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随着科学技术和电子工业的发展,使电磁辐射无处不在,危害到人类的健康,开发新型电磁屏蔽吸波材料己成为材料行业的一个研究热点。
针对目前多以吸波剂和吸波材料结构设计相关研究为主,对吸波剂与聚合物基体相互作同,复合材料内部结构性能相关研究较少,以及复合材料吸收频带窄,一般带宽2~3GHz,较好的也只有5~6GHz的现状,为了使吸波结构体简单化、突出“薄、宽、轻、强”的综合性能要求。本课题根据填料对电磁波损耗机理不同,通过选材设计,采用熔融共混压制成型技术对聚苯硫醚/NdxFe94-xB6复合材料、聚苯硫醚/多壁碳纳米管复合材料、聚苯硫醚/包覆石墨片复合材料的制备工艺,以及对复合材料的内部结构、电学性能、电磁参数及吸波性能展开详细研究,最后通过对填料的优化设计制备出具有优异吸波性能的吸波复合材料并对其性能进行了相关研究。主要研究结果如下:
(1)通过对NdxFe94-xB6磁粉X射线衍射分析,发现NdxFe94-xB6磁粉存在明显的a-Fe衍射峰,对NdxFe94-xB6不同含量时复合材料的电磁参数、反射衰减及力学性能测试发现,随着含量的增加复合材料的介电常数虚部在高频段出现明显的损耗峰,复合材料的磁导率随着NdxFe94-xB6含量也在缓慢增大。NdxFe94-xB6磁粉质量含量50%时,复合材料在高频段出现明显的反射衰减峰,最大反射衰减达到-18.3dB,对应的频率16.6GHz。含量增加到60%时,反射衰减小于-5dB的频带分两部分,带宽分别为2.2GHz和5.4GHz。
(2)采用熔融共混使碳纳米管均匀分散于聚苯硫醚基体中,研究了碳纳米管含量对复合材料动态流变行为、电学性能、电磁参数、吸波性能的影响。发现复合材料的流变网络结构与导电网络结构是一致的,对应碳纳米管含量为3%。复合材料介电常数实部随频率升高而降低,具有一定频响特性,复合材料的磁性能在测试频段可以忽略。模拟复合材料反射衰减随频率变化,碳纳米管含量在3%时反射衰减小于-5dB为:12GHz~18GHz(带宽6GHz),当碳纳米管含量在7%时,反射衰减峰值达到-31.5dB,对应频率在10.1GHz。
(3)利用扫描电镜和X射线电子能谱仪对三种编号包覆石墨片(1、2、3)的表面进行形貌分析和元素分析,确定包覆石墨片表面为铜镍合金及其少量氧化成分,观察到包覆石墨片2表面包覆程度适中,对相同含量下不同包覆程度石墨片对应复合材料的电学性能和电磁参数分析可知,填充30wt%包覆石墨片2时的复合材料具有较大的电损耗和磁损耗。测试发现复合材料具有明显的双峰反射衰减,反射衰减小于-5dB频段分别为:2.5GHz~6.5GHz(带宽为4GHz);15GHz~18GHz(带宽为3GHz),最大反射衰减达到-21.3dB,对应频率为3.65GHz。通过对复合材料断面微观形貌观察,由于包覆石墨片含量增加,包覆石墨片在聚苯硫醚基体中形成了较多的二面角结构,这种结构提高对入射波多次反射衰减。
(4)在上述研究基础上合相关研究理论,设计制备不同比例含量下碳纤维(CF)、碳纳米管(CNTs)/包覆石墨片(CFG)/聚苯硫醚(PPS)复合材料,分析不同填料配比对样品电磁参数及反射衰减影响,发现加入CF3%、CFG30%时复合材料介电损耗正切峰带宽明显大于其它样品。反射衰减小于-5dB为:3.3GHz-7.15GHz(带宽为3.85 GHz),11.1GHz-18GHz(带宽为6.9GHz);反射衰减小于-lOdB为:3.8GHz~5.7GHz(带宽为1.9GHz),12.3GHz-18GHz(带宽为5.7GHz)。特别是在4.61GHz、14.67 GHz处,反射衰减分别达到-32.1dB和-29.6dB,同时复合材料体积密度保持在1.7g/cm3左右,作为微波吸收材料具有很好的应用前景。