in}} - {Z_0}}}{{{Z_{\rm in}} + {Z_0}}}} \right|$ (1)
${Z_{{\rm{in}}}}{\rm{ = }}\sqrt {\frac{{{\mu _r}}}{{{\varepsilon _{\rm{r}}}}}} \tanh \left[ {{\rm{j}}\left( {\frac{{2{\rm{\pi }}fd}}{c}} \right)\sqrt {{\mu _r}{\varepsilon _r}} } \right]$ (2)

式中:Zin表示吸波材料的输入阻抗,Z0表示空间的本征阻抗,其值为377 Ω,d为吸波材料的厚度,c是光速,f表示频率,μrεr分别表示材料的相对磁导率和介电常数。

2.2.2 羰基铁涂层的吸波性能

图2为不同成分的羰基铁涂层的吸波性能,从图中可以清楚发现,随着羰基铁的成分(羰基铁与聚氨酯质量比)从3:1增加到6:1,涂层的吸波性能出现了先提升后减弱的现象,吸收峰值所对应的频率随成分增加逐渐向低频区域移动,吸收峰值则先降低后上升,当羰基铁成分达到5:1时,涂层具有最低吸收峰值,其值可以达到-17.1 dB。-8 dB以下的有效吸收频宽也从3:1时的4.3 GHz(8.6~12.9 GHz)先增加到5:1时的5.4 GHz(6.1~11.5 GHz),最后减小到6:1时的3 GHz(4.4~7.4 GHz)。

图 2 不同成分羰基铁涂层的反射损耗曲线

已知涂层要获得良好的吸波性能,需要同时满足阻抗匹配和有效损耗两个条件[7],根据有效介质理论可以知道[8],随着涂层中吸收剂的含量增加,涂层的磁导率(μr)和介电常数(εr)也随之变大,涂层对电磁波的损耗能力必然随之增强,即涂层的有效损耗条件是随着涂层中吸收剂含量的增加而增强的,但是根据式(2)可以知道,涂层的输入阻抗(Zin)也是随着羰基铁的含量增加而增加的,当输入阻抗增加到一定值时,必然会导致其与空间的本征阻抗的差值增大,使得涂层的阻抗匹配条件恶化,大量的电磁波在涂层表面被反射掉,无法进入到涂层内部被羰基铁所损耗,这也就解释了羰基铁涂层吸波性能随着羰基铁含量的增加,出现先增强后减弱的现象。

2.2.3 羰基铁/SiO2涂层的吸波性能

SiO2的加入对羰基铁涂层吸波性能的影响见图3。从图中可以看出,SiO2的加入显著提升了涂层的吸波性能,涂层的吸收峰值出现了明显的下降,且随着添加的SiO2含量的增加,峰值的降低越来越显著,当加入的SiO2量达到0.05:5:1(SiO2、羰基铁与聚氨酯质量比)时,此时涂层的吸收峰值达到了−39.5 dB,较没添加SiO2之前的−17.1 dB,峰值的下降十分明显。于此同时可以观察到,吸收峰值所对应的频率以及−8 dB以下的有效吸收频宽,均未出现显著的变化。

图 3 不同成分羰基铁/二氧化硅涂层的反射损耗曲线

根据之前的研究发现[9-11],SiO2作为一种透波材料,本身并不具备很强的介电损耗和磁损耗性能,当其加入到涂层中,会为电磁波在涂层中的传播提供渠道,有利于改善涂层的阻抗匹配性能,使得更多的电磁波可以进入到涂层中来,提高涂层的吸波性能。

2.2.4 羰基铁/炭黑涂层的吸波性能

图4为不同成分羰基铁/炭黑复合吸波涂层的吸波性能,从图中可以清楚地看出,炭黑的加入有助于涂层吸波性能的提升,随着加入炭黑含量的增加,吸收峰值所对应的的频率逐渐向低频进行运动,而吸收峰值则出现了先降低后增加的现象,当炭黑含量达到0.1:5:1(炭黑、羰基铁与聚氨酯质量比)时,此时涂层具有最佳的吸波性能,吸收峰值在6 GHz处达到了−22.1 dB,此后随着加入的炭黑量的增加,吸收峰值增加,涂层的吸波性能变差。

图 4 不同成分羰基铁/炭黑涂层的反射损耗曲线

与单一的羰基铁涂层相比,炭黑的加入对涂层吸波性能的提升具有很大的影响,一方面因为炭黑是一种典型的电阻型吸收剂,当其加入到涂层中时,会在涂层中形成局部的导电网络,增加涂层的涡流损耗;另一方面,炭黑的加入有助于改善涂层的阻抗匹配能力,使电磁波更多的进入到涂层内部。但当炭黑的含量达到一定程度之后,会使涂层的导电性能大幅度增加,反而恶化了涂层的阻抗匹配条件,使电磁波的反射增强,吸波性能下降[12]

3 结论

1) 考察了羰基铁含量对羰基铁涂层吸波性能的影响,当羰基铁含量为5:1(羰基铁与聚氨酯的质量比)时,此时涂层具有最佳的吸波性能,吸收峰值可以达到−17.1 dB。−8 dB以下的有效吸收频宽达到了5.4 GHz(6.1~11.5 GHz)。

2) 成功制备了羰基铁/SiO2复合吸波涂层,SiO2的加入有助于提升羰基铁涂层的吸波性能,涂层的吸收峰值均出现了明显下降,且随着SiO2加入量的增加,峰值逐渐降低,当SiO2含量达到0.05:5:1(SiO2、羰基铁与聚氨酯质量比)时,涂层的吸收峰值达到了−39.5 dB。

3) 炭黑的加入有助于改善涂层的阻抗匹配条件,提升羰基铁涂层的吸波性能,涂层的吸收峰值下降,但由于炭黑粒子较强的导电性,当其在涂层中的成分过高时,会造成对电磁波的强反射,降低涂层的吸波性能。当炭黑含量达到0.1:5:1(炭黑、羰基铁与聚氨酯质量比)时,此时涂层具有最佳的吸波性能,吸收峰值在6 GHz处达到了−22.1 dB。

参考文献
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