第２４卷第２期２００９年３月
ＪｏｕｍａｌｏｆＩｎｏｒｇａｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ
Ｖｏｉ．２４，Ｎｏ．２
Ｍａｒ．，２００９
文章编号：１０００—３２４Ｘ（２００９）０２－０３２０－０５ＤＯＩ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１０７７．２００９．００３２０以中空多孔碳纤维为主体的轻质吸波材料吸波性能研究 谢炜，程海峰，楚增勇，陈朝辉，周永江
（国防科技大学新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室，长沙４１００７３）
摘要：根据阻抗匹配原理和电磁波传播规律，以中空多孔聚丙烯腈（ＰＡＮ）碳纤维为主要吸收剂，分别添加以炭黑、碳纤维和羰基铁粉为吸收剂的匹配层，制备ｒ双层轻质雷达吸波材料，并考察了其吸波性能．结果表明，双层结构设计和不同吸收剂的复合对提高材料的吸波性能起着重要的作用．以羰基铁 粉作吸收剂的匹配层比以炭黑和碳纤维作吸收剂的匹配层对提高以中空多孔碳纤维吸波材料的吸波性能更为显著．所制备的材料在厚度为２．９０ｍｍ，密度为１．２８９／ｃｍ３时，在４～１８ＧＨｚ频率范围内反射率≤一８ｄＢ的带宽为１１．４２ＧＨｚ，反射率≤一１０ｄＢ的带宽为１０．９０ＧＨｚ．
关键词：中空多孔碳纤维；吸波材料；吸波性能
中图分类号：ＴＢ３４文献标识码：Ａ
ＲａｄａｒＡｂｓｏｒｂｉｎｇＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＬｉｇｈｔＲａｄａｒＡｂｓｏｒｂｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ
ＢａｓｅｄｏｎＨｏｌｌｏｗ－ｐｏｒｏｕｓＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒｓ
ＸＩＥＷｅｉ，ＣＨＥＮＧＨａｉ—Ｆｅｎｇ，ＣＨＵＺｅｎｇ—Ｙｏｎｇ，ＣＨＥＮＺｈａｏ－Ｈｕｉ，ＺＨＯＵＹｏｎｇ—Ｊｉａｎｇ（ＫｅｙＬａｂｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＣｅｒａｍｉｃＦｉｂｅｒｓ＆Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００７３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｋｉｎｄｏｆｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔａｎｄｗｉｄｅｂａｎｄｒａｄａｒａｂｓｏｒｂｉｎｇｍａｔｅｒｉ
ａｌｓｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂａｓｅｄｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｍａｔｃｈｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｌａｗｓ．Ｔｈｅｓｅｍａｔｅｒｉａｌｓｃｏｎｓｉｓｔｏｆｔｗｏ—ｌａｙｅｒｓ，ｏｎｅｍａｄｅｏｆＰＡＮ－ｄｅｒｉｖｅｄｈｏｌｌｏｗ—ｐｏｒｏｕｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｎｇｔｏｔｈｅｌｏｗｄｅｎｓｉｔｙ，ａｎｄｔｈｅｏｔｈｅｒｍａｄｅｏｆｃａｒ－
ｂｏｎｂｌａｃｋｓ，ｓｈｏｒｔｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｏｒｅａｒｂｏｎｙｌｉｒｏｎ
ｐｏｗｄｅｒｓａｃｔｉｎｇａｓ
ｔｈｅｍａｔｃｈｉｎｇｌａｙｅｒ．Ｔｈｅｉｒｒａｄａｒａｂｓｏｒｂｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｔｃｈｉｎｇｌａｙｅｒ，ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｍａｔｃ－ｈｉｎｇｌａｙｅｒ，ｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅａｂｓｏｒｂｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｃａｒｂｏｎｙｌｉｒｏｎｐｏｗ—ｄｅｒｓａｒｅｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｍａｔｃｈｉｎｇｌａｙｅｒｔｈａｎｔｈｅｏｔｈｅｒｔｗｏａｓｔｈｅｒａｄａｒａｂｓｏｒｂｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｃｏｎｃｅｒｎｅｄ．Ｔｈｕｓｏｂｔａｉｎｅｄｍａｔｅｒｉａｌｈａｓａｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆ
１１．４２ＧＨｚｕｎｄｅｒ一８ｄＢ。ａｎｄａｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆ１０．９０ＧＨｚｕｎｄｅｒ一１０ｄＢｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ４—１８ＧＨｚ，ｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｔｈｅｄｅｎｓｉｔｙａｒｅ２．９０ｍｍａｎｄ１．２８ｇ／ｃｍ３，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｏｌｌｏｗ—ｐｏｒｏｕｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ；ｒａｄａｒａｂｓｏｒｂｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｒａｄａｒａｂｓｏｒｂｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
中空多孔碳纤维是一种新型的碳材料．以聚丙烯腈为代表的活性中空多孑Ｌ碳纤维，因其制备方便，成本低廉，产品性能好，易于规模化生产而得到研究者的极大关注．由于其中空多孔且比表面积大的特点，研究者们对中空多孔碳纤维的吸附性能及储氢性能进行了广泛的研究¨…．
制备高性能轻量化吸波材料是吸波材料的一个发展趋势，吸波材料的轻量化必须以轻质吸收剂的发展为技术基础【５’６］．根据中空多孑Ｌ碳纤维的结构特点，其表观密度与常规碳纤维相比，密度大大降低．前期我们对中空多孔碳纤维作雷达波吸收材料进行了初步研究，发现中空多孔碳纤维可作为一种轻质电损耗雷达波吸收剂来使用ＬＴ，ｓ．】．吸波材料的吸波性能主要由吸收剂来提供．为了提高吸波材料的吸波性能，一方面可通过工艺来调节吸收剂的性能，另一方面，还可以辅助其它材料设计技术来提高其吸波性能，如分层、分块设计，频率选择表面复合技术一。１“．
本工作根据阻抗匹配原理和电磁波传播规律，以自制中空多孔碳纤维为主体，分别采用电损耗和磁损耗吸收剂为匹配层，制备了双层轻质吸波材料，并对
红白歌会2016
收稿日期：２００８－０５－２３，收到修改稿日期：２００８－０８－２８
基金项目：国家自然科学基金（５０４０３０１０）；湖南省研究生科研创新项目；国防科技大学优秀研究生创新资助（Ｂ０７０１０２）作者简介：谢炜（１９８０一），男，博士研究生．Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｗｘｗＯＯ＠１６３．ｃｏｒｎ
第２期谢炜，等：以中空多孔碳纤维为主体的轻质吸波材料吸波性能研究
３２１
其在４—１８ＧＨｚ范围内的吸波性能进行了研究．
２结果与讨论
１
实验
１．１实验原料
实验选用的主要吸收剂为ＰＡＮ基中空多孔碳纤维，其制备方法可参见文献［２，４，７，８］．实验以碳化温度８００和９０００Ｃ的中空多孔碳纤维为主要吸收剂，选用纳米乙炔炭黑和短切碳纤维以及羰基铁粉作为匹配层的吸收剂，上述吸收剂除中空多孔碳纤维以外，均从市面上购买所得，其微观结构分别如图１所示．
影响食品安全的因素１．２材料制备
为了保持中空多孔碳纤维的形貌，实验采用模压方法来制备含中空多孑Ｌ碳纤维的吸波材料，树脂采用环氧，并加相应的固化剂．匹配层的吸收剂则在开放式双辊炼胶机中，将吸收剂、ＰＶＣ及相应的助剂按一定比例混合，在一定条件下混炼．上述材料均做成１８０ｒａｍ×１８０ｍｍ样品，如表１所示．
１．３吸波性能测试
在Ａｇｉｌｅｎｔ８７２０ＥＴ矢量网络分析仪上采用自由空间法１１６，１７］测试了样品在４～１８ＧＨｚ范围内的反射率，
并对相应的电磁参数结果进行反演计算．
实验选用碳化温度为８００和９００。Ｃ制备的中空多孔碳纤维作为吸波材料的主体吸收剂．表ｌ中所对应材料的厚度和密度结果及其相应的≤一８ｄＢ反射率和最低反射率如表２所示．
表１
雷达吸波材料的组成
Ｔａｂｌｅ１
Ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｏｆｒａｄａｒａｂｓｏｒｂｉｎｇ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
图１
所采用的吸收剂微观结构
Ｆｉｇ．１
ＳＥＭｐｈｏｔｏｓｏｆｅｍｐｌｏｙｅｄ
ａｂｓｏｒｂｅｎｔｓ
３２２
无机材料学报第２４卷
图２
１＃和２＃样品的吸波曲线
Ｆｉｇ．２
Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ
黄汉清
ｏｆｓａｍｐｌｅｓｌ＃ａｎｄ２＃
图２为１＃和２＃样品在４～１８ＧＨｚ频率范围内的反射率结果．从图可以看出，ｌ＃样品低于一８ｄＢ的反射率带宽为０ＧＨｚ，低于一５ｄＢ的带宽为１１．４２ＧＨｚ．２＃样品低于一８ｄＢ的反射率带宽为４．４０ＧＨｚ，低于一５ｄＢ的带宽为１１．４０ＧＨｚ．二者反射率差别最为明显的是在７～１８ＧＨｚ，最多可达２．７０ｄＢ．
通过上述反射率反演计算得到的１＃和２＃样品介电常数结果如图３所示．当以碳化温度９００℃的中空多孔碳纤维为吸收剂时，其介电常数的实部和虚部在４ＧＨｚ处分别为２５．５２和２４．２４，而以碳化温度为８００℃的中空多孔碳纤维为吸收剂的对应值则为１４．０２和９．９４，二者的介电常数都具有较好的频散效应．从图２和３中还可以看出，碳化温度越高，相同体积含量下的纤维在低频下反射率降低，这说明升高碳化温度有利于低频吸波性能的提高，而要改善８—１８ＧＨｚ范围的吸波性能，则可以通过降低吸收剂的碳化温度或降低吸收剂的体积分数来实现．香农定理
以炭黑、碳纤维和羰基铁粉为吸收剂的贴片型吸
波材料的反射率测试结果如图４所示．从图可以看
图３
ｌ＃和２＃样品的介电常数与频率的关系
Ｆｉｇ．３
Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｃｏｍｐｌｅｘｐｅｒａｌｉｔｔｉｖｉｔｙ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆｏｒｓａｍ－
ｐｉｅｓｌ＃ａｎｄ２撑
出，所用作匹配层的含炭黑和碳纤维的吸波材料无吸波效果，含羰基铁粉的吸波材料吸波性能不强．这是由于不同吸波材料的吸波性能与材料体积含量和厚度有关．
以上述贴片型吸波材料作匹配层，中空多孑Ｌ碳纤
维吸波材料为吸收层所测试的反射率结果如图５所
示．当加上匹配层后，材料的反射率发生了变化，从图
５可以看出，当加上含炭黑和碳纤维的匹配层时，反
Ｏ
Ｊ也ｏ４
石一｛母∞ｐ盖ｌ∞出
第２期谢炜，等：以中空多孔碳纤维为主体的轻质吸波材料吸波性能研究３２３
图４３＃一５＃样品的吸波曲线
暮2Ｆｉｇ．４Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙｏｆｓａｍｐｌｅｓ３＃．４＃ａｎｄ５＃
鲁
≥
：三
召
喾
运动知觉星
图５添加匹配层前后的样品吸波曲线
Ｆｉｇ．５Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙｏｆｓａｍｐｌｅｓｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒａｄｄｉｔｉｏｎｔｈｅｍａｔｃｈｉｎｇｌａｙｅｒ
射率变化不明湿，其中微小的变化可能在于材料厚度的改变，当加上含铁粉的匹配层时，反射率降低较多，其中１＃样品加卜铁粉的匹配层后的低于一８ｄＢ反射率带宽已达到１１．１８ＧＨｚ，而密度仅增加０．３３９／ｃｍ３；２＃样品加上含炭黑、碳纤维和铁粉的匹配层后的低于一８ｄＢ反射率带宽分别为ｌＯ．６０、１０．２６和１１．４２ＧＨｚ，其中加含铁粉的匹配层的１１＃样品的反射率在８—１８ＧＨｚ范围内已全部低于一１０ｄＢ．
根据图３的电磁参数结果，通过单层雷达吸波材料的反射率计算公式旧。计算了相同厚度下的以中空多孔碳纤维为主的吸波材料的反射率，并与添加了以炭黑和碳纤维为吸收剂的匹配层的吸波性能进行了对比，如图６所示．
从图６可以看出，在相同的厚度下，添加匹配层的吸波材料的吸波性能较单一的吸收剂的吸波材料有了较大的改善．以中空多孔碳纤维为吸收剂的吸波材料在３．０４ｍｍ的厚度下，最低反射率峰位在
７．９８ＧＨｚ处，反射率为一９．２５ｄＢ，低于一８ｄＢ反射率带宽为２．１５ＧＨｚ，添加匹配层后低于一８ｄＢ反射率带宽分别为１０．６０和１０．２６ＧＨｚ．
上述材料吸波性能的提高得益于材料的表面输入阻抗和自由空间的波阻抗相匹配，使入射电磁波能最大限度地进人材料内部被吸收掉．由传输线理论，多层吸波材料的输入阻抗依次为
Ｚｌ＝叼ｌｔａｎｈ（ｋｌｄｌ）（１）弘叼ｉ等筹器㈦２，…川㈤ｚ‘２叼ｉ；ｊｊ＝－ｊｉ：１；二ｉ丽‘。２ｚ，…，ｎ’。ｚ’式中：ｒ／；为第ｉ层的特性阻抗，且
田ｊ２
（３）ｋｉ为通过第ｉ层的波矢．当电磁波垂直人射时，ｋｉ为常数，可以表示为
∞
乏
蚤
。；
＿。
岛
皇
图６相同条件下单层中空多孔碳纤维吸波材料计算反射率与６＃、７＃、９＃和１０＃样品比较
Ｆｉｇ．６Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅｈｏｌｌｏｗ－ｐｏｒｏｕｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ
ｐｏｓｉｔｅｓａｎｄｓａｍｐｌｅｓ６＃，７＃，９＃。ａｎｄ１０＃ｉｎｔｈｅｓａｍｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
３２４无机材料学报第２４卷”警厮㈩曩喜籍焉竖鬻罢妻鬈枞性笏愀黼吸式中：Ｃ为光速，∞为人射电磁波的角频率，占ｉ＝占：一
扫，，，Ｍ＝ｐｔｉ—ｊ彬．当电磁波入射到吸波材料时，在空气与材料的分界面上，有部分电磁波被吸波材料反射，
其反射系数为
尺＝箍＝筹㈤
ｚｎ＋ｚｎｚ。＋ｌ
其中ｚ。为空气的特性阻抗，ｚ。为第ｎ层的归一化输入阻抗．
从（１）～（５）式可以看出，对于特定波段（‘ｏ一定）的多层雷达吸波材料，可以通过改变各层的厚度、介电常数及磁导率等参量调整材料的输入阻抗，以获得良好的吸波性能．如果调整上述参数，以中空多孑Ｌ碳纤维吸收剂为主体的吸波材料将获得更好的吸波效果，后续工作还有很大的潜力．
此外，不同吸收剂的多元复合增加了吸波材料的损耗机制，特别是当以羰基铁粉吸收剂作匹配层时，吸波材料由单一的电损耗吸收变为兼具电损耗和磁损耗的机制，吸波效果更为明显．同时还可以看出，尽管添加磁损耗吸收剂会增加吸波材料的密度，但是其吸波效果的提高能力优于添加电损耗吸收剂的材料．如果对材料密度要求不高的话，添加磁损耗吸收剂的多层结构设计应用将更为广泛．
３结论
１）制备了性能较好的轻质吸波材料，在厚度为２．９０ｒａｍ，密度为１．２８ｇ／ｃｍ３时，其在４～１８ＧＨｚ频率范围内反射率≤一８ｄＢ的带宽为ｌ１．４２ＧＨｚ，反射率≤一１０ｄＢ的带宽为１０．９０ＧＨｚ；
２）以羰基铁粉作吸收剂的匹配层比以炭黑和碳参考文献：
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