无纺布织物涂层的吸波性能

2 2 吸波剂含量对材料吸波性能的影响 根据电磁波传输理论, 单层吸波材料与空气形
成界面的反射率为:
R=
201g
Biblioteka Baidu
ZZ+
1 1
( 1)
其中输入阻抗:
Z=
- j tanh [ j 2 d
-
0
( - j )( - )]
( 2)
式中, d 为吸波材料的厚度, 0 为空气中的波长, 电 导率 = - , 磁导率 = - j 。
表 1和表 2分别为图 5中和图 6中各组试样对 应的单层面密度和厚度, 这种无纺布吸波材料面密 度较小, 单层面密度在 0 2 kg /m2左右。
表 1 单层吸波材料的面密度和厚度 T able 1 P lanar dens ity and th ickness o fm ono layer FCAM
可见, 吸波材料的反射率和其阻抗、电导率、磁
导率及厚度密切相关。
无纺布吸波材料中吸波剂选择乙炔炭黑和磷化
羰基铁粉。乙炔炭黑属电阻损耗介质, 呈球形多孔 状 ( 图 3) , 羰基铁粉属电磁损耗介质, 呈圆球状 ( 图
4)。乙炔炭黑的多孔结构和 羰基铁粉的球 形结构 相结合会增强电磁波的散射损耗截面 [ 10] 。这两种
表 3 单层吸波材料的面密度和厚度 T able 3 P lanar dens ity and th ickness o fm ono layer FCAM
Samp les
65w t% CIP- 0. 6w t% ACB 75w t% CIP- 0. 6w t% ACB 85w t% CIP- 0. 6w t% ACB
第 28卷 第 4期 2008年 8月
航空材料学报
JOURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER IA LS
V o l 28, N o 4 A ugust 2008
无纺布织物涂层的吸波性能
朱立群 1, 古 璟 1, 李卫平 1, 刘慧丛1, 赵 波 2
( 1. 北京航空航天大学 材料科学与工程学院, 北京 100083; 2. 北京特种车辆研究所, 北京 100072)
吸波剂的电磁性能可相互弥补, 少量乙炔炭黑可依 靠隧道效应形成电阻损耗, 同时在电磁场的作用下
可产生滞后的极化电流, 结合羰基铁粉本身的磁损
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航 空 材 料 学报
第 28卷
耗和吸波剂颗粒的界面极化效应, 将电磁波损耗吸 收。可见, 这两种吸波剂复合可以提高材料的吸波 性能。
2 2 1 乙炔炭黑含量对材料吸波性能的影响 吸波涂料中羰基铁粉含量一定时, 改变乙炔炭
从图 8可知, 乙炔炭黑为 1 2w %t 时, 随羰基铁 粉含量的增加, 反射率曲线左移, 反射率峰值对应的 厚度减小, 但反射率峰值却有升高的趋势, 羰基铁粉 85w %t , 乙炔炭黑 1 2w %t 的试样在厚度为 1 71mm 的反射率为 - 7dB。
表 3和表 4分别为图 7和图 8中单层无纺布吸 波材料面密度和厚度。
性能并降低材料面密度 。
关键词: 吸波材料; 织物涂层; 无纺布; 叠 层结构
中图分类号: TB34; TQ 637
文献标识码: A
文章编号: 1005-5053( 2008) 04-0070-06
随着对雷达吸波材料实际应用需求的提高, 采 用单一 吸波剂和 单层吸波 涂层远不 能满足 薄 、
轻 、 宽 、 强 的要求。因此, 设计和制备具有 多元复合吸波剂和多层结构的吸波材料成为研究的 重点。多元复合吸波剂通常是将两种或多种电磁性 能相互弥补或增强的吸波剂复合, 以拓展吸收频带, 增强吸波能力, 降低材料 密度, 如沈国 柱等 [ 1] 制备 的短切碳纤维-铁氧体吸波材 料, 厚度为 2mm, 在 8 ~ 18GH z内 小于-10dB 的带宽 达到 3 5GH z。张昕 等 [ 2] 用纳米二氧化锰掺杂炭黑颗粒 制备了一种复 合吸波剂, 大大改善炭黑的微波吸收性能。多层吸 波材料一般从表面到底层为匹配层 到损耗层的结 构, 目前的研究报道多以两层或三层为主。多层结 构解决了单层不能同时满足的阻抗匹配和最大衰减 条件, 有效提高吸波材料的吸波性能。但是, 层数的 增多往往使材料重量增加, 厚度增大, 给工程应用带 来不便。因此, 需要结合其他方法加以改进。研究 表明, 设计合理的结构, 如制造微观孔洞 [ 3] , 宏观多 孔复合结构 [ 4] 或表面立体式结构 [ 5] 等可使电磁波 易于进入吸波材料内部并得到有效衰减, 这些几何 结构增加了吸波材料与雷达波的作用几率, 因而可 在一定程度上降低吸波材料的面密度和厚度。
Samp les
65w t% C IP- 0w t% ACB 65w t% CIP- 0. 4w t% ACB 65w t% CIP- 0. 6w t% ACB 65w t% CIP- 1. 2w t% ACB
65w t% C IP- 2w t% ACB
P lanar dens ity /
kg m- 2 0. 18 0. 29 0. 22 0. 26 0. 12
各种外形复杂的装备表面, 易于按照要求加工成型, 原料丰富。同时, 若将织物的网眼孔隙结构直接用 于吸波材料的结构设计, 可改变电磁波进入材料内 部后的传播路线, 使入射电磁波在吸波材料内部通 过一系列的散射反射吸收过程得到最大损耗 [ 6] , 因 此织物涂层吸波材料有望发展为一种新型的吸波材 料。
T h ickness / m
100~ 230 120~ 260 110~ 250 120~ 260 110~ 220
表 2 单层吸波材料的面密度和厚度 T able 2 P lanar dens ity and th ickness o fm ono layer FCAM
Samp les
85w t% C IP- 0w t% ACB 85w t% CIP- 0. 4w t% ACB 85w t% CIP- 0. 6w t% ACB 85w t% CIP- 1. 2w t% ACB
摘要: 以无纺布为基材, 采用叠层式结构制 备无纺布织物涂层吸波材料。用 3cm 波导测量系 统在 9 35GH z研究复
合吸波剂 ( 羰基铁粉和乙炔炭黑 )含量和叠层结构对材料吸 波性能的影响。结果表明, 这种以无纺布为 基材的吸波
材料, 通过控制吸波涂层的组成和设计合理的结构, 增加入射电磁波与吸波材料的作 用几率, 可以改进 材料的吸波
85w t% C IP- 2w t% ACB
P lanar dens ity / kg m- 2 0. 23 0. 26 0. 21 0. 20 0. 12
T h ickness /
m 130~ 230 120~ 260 140~ 230 120~ 260 110~ 220
第 4期
无纺布织物涂层的吸波性能
1 试样制备与试验方法
11 原 料 试验 基材 为无纺 布; 某 种水性 粘结 剂; 丙 酮;
OP; LDT-20羰基铁粉, 陕西兴化化学股份有限公司 羰基铁粉厂; 乙炔炭黑, 粉状, 北京市欣奕搏瑞化工 厂。 1 2 试样制备
丙酮作溶剂, 加适量分散剂 OP 将不同比例的 吸波剂 (羰基铁粉和乙炔炭黑 ) 分散均匀, 超声处理 10m in, 或研磨机研磨 2~ 3次后, 加入水性粘结剂中
目前大多与电磁波相关织物材料的主要功能是 防护电磁波辐射, 即最大限度降低电磁波透射并将 其反射出被保护物体 之外, 但 是又造成二次污 染。 因此, 从长远角度考虑, 必须开发具有吸波能力的织 物材料。现有的织物吸波材 料尚处于试验 开发阶 段, 多采用 具有吸波能力的纤 维直接编织而成 [ 7] , 有关织物涂层吸波材料的研究报道较少。本工作以 无纺布为试验基材, 制备无纺布织物涂层吸波材料, 研究 9 35GH z( 测试仪器的中心频点, 具有代表性 ) 时吸波剂含量变化和内部结构调整对无纺布吸波材 料吸波性能的影响。
将各组无纺布吸波材料裁剪为 5mm 5mm 的 试样, 选取涂敷均匀的试样进行试验测试。
面密度测试: 各组试样中随机抽取 10片, 测量 后求平均值。
吸波性能测试: 每组试样按层数依次递增叠加, 即得不 同 层数 的无 纺 布叠 层 吸波 材 料, 用 两点 法 [ 8] 在 3cm 波导测量 ( 由 DH 1121A 型固态 3cm 信 号源、隔离器、衰减器、波导测量线以及 DH 388A0选 频放大器等组 成 ) 系统测试 反射率, 测 试频率 9 35GH z。将吸波材料放在测试系统的负载接口和 短路片之间, 用螺丝拧紧, 减小短路板和样品以及样 品各层之间的空气带来的误差 [ 9 ] 。
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2 2 2 羰基铁粉含量对材料吸波性能的影响 吸波涂料中乙炔炭黑含量一定时, 羰基铁粉含
量分别为 65w %t , 75w %t , 85w %t 。 图 7 和 图 8 分 别 是 乙 炔 炭 黑 为 0 6w %t 和
1 2w %t 时不同羰基铁粉含量的无纺布叠层吸波材 料的反射率曲线。从图 7可以看出, 随羰基铁粉含 量的增加, 反射率曲线有下移的趋势, 反射率峰值降 低, 叠层数大于 11层 后每条曲线的 反射率可降至 - 6dB以下, 羰基铁粉 85w %t , 乙炔炭黑 0 6w %t 的 试样在厚度为 2 23mm 时的反射率为 - 11 9dB。
外, 叠层数大于 11层后曲线的反射率可降至 - 6dB 以下。图 5中羰基铁粉 65w t % , 乙炔炭黑 0 6w %t 左右时材料的吸波效果较好, 此时的吸波材料在厚 度为 2 27mm 时的反射率为 - 8 6dB。图 6为羰基 铁粉 85 w %t 吸波材料的反射率曲线, 也有以上的类 似规律。
第 4期
无纺布织物涂层的吸波性能
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制成吸波涂料。 无纺布经 100 去离子水浸泡 1h前处理以除
去表面可能残留的胶浆类物质, 将各种不同比例吸 波剂含量的吸波涂料调整至适当粘度, 均匀刷涂于 无纺布上, 室温固化, 即得各组无纺布织物涂层吸波 材料 (以下简称无纺布吸波材料或吸波材料 )。 1 3 试验方法
织物材料具有面密度低、柔韧性好、加工方便、 价格低廉等优点, 因此, 织物涂层吸波材料与传统铝 板上的涂层吸波材料相比密度较低、可直接覆盖于
收稿日期: 2007-07-06; 修订日期: 2007-10-27 作者 简介: 朱 立群 ( 1955 ), 男, 博士 生 导 师, ( E-m a il) zhulq@ buaa edu cn。
黑含量, 制备不同乙炔炭黑含量的无纺布吸波材料。 图 5 为羰基铁粉 65w %t 不同乙炔炭黑含量无纺布 叠 层 吸 波 材 料 的 反 射 率 曲 线。 可 以 看 出, 在 9 35GH z, 随着乙炔炭黑含量的增加, 吸波材料的反 射率曲线有一个先左后右的移动过程, 每条曲线的 反射率峰值有先降低后升高的趋势, 说明存在某一 乙炔炭黑含量使材料的吸波性能最佳, 微量乙炔炭 黑的加入使同一反射率下吸波材料的厚度降低。此
2 结果与讨论
2 1 无纺布吸波材料 图 1为无纺布基材和无纺布吸波材料。在无纺
布基材 ( 图 1a)上刷涂吸波涂料后 ( 图 1b) 可见原来 的菱形网眼部位多了一层吸波涂层, 其他部位的吸 波涂层有基材支撑, 呈现一种凹凸不平的结构。
图 2模拟无纺布叠层吸波材料中的电磁波作用 过程, 图中每层菱形部位与图 1b凹下去的吸波涂层 对应, 其余部位与图 1b凸出部位对应。电磁波进入 吸波材料内部后, 非菱形部位结构较疏松, 使电磁波 容易进入无纺布叠层吸波材料内部, 由于入射电磁 波在每一层中都发生反射且角度不同, 电磁波反射 过程中碰到上一层吸波剂较密集部位时会被吸收和 重新反射至材料内部, 由此改变电磁波传播路线, 增 大电磁波与吸波材料作用几率, 把更多的电磁波消 耗在材料内部, 最终降低吸波材料反射率。
厚度测试: 每组层数依次递增的吸波材料夹在 3cm 波导测量系统的矩形波导和短路片中测试吸波 性能时, 用数显螺旋测微仪的读数减去矩形波导和 短路片的总厚度, 即得层数依次递增时织物涂层的 总厚度, 各次测量结果相减为单层织物涂层的厚度。
粘附强度测试: 每组试样随机抽取 3片反复折 叠 100次, 涂层表面无起皮脱落现象, 说明涂层和基 体的结合性能很好。