纳米二氧化锰掺杂炭黑复合材料电磁特性的研究

第27卷 第2期

2007年4月

航 空 材 料 学 报

J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LS

V o l 127,N o 12 A pr il 2007

纳米二氧化锰掺杂炭黑复合材料电磁特性的研究

张 昕1

, 刘顺华1

, 段玉平1

, 管洪涛2

, 温 斌

1

(11大连理工大学材料科学与工程学院,辽宁大连116085;21云南大学物理学院,昆明650091)

摘要:基于单一吸收剂无法达到良好的微波吸收效果,利用纳米二氧化锰掺杂炭黑颗粒制备了一种新型的复合吸收剂,并进行TE M 形貌表征,介电性能分析以及微波吸收性能的测试。结果表明,炭黑属于电阻型损耗介质,主要呈球形多孔状;二氧化锰属于介电损耗介质,特殊的条形片状结构增加了电磁波在机体内的反射次数和散射截面,高电阻特性有效改善了吸波平板材料的输入波阻抗匹配程度,从而大大改善炭黑的微波吸收性能。关键词:二氧化锰;炭黑;介电损耗;微波吸收

中图分类号:TB34 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2007)02-0058-04

收稿日期:2006-03-16;修订日期:2006-06-12基金项目:国家自然科学基金资助(N o .50402025)作者简介:张昕(1981)),男,硕士研究生,研究方向:电磁波吸收材料。

隐身技术是一种能改变武器装备等目标的可探

测信息特征,使敌方探测系统不易发现或发现距离缩短的综合性技术。随着隐身飞机在战争中的作用愈来愈突出,隐身技术已成为各国在军事高技术竞

争中竞相争夺的一张重要/王牌0[1~3]

。改变飞机外形和机体采用吸波材料是实现飞机隐身的主要手段

[4~6]

,而吸波材料能否达到良好的吸波效果,吸收

剂的选择是重中之重。很长时间以来,炭黑以其良

好的导电性被广泛地应用于吸收剂的设计中[7,8]

,但是仍存在着吸收峰值小,吸收频宽窄等缺点。而二氧化锰是锰铁氧体吸波材料的主要原料之一,铁氧体材料因其优良的低频吸波性能已得到广泛应用,因此,本研究结合以上两种材料,以纳米二氧化锰掺杂炭黑制备一种新型复合吸收剂,试图改善炭黑粒子的吸波效果,并希望能有助于今后复合吸收剂的研究。目前对二氧化锰掺杂炭黑电磁性能的研究还未见报道。

1 实 验

1.1 实验制备

首先将炭黑在球磨机中球磨5h ,细化大块团聚体,然后在氩气保护下700e 加热2h,对炭黑进行预处理以去除表面有机物,达到活化炭黑的目的

[8]

,

然后分别将炭黑(10vo%l ,20vo%l ,30vo%l ,

40vo%l )和二氧化锰(10vo%l )在球磨机中再次球

磨使之均匀混合,最后用超声震荡仪使其在环氧树脂中均匀分散,加入固化剂常温注模固化成型,制成200mm @200mm @3mm 平板试样,待测电磁特性。1.2 实验方法

炭黑和二氧化锰表面形貌采用J E M-100CX Ⅱ型高分辨率透镜进行测试。纯炭黑和二氧化锰的电磁参数采用同轴法兰法测试,测试频段为2~18GH z 。复合材料的吸波性能利用H P8720B 网络分析仪在无回波暗室中采用弓形法进行测试,测试频段为8~18GH z 。

2 实验结果与讨论

2.1 吸收剂的形貌表征

图1为炭黑和二氧化锰颗粒形貌的TE M 照片。从炭黑的TE M 可以看出,结构主要呈球形多孔状,颗粒尺寸约为60nm 。从二氧化锰的TE M 可以看出,结构为条形片状团聚结构,颗粒尺寸约为100~150nm 。有文献可知,条状和片状的结构相比,球形具有更大的反射和散射截面[9]

,从而有利于增加电磁波在试样内部进行多次反射和散射的机率,使吸收剂对电磁波达到多次吸收。另外,炭黑和二氧化锰均为纳米颗粒,体内及界面中存在大量悬键,空位及空洞等缺陷,且粒径越小,缺陷越多,这会引起正负电荷分布的变化。在电场的作用下正负电荷分别向两极移动,最后聚集在界面缺陷处,形成电偶极矩,产生空间电荷极化。与此同时,在纳米粒子体内及其庞大的界面中会存在相当多数量的氧离子空

位,这些空位有利于转向极化的产生[10]

。从而有利于对电磁波的损耗。

第2期

纳米二氧化锰掺杂炭黑复合材料电磁特性的研究 图1 颗粒形貌的TE M 照片

(a)炭黑颗粒;(b)二氧化锰颗粒

F i g .1 TE M m icrograph of parti culate

(a)CB pa rti culate ;(b)M nO 2particu late

2.2 吸收剂的介电性能

复介电常数E =E c -j E d 和复磁导率L =L c -j L d 是表征材料介电性能和磁性能的重要参数,也是评定材料吸波性能的重要标准。其中E c 和E d 表示材料对电磁能量的存储能力,E d 和L d 表示材料对电磁能量的削减能力。为了使材料能够尽可能吸收电磁波,有两个重要问题需要解决,第一,如何尽可能地使入射电磁波进入材料内部而不被反射;第二,如何能够有效吸收进入材料内部的电磁波。对于第一个问题,保证空气与材料之间阻抗匹配是关键,也就是材料复介电常数和复磁导率的实部尽可能相等,即L c /E c 尽可能等于1;对于第二个问题,材料复介电常数和复磁导率的虚部E d 和L d 应尽可能的大。

按照微波的传输理论分析,对于单层平面材料,电磁波从自由空间入射到材料界面的归一化输入阻抗Z 为:

Z =

Z i n

Z 0

=L

E tan h j 2P f t c

#LE (1)Z in 为材料阻抗,Z 0为空气阻抗,E =E c -j E d 为复介电

常数,L =L c -j L d 为复磁导率,c 为电磁波在真空中的传播速度,t 为试样厚度,f 为入射电磁波的频率。吸收效果一般用反射系数R (dB)表示:

R (dB )=20log Z -1

Z +1

(2)

另外定义:

tan D e =E d /E c , tan D m =L d /L c (3)其中,D e 表示电感应场D 相对于外加电场的滞后相位,同样D m 为磁感应场B 相对于外加磁场的滞后相位。tan D e 表示介电损耗角正切,tan D m 表示磁损耗角正切,损耗角越大,对电磁波衰减越明显。

由文献[11]可知,炭黑和二氧化锰相对磁导率实部接近于1,虚部接近于零,磁损耗为零,说明炭

黑和二氧化锰均不是磁损耗介质,因此仅对电性能进行分析。图2示出炭黑和二氧化锰复介电常数随频率的变化曲线。从图2可见,炭黑具有比较大的介电常数,加之高导电性,可知炭黑主要靠涡流损耗衰减电磁波,是一种电阻型吸收剂。而二氧化锰相对介电常数实部在9~12范围内,虚部仅在2~4范围内,损耗角正切在0.3~0.4范围内,实部和虚部随频率增加逐渐降低,损耗角正切随频率增加逐渐增加,由此推断,二氧化锰是一种宽频带介电型吸收剂,主要靠介电损耗吸收电磁波。2.3 二氧化锰掺杂炭黑的吸收特性

2.3.1 二氧化锰的掺杂对吸波性能的影响

在10vo%l ,20vo %l ,30vo%l ,40vo%l 炭黑中分别掺杂10vo%l 纳米二氧化锰制备不同组分的试样,并与具有相同纯炭黑含量的试样进行比较。所得的吸波性能曲线分别对应于图3的a ,b ,c 和d 。从图中可以看出,在20%炭黑中掺杂二氧化锰吸波性能较纯炭黑有所下降,在10vo %l ,30vo %l 和40vo%l 炭黑中掺杂二氧化锰,吸波性能较纯炭黑有很大提高。 这初步可以归结为以下三方面原因:(1)二氧化锰颗粒条状和片状的特殊结构有利于增加和增大对电磁波的反射次数和散射截面,从而提高炭黑粒子对电磁波的吸收;(2)二氧化锰影响炭黑导电网络的形成,改善复合材料的输入波阻抗;(3)二氧化锰本身对电磁波的吸收。

当加入10vo%l 炭黑时,由于含量较低,粒子之间的距离较远,此时形成链状导电通道的几率较小,这时隧道效应起主要作用,无法对电磁波进行大量吸收,加入纳米二氧化锰之后,条形片状结构增加了电磁波在基体内的反射次数和散射截面,使炭黑对电磁波进行多次吸收,从而增加吸波性能(图3a)。

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