結(jié)構(gòu)型吸波復合材料制備與吸波性能研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)型吸波復合材料是兼顧吸波性能和力學性能的雷達波隱身材料,具有可設計性強、吸波頻帶寬、承載與吸波有機結(jié)合、增重小、可避免表面涂層脫落等優(yōu)點,是當前最受矚目的研究領域之一。
　　本文較系統(tǒng)地研究了結(jié)構(gòu)型吸波復合材料層合板的設計、層合板制備技術(shù)、吸波劑制備技術(shù)與表征、玻璃纖維表面磁改性、環(huán)氧樹脂磁改性、吸波劑/環(huán)氧樹脂復合樹脂電磁特性、S玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料吸波性能和力學性能、復合材料吸波性能優(yōu)化技術(shù)等內(nèi)容,取得了很多有應用價

2、值的研究成果。
　　(1)在復合材料吸波性能設計方面,針對兩種典型類型的結(jié)構(gòu)型吸波復合材料的吸波性能和力學性能進行了設計。針對單層鋪層的吸波性能設計難題,提出了等效網(wǎng)格法設計思想,將整體鋪層抽象成一個由片狀“環(huán)氧樹脂粉體”均勻分布的復合材料,計算出鋪層的等效電磁參數(shù)。
　　(2)在吸波劑研制方面,采用“退火脆化+高能球磨”工藝制備了400目FeCuNbSiB非晶粉體,在非晶粉體基礎上,通過晶化退火處理,得到軟磁性能優(yōu)異的Fe

3、CuNbSiB納米晶粉體,粉體晶粒尺寸15nm左右,粉體呈現(xiàn)片狀,粉體采用 SiO2包覆;采用液相還原法制備了球形超細 Ni粉體,單個粉體粒徑60~100nm,團聚體粒徑約250~300nm;采用碳還原法制備了氧化鋅晶須;采用“化學共沉+高溫助熔”工藝分別制備出六角晶系Ba(Zn0.75Co0.25)2Fe16O27鐵氧體粉體和Ba(Zn0.25Co0.75)2Fe16O27鐵氧體粉體,粉體經(jīng)過400目篩分后得到粒徑小于38μm的鐵氧體

4、粉體。比較分析了FeCuNbSiB納米晶粉體、超細Ni粉體、FeSiAl粉體、六角晶系Ba(Zn0.75Co0.25)2Fe16O27鐵氧體粉體和Ba(Zn0.25Co0.75)2Fe16O27鐵氧體粉體吸波劑的電磁參數(shù),每種吸波劑均具有特點。具有良好吸波性能的吸波劑是FeCuNbSiB納米晶粉體、FeSiAl粉體、超細Ni粉體。
　　(3)針對玻璃纖維表面磁改性,研究了一種具有良好電磁波吸收特性的玻璃纖維布的制備方法。采用液相還

5、原法制備了納米鐵鎳合金粉體,利用納米粉體的物理吸附特性使粉體在玻璃纖維布中得到很好地分散,該粉體填充在玻璃纖維布表面和縫隙里,最終得到具有優(yōu)良的電磁性能的玻璃纖維布。制備出的吸波玻璃纖維呈現(xiàn)出金屬色澤,粉體與布結(jié)合力好,有一定的磁性。
　　(4)開發(fā)了吸波劑梯度分布的結(jié)構(gòu)型復合材料RTM成型技術(shù)。開發(fā)了應用于SMC成型方法的預浸料工藝,找到了環(huán)氧樹脂觸變劑和環(huán)氧樹脂預浸料專用固化劑。制備的復合材料層合板,樹脂基體與纖維界面結(jié)合牢固

6、,尺寸穩(wěn)定、表面光潔、阻燃。S玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料層合板具有優(yōu)良的力學性能:拉伸強度大于500MPa,彎曲強度大于400MPa。
　　(5)研究了FeCuNbSiB納米晶粉體、超細Ni粉體、鐵氧體(0.25)、鐵氧體(0.75)四種吸波劑在橡膠基體中的吸波性能。研究表明,FeCuNbSiB納米晶粉體和超細Ni粉體具有良好的吸波性能,尤其是400目的FeCuNbSiB納米晶粉體吸波性能最佳。
　　吸波性能最佳和最具有實用

7、價值的材料是“80wt％FeCuNbSiB納米晶粉體(400目)/橡膠材料”,其tane+tanm的值在2~12GHz頻率范圍內(nèi)0.6~1.4值0.23,材料與玻璃纖維/環(huán)氧樹脂材料阻抗匹配。該材料可以作為玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料層合板中的夾層,承擔吸波功能。
　　(6)研究了FeCuNbSiB納米晶粉體、超細Ni粉體、鐵氧體(0.25)、鐵氧體(0.75)四種吸波劑在環(huán)氧樹脂基體中的吸波性能。研究表明,FeCuNbSiB納米晶

8、粉體和超細Ni粉體具有良好的吸波性能,尤其是400目的FeCuNbSiB納米晶粉體吸波性能最佳。
　　FeCuNbSiB納米晶粉體/環(huán)氧樹脂材料的整體吸波特征為:在2~2.5GHz頻率范圍內(nèi)隨頻率f增加而顯著降低,在2GHz時為4~6,在2.5GHz時大幅度降低到1.5,在大于4GHz時約為1;吸波劑含量越高,值越大。隨頻率的變化規(guī)律;材料在頻率大于2.5GHz時與玻璃纖維/環(huán)氧樹脂鋪層的阻抗匹配,而在頻率2~2.5GHz時與空氣

9、阻抗匹配;吸波劑含量越高,其磁損耗角正切值tanm值越大,而且在2.5~12GHz頻帶內(nèi)一直非常穩(wěn)定,顯示了良好的寬頻特性。
　　FeCuNbSiB粉體/環(huán)氧樹脂體系是最好的吸波基體材料。對于RTM成型、模壓成型方法,選取50wt%FeCuNbSiB粉體/環(huán)氧樹脂體系能夠兼顧材料的成型性能和吸波性能;對于夾層層合板、SMC成型來說,可以選取80wt%FeCuNbSiB粉體/環(huán)氧樹脂體系。
　　50wt%FeCuNbSiB粉體

10、/環(huán)氧樹脂體系中粉體積含量很低(11%),整個體系具有良好的流動性;50wt%FeCuNbSiB粉體/環(huán)氧樹脂體系的磁損耗角正切值tanm值在2~12GHz頻帶內(nèi)一直波動在0.3左右,具有良好的寬頻吸波性能。在阻抗匹配方面,在頻率大于2.5GHz時與玻璃纖維/環(huán)氧樹脂鋪層的阻抗匹配,而在頻率2~2.5GHz時與空氣阻抗匹配。
　　較50wt%FeCuNbSiB粉體/環(huán)氧樹脂體系,80wt%FeCuNbSiB粉體/環(huán)氧樹脂體系的吸波

11、性能更優(yōu),但樹脂流動性較差,因此適合于夾層層合板、SMC成型。
　　(7)以80wt%FeCuNbSiB粉體/環(huán)氧樹脂為基體樹脂,以 S玻璃纖維為增強材料制備的復合材料層合板具有良好的綜合吸波性能。板的表面反射系數(shù)衰減約為(-4)~(-5)dB,tanm值約為0.4~0.5, tane+tanm值約為0.5~0.6,與空氣的匹配厚度約為1.2~2mm。在層合板前方增加S玻璃纖維/環(huán)氧樹脂鋪層(即透波層)作為阻抗匹配層后,層合板的吸

12、波性能顯著增加。由透波層(1.62mm吸波玻璃纖維/環(huán)氧樹脂)和吸波層(1.73mmFeCuNbSiB粉體/環(huán)氧樹脂)組成的雙層復合材料板具有優(yōu)異的吸波特性:R≤-4dB的合格帶寬達到了14.24GHz(3.76-18GHz),R≤-6dB的合格帶寬達到了11.92GHz(4.4-8.8GHz,9.68-10.4GHz,11.2-18GHz)。
　　(8)通過梯度鋪層設計成功地進一步提高了復合材料層合板的吸波性能。當采用FeCuN

13、bSiB納米晶粉體為吸波劑,復合材料層合板的厚度為4mm時,在2~8GHz時R<-4dB、在8~18GHz時R<-8.5dB,具有良好的寬頻吸波性能。當采用 FeSiAl粉體為吸波劑,層合板由2.12mm的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂透波層和2mm的FeSiAl粉體/環(huán)氧樹脂吸波層(0.5mmFeSiAl粉體/環(huán)氧樹脂+0.5mm玻璃纖維/環(huán)氧樹脂+1mmFeSiAl粉體/環(huán)氧樹脂)組成,層合板厚度為4.1mm時,層合板吸波性能為:頻率4.08-

14、4.56GHz和15.6-16.48GHz范圍內(nèi),R<-4dB;當頻率在4.56-15.6GHz范圍內(nèi),R<-6dB。
　　(9)利用碳纖維和S型玻璃纖維按照1:1比例混編在一起的混雜纖維鋪層技術(shù)可以有效調(diào)整層合板的吸波頻帶位置,起到定頻段設計吸波性能的效果。
　　(10)利用模塊化設計可以有效拓寬層合板的吸波頻帶。
　　模塊化設計了厚度為4mm的FeSiAl粉體/環(huán)氧樹脂復合材料層合板,層合板由(2.7mm玻璃纖維/

15、環(huán)氧樹脂+1.3mmFeSiAl/環(huán)氧樹脂)和(2mm玻璃纖維/環(huán)氧樹脂+2mmFeSiAl/環(huán)氧樹脂)兩部分組成。層合板具有優(yōu)異的電磁吸收特性:當頻率在2.24-3.76GHz,8.56-11.76GHz,和16.24-17.2GHz范圍內(nèi),-6dB　　模塊化設計了厚度為4mm的FeSiAl粉體/環(huán)氧樹脂復合材料層合板,層合板由(

16、2.46mm透波層+1.56mmFeSiAl吸波層)和(2.11mmFeSiAl吸波層+1.5mmFeCuNbSiB吸波層+0.4mm透波層)兩部分組成。層合板具有優(yōu)異的電磁吸收特性:在2-18GHz范圍內(nèi),R值均小于-4dB;R值小于-6dB的合格帶寬達到了12.96GHz(2-6.48GHz,9.52-18GHz),在6.48-9.52GHz頻率范圍內(nèi),R值均接近-6dB。
　　(11)本文設計和制備的結(jié)構(gòu)型吸波復合材料層合板