Mechanical behavior of 2D braided composites under the coupling effect of moisture and load
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摘要: 为了研究长期水分-载荷耦合作用下2D编织复合材料的吸湿行为及性能劣化规律，设计了水分-载荷耦合环境老化装置，开展了不同应力水平下碳纤维增强环氧树脂(T300/H69)平纹编织复合材料的吸湿试验及吸湿后的拉伸试验。结果表明：T300/H69 编织复合材料的吸湿量与拉伸预应力总体上呈现正相关，随着拉伸预应力的增大而增大；相对于水分单独作用，水分-载荷耦合作用下材料的弹性模量和强度退化更明显，在140%σs (σs为屈服强度)预应力下作用432 h后，编织复合材料的弹性模量及失效强度分别下降达55.9%和35.4%。此外，通过宏微观断面分析，进一步揭示长期水分-载荷耦合作用下编织复合材料性能的退化机制，并基于Shiva剩余强度理论，改进了水分-载荷作用下复合材料的剩余强度模型，预测结果良好，为复杂环境下复合材料耐久性设计提供指导。Abstract: In order to study the moisture absorption behavior and performance degradation law of 2D braided composites under long-term moisture-load coupling, a moisture-load coupled aging device was designed. The moisture absorption test and tensile test after moisture absorption of carbon fiber reinforced epoxy resin (T300/H69) plain woven composite material under different stress levels were carried out. The results show that the moisture absorption of T300/H69 braided composites is positively correlated with the tensile prestress, and increases with the increase of tensile prestress. Compared with the effect of water alone, the elastic modulus and strength degradation of the material under moisture-load coupling are more obvious. After 432 h at 140%σs (σs is yield stress) prestress, the elastic modulus and failure strength of the braided composites decreased by 55.9% and 35.4%, respectively. In addition, the degradation mechanism of braided composites under long-term moisture-load coupling is further revealed by macro and micro section analysis. Based on Shiva's residual strength theory, the residual strength model of composites under moisture-load is improved, and the prediction results are good, which provides guidance for the durability design of composites in complex environment.
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随着时代的发展，大量的电磁波产生于商业、工业和军事应用中，无形的电磁波正在侵袭着人们的正常生活[1-3] ，并且逐渐导致一系列环境和社会安全问题。值得注意的是，电磁波吸收器能够有效地减弱或者消除入射电磁波的电磁能量，特别是不同频率的电磁辐射(尤其是在2~18 GHz范围内)，能够将其转化为热能或其他形式的能量，这被认为是消除电磁波辐射的简单可行的解决方案[4-6]。近年来，微波吸收剂种类越来越多，但大多数吸收剂由于其复杂的合成工艺和昂贵的原材料阻碍了它们的实际应用，相比之下，从自然资源中转化而来的生物质碳(BDC)材料，由于其丰富的资源和便捷的合成，能够以对待环境友好的方式大量获取[7-8]。生物质衍生碳拥有分层级结构、多孔结构[9]和网状结构中存在的微观结构能够提供丰富的界面极化和偶极极化位点，有利于形成2D/3D导电网络，提高材料的电磁波吸收能力[10]。
生物质衍生碳作为典型的介电损耗型吸波材料，具有低密度、高导电性和良好的化学稳定性，但单一的损耗型机制无法满足各个频段电磁波的有效地吸收[11]。同时，单组分生物质衍生碳的磁损耗性能较差，阻抗匹配较低，进而限制了单组分生物质衍生碳材料的发展。因此，可以通过对碳材料表面进行改性，或者与磁性组分结合来改善复合材料的阻抗特性和吸波性能[12]。Dong等[13]以可持续生物质香蒲为模板，合理构建了分级钉状碳纤维/ZnO纳米棒复合材料，当填充率仅为15wt%时，分级钉状碳纤维@ZnO在2.29 mm的匹配厚度下，在14.12 GHz下表现出−62.35 dB的较高的反射损耗，分级钉状碳纤维的中空结构和互连导电网络的结构有助于传导损耗和多次反射；Yan等[14]以香蒲绒毛为模板，通过绿色、简单的合成工艺，构建出管状碳纤维/镍纳米粒子复合材料，其中原位生长的镍纳米粒子的均匀分布提供了磁耦合网络，并与碳纤维形成丰富的异质界面，以增强界面极化，促进了复合材料的有效吸收带宽；Dong等[15]通过水热和碳化方法制备了爆米花衍生的蜂窝状的多孔碳杂化物，通过调整碳化温度，材料厚度为1.57 mm，其反射损耗可达−52.97 dB，吸收带宽为4.8 GHz，其高效的吸收特性归因于NiS2/SnS2纳米粒子对碳组分的有效调控，因而复合材料的阻抗匹配特性大幅度的提升。由此可见生物质衍生碳在结合上磁性组分或者表面改性后，能够很大程度的改善复合碳材料的阻抗匹配特性，其独特的多孔结构也能够为纳米磁性颗粒提供大量的活性位点，增加了界面极化效应的可能性，从而微波吸收能力能够得到较大的提高。
磁性材料固有的磁特性能够促进低频电磁波吸收并优化阻抗匹配[16] ，材料的组成和结构是影响吸波性能的重要因素。通常通过合适的组分配比和添加磁性掺杂物等手段，来实现介电常数和复磁导率的平衡，以达到最佳的吸波性能，因此具有磁损耗和介电损耗的轻质碳材料是比较有前途的制备吸波剂的方法[17]。本课题通过在碳基体上随机分布的磁性颗粒(Fe)制备了具有磁性碳复合吸收剂。
基于此，研究采用一种简单的碳热还原的方法，以生物质香蒲为原料，利用其固有的吸附特性，经原位吸附和高温煅烧还原得到了Fe/C复合材料，受介电-磁损耗机制的协同增强，Fe/C复合材料具有优异的吸波性能，其最大反射损耗值在4.4 GHz处可达−35 dB，研究将为生物质衍生碳基吸波材料提供新的策略。
1. 实验部分
1.1 原材料
香蒲，淘宝购买；FeCl3·6H2O(AR，99.0%)和尿素购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司； 氩气(99.99%，河南源正特种气体有限公司)，去离子水和工业乙醇。
1.2 试样制备
将0.5 g香蒲、100 mL 0.50 mol/L的尿素溶液和100 mL 1 mol/L的六水合三氯化铁混合在一起搅拌24 h后抽滤，再将香蒲转移至真空烘箱50℃烘干，制得浅黄色前驱体，经氩气气氛以升温速率5℃/min高温煅烧还原2 h制备出Fe/C复合材料，将经过700℃、800℃、900℃的材料分别命名为Fe/C-700、Fe/C-800和Fe/C-900(表1)，制备流程如图1(a)所示，图1(d)为Fe/C-700、 Fe/C-800 和Fe/C-900吸波样品的制备流程图。本次制备采用了30%的填料量(石蜡质量为0.06 g、样品质量为0.025 g)，后经石蜡充分搅拌和研磨使复合材料粉末均匀地分散到圆环中。
表 1 Fe/C复合材料的命名Table 1. Naming of Fe/C compositesSample Calcination temperature/℃ Fe/C-700 700 Fe/C-800 800 Fe/C-900 900 ![]()
图 1 Fe/C复合材料的制备流程图 (a)、SEM图像 ((b)~(c))、吸波测试样品制备流程图 (d)、XRD图谱 (e)、热重图谱 (f)、拉曼图谱 (g)、 振动样品磁强计(VSM) (h)Figure 1. Fe/C composite preparation flow chart (a), SEM images ((b)-(c)), flow chart for sample preparation for wave absorption testing (d), XRD (e), TG (f), Raman mapping (g), vibrating sample magnetometer (VSM) (h)ID/IG—Intensity ratio of the D band and G band1.3 表征与测试
实验采用日本HITACHI公司扫描电子显微镜(SEM，S-4800型)，调整放大倍数可以观察到样品的形貌和结构；利用X射线衍射仪(XRD，U1tima IV，日本，Cu-Kα辐射，扫描速度10/min)对材料组分、晶体结构或粒径等信息进行分析；热重测试采用德国NETZSCH公司热重分析仪器(TG，209FI Iris)。通过热重分析材料的热稳定性，确定煅烧温度及分析物理化学反应；X射线光电子能谱分析仪(XPS)采用美国热电公司(ESCALAB 250Xi)，用来测定材料中元素构成、试验式及其中所含元素化学态和电子态的定量能谱技术。磁性测试采用美国Lake Shore公司振动样品磁强针，对材料的磁特性进行分析的仪器；利用Agilent 8720B矢量网络分析仪( 集成信号源，动态范围为95 dB)在微波暗室内采用同轴法进行涂层吸 波性能测试, 测试频率范围为2~18 GHz，真空烘箱采用上海精宏实验设备有限公司(DZF-6020)。
2. 结果与讨论
2.1 Fe/C复合材料的形貌、成分及其性质
图1(b)为煅烧后没有经过负载的香蒲纤维。煅烧后的香蒲纤维呈现出竹节状，能够更大程度地增加比表面积，使负载效果更佳；图1(c)可以看出Fe纳米粒子成功负载到了碳层上，碳层较大的表面积为磁性颗粒增加了更多的活性位点[18]，可以有效地避免磁性颗粒的团聚，同时能够有效地增加复合材料的导电性，有利于电子的快速传输[10]；附着在碳层表面的颗粒平均尺度大约为0.25 μm，呈现出不规则形状的纳米颗粒是通过Fe3+还原沉淀而成；在外电场的作用下，大量的Fe单质和碳层之间产生了许多的异质界面，由于二者的导电性和介电特性的不同，额外电荷将聚集在它们之间的界面上，从而导致界面极化的发生[19]，使复合材料的电磁波吸收能力进一步得到提升。
图1(e)是不同煅烧温度下复合材料的XRD图谱。Fe/C复合材料在3个不同温度下煅烧，700℃、800℃、900℃煅烧的样品衍射峰分别位于2θ=44.8°、65.0°和82.3°，分别对应于体心立方Fe单质的PDF(JCPDS No.06-0696)的(110)、(200)和(211)平面[20]，特征峰的出现表明存在不含任何杂质的Fe单质，证实在C的存在下Fe/C复合材料中三价铁离子被完全还原成金属铁，并且金属粒子可以增加复合材料的磁损耗机制。Fe/C-800特征峰较另外两个样品特征峰十分尖锐，说明Fe/C-800中Fe的结晶度较高；并且复合材料在2θ=26°出现随温度升高逐渐凸显的鼓包峰，对应于石墨碳的(002)平面[4]。
为了评估Fe/C复合材料的热稳定性能，利用热重分析仪将复合材料在空气氛围中进行高温热分解，从图1(f)中可以看出，复合材料在空气氛围下经历了一个明显的失重区。第一个质量下降过程裂解温度小于400℃时，是由于复合材料表面上少量的吸附水受热蒸发，Fe/C-700、Fe/C-800、Fe/C-900复合材料分别损失7.86wt%、4.6wt%、4.8wt%；Fe/C-700、Fe/C-800、Fe/C-900复合材料在500℃开始剧烈失重，复合材料失重率分别为50%、60%和80%，这是由于复合材料中的碳在高温空气下被迅速燃烧，直至800℃后趋于稳定；Fe/C-700、Fe/C-800、Fe/C-900复合材料的剩余质量分别为14.15wt%、51.5wt%和40.1wt%。结合式(1)，估算得到Fe/C复合材料Fe元素含量分别为12.0wt%、43.0wt%、33.0wt%，其中W为剩余质量百分数，M为化合物相对分子质量。由此可知Fe/C-800复合材料中的Fe元素含量最高，在最终形成了氧化产物中残余质量最大。
WR=(1−Wcarbon−Wwater)M(Fe2O3)2M(Fe) (1) 为了进一步确定复合材料中Fe元素含量，对其进行电感耦合等离子体(ICP)测试，确定出Fe/C-700、Fe/C-800、Fe/C-900复合材料Fe元素含量分别为38.5874 、490.7882 、192.6471 mg/g，与热重分析所得结果一致。
复合材料中碳组分的石墨化程度会对其介电损耗和电磁波吸收性能产生重要的影响，较高石墨化程度可以增强碳组分的电导损耗[21]，用拉曼对Fe/C复合材料的石墨化程度进行分析，从图1(g)拉曼图谱可以看出，在1350 cm−1(D带)和1590 cm−1(G带)出现两个明显的峰，D带与C原子晶格缺陷有关，而G带与C原子sp2杂化的面内伸缩振动有关[13]，其比值ID/IG值常用来表征碳材料的石墨化程度，所得Fe/C复合材料中的碳材料应为部分石墨化的碳材料，Fe/C-700、Fe/C-800和Fe/C-900的ID/IG的比值分别为0.92、0.87和0.91，从比值上看复合材料Fe/C-800的石墨化强度大于Fe/C-900，是由于在煅烧过程中，材料中的有机物会发生热解和氧化反应，从而导致材料中的碳元素逐渐向石墨化方向发展。但是，在高温下，氧化反应也会被加速，从而使材料中的碳元素被氧化成为气态化合物而流失。同时，煅烧过程中还会形成多种杂质和晶格缺陷，这些杂质和缺陷会影响材料的导电性能和吸波性能，从而影响材料的石墨化程度，Fe/C-800材料ID/IG比值较小，证明其复合材料的石墨化程度最强，复合材料的介电性能越好，这主要得益于高温煅烧的铁/碳复合材料中无定形碳向石墨转化。
通过振动样品磁强计可以测定Fe/C复合材料的饱和磁化强度(Ms)和矫顽力(Hc)。从图1(h)所示，不同温度下的复合材料有相似的曲线趋势图，三者均表现出了铁磁性质，700℃、800℃、900℃的Fe/C复合材料的饱和磁化强度(Ms)分别为52.09 emu/g、96.66 emu/g、51.52 emu/g，可以看出Fe/C-800饱和磁化强度(Ms)最大，根据TG测试结果分析可知Fe/C-800复合材料中Fe组分含量最高，以往文献分析可知，磁性组分的含量大小影响着复合材料的饱和磁化强度大小[22]，铁/碳复合材料的区域扩大磁滞曲线如图1(e)内插图所示，通过分析发现，在Fe/C-700、Fe/C-800和Fe/C-900的Hc依次为2077.56、1106.44和1599.96 kA/m，一般来说，复合材料的矫顽力通常受磁各向异性、形状各向异性和颗粒尺寸等因素影响， 复合材料中Fe纳米颗粒均为相同的面心立方结构，微观形貌均为片状，因此矫顽力受颗粒尺寸影响较大，对于Fe/C-700、Fe/C-800，Ms增加，Hc降低，是铁纳米粒子的生长过程中通过表层的自旋斜切效应导致的[23]，Fe/C-700和Fe/C-900 的复合材料的饱和磁化强度非常接近，是由于复合材料中Fe纳米粒子中在煅烧中，经炉体环境的影响造成了Fe纳米粒子在微观环境的自旋造成，并且饱和磁化强度决定于组成材料的磁性原子数、原子磁矩和温度。但在低温区，它遵循布洛赫(Bloch)定律，使Fe/C-700复合材料的饱和磁化强度同Fe/C-900非常接近。
图2展示了Fe/C-700、Fe/C-800和Fe/C-900复合材料的的氮气吸附/脱附等温线图(BET)。等温线显示具有典型H3磁滞回线的IV型等温线，表明复合材料具有介孔结构； Fe/C-700、Fe/C-800和Fe/C-900 BET比表面积(SBET)分别为478.6 m2·g−1、543.56 m2·g−1和589.04 m2·g−1，高比表面积进一步印证了材料的多孔结构，适宜的多孔结构为延长电磁波传输提供更多空间。同时，孔径分布图证实材料的介孔特性，Fe/C-800和Fe/C-900复合材料孔径主要分布于3~10 nm之间，进而调节复合材料等效电磁参数以优化材料阻抗匹配。
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图 2 Fe/C-700 (a)、Fe/C-800 (b)、Fe/C-900 (c) 的BET曲线Figure 2. BET curves of Fe/C-700 (a), Fe/C-800 (b), Fe/C-900 (c)STP—Standard temperature and pressure利用XPS对Fe/C复合材料元素种类及其表面化学价态进行表征。Fe/C复合材料XPS全谱如图3(a)所示，在284.08、399.08、531.08、713.05 eV周围有5个不同的峰，分别归属于C1s、N1s、O1s、Fe2p；C1s高分辨率XPS图谱图3(b)显示复合材料存在C—C/C=C(283.88 eV)峰，C—N(285.18 eV)峰和C—O(287.18 eV)[24]；如图3(c)所示，N1s光谱在398.28、399.78、400.48和402.68 eV处分为4个峰，属于吡啶N、吡咯N、石墨N和氧化N，石墨氮的形成有助于提高复合材料的电导率[25-27]；Fe2p高分辨率XPS图谱如图3(d)所示，其中在位于709.48 和722.58 eV处的峰可归属于Fe2p3/2和Fe2p1/2，712.28 eV和724.78 eV处的峰分属于Fe2+，而717.38 eV和733.4 eV两个峰分别对应于卫星峰[26]；Fe/C复合材料的O1s光谱如图3(e)所示，在529.58、530.48、531.38和531.98 eV周围有4个不同的峰，分别归属于Fe3O4、C=O、C—O和FeCO3[28]。
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图 3 Fe/C复合材料的XPS全谱 (a)、Cls (b)、N1s (c)、Fe2p (d)、O1s (e)Figure 3. Fe/C composite XPS full spectum (a), Cls (b), N1s (c), Fe2p (d), O1s (e)2.2 电磁参数分析
Fe/C复合材料的微波吸收特性通过矢量网络分析仪(VNA)在2~18 GHz的频率范围内测量，样品填料量为30wt%，电磁参数包括介电常数ε( ε = ε'−jε'') 和磁导率μ(μ= μ'− jμ'')，其中介电常数实部(ε')和磁导率实部(μ′)代表电能和磁能的储存能力，相应的虚部( ε''、μ'')代表电能和磁能的损耗能力。如图4(a)所示，Fe/C复合材料在介电常数实部(ε')和介电常数虚部(ε'')变化上均有频散效应发生，Fe/C-700、 Fe/C-800和 Fe/C-900分别从8.52、10.5、12.64降至5.91、7.96和7.6[29]，介电常数实部(ε')的明显下降可能是由于碳基复合材料中频率相关的介电色散引起的；介电常数虚部随频率变化曲线如图4(b)所示，其变化趋势同实部相反，在2至18 GHz的频率范围3个样品介电常数虚部值都有所增加，Fe/C-700、 Fe/C-800和 Fe/C-900分别从1.89、2.74、5.15增至2.96、4.3和5.65，介电常数虚部的增加原因有两种：一种是归因于碳组分相对含量和相对石墨化程度的提升、另一种是由于随着煅烧温度的提高，单个的Fe原子被杂原子取代引起的电偶极子的增加，介电常数虚部的提升也增强了复合材料的介电损耗能力；复合材料的介电常数实部和虚部在6至18 GHz频率范围内出现多重共振现象, 这种波动峰可能是由材料内部多种损耗机制导致的。
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图 4 Fe/C复合材料的介电常数实部ε' (a)、介电常数虚部ε'' (b)、介电损耗正切值tanδϵ(c)、复磁导率实部μ' (d)、复磁导率虚部μ'' (e)、复磁损耗正切值tanδμ(f)、Cole-Cole环 (g)、涡流损耗对磁损耗的贡献(C0) (h)、衰减因子谱 (i)Figure 4. Fe/C composite real part of the dielectric constant ε' (a), Imaginary part of the dielectric constant ε'' (b), Dielectric loss tanδε (c), Complex magnetic permeability real part μ' (d), Complex magnetic permeability imaginary part μ'' (e), Complex magnetic loss tanδμ (f), Cole-Cole (g), Contribution of Eddy current loss to magnetic loss (C0) (h) and Attenuation factor mapping (i)介电损耗角正切值(tanδε=ε″) 可用于表征材料的介电损耗的强弱。如图4(c)所示。Fe/C-700、Fe/C-800、Fe/C-900在低频(2~8 GHz)和高频(10~18 GHz)都出现多重共振峰，表明存在多重极化弛豫过程，通常，高频共振峰归因于界面极化，低频共振峰归因为偶极极化；从图中可以出在高频段(17 GHz)时，介电损耗正切值显著增强，其中Fe/C-800、Fe/C-900增强幅度尤为突出，由此推断，煅烧温度的提高有利于促进复合材料Fe原子和石墨碳构建导电网络，增强了材料的极化行为和介电损耗能力；Fe/C-900具有最佳的介电损耗能力，是由于它具有较高的介电正切值。
众所周知，磁损耗特性能够显著的提升材料的电磁波损耗性能。图4(d)~4(e)是Fe/C复合材料相对复磁导率的实部和虚部随频率变化曲线，结合电磁参数变化可进一步探究复合材料的吸波性能。Fe/C-700、Fe/C-800、Fe/C-900分别从1.33、1.28、1.17降至1.06、1.03、1.032。实部曲线的变化趋势相似；Fe/C复合材料复磁导率虚部(μ'')如图4(e)所示，Fe/C-700、Fe/C-800、Fe/C-900在低频区(2~8 GHz)和高频区(12~18 GHz)有清晰的共振峰，根据文献记载，低频共振峰与自然共振相关，高频共振峰与交换共振相关；3个样品的虚部随着频率的增加虚部值呈下降趋势，值得注意的是μ''在高频下呈现负值。根据麦克斯韦方程，交变电场可以产生反向磁场，如果感应磁场比原始磁场强，磁能可以直接辐射出去，从而产生负磁导率。
磁损耗角的正切值( \mathrm{tan}{\delta }_{\mu }={\mu'' }/{\mu' } )可用于表征材料的磁损耗能力的强弱。如图4(f)所示，Fe/C-700、Fe/C-800曲线的变化趋势相似，随着频率的增加Fe/C-900正切值略低于另外两个样品曲线，根据TG测试结果可知Fe/C-900的磁性成分(Fe)较低，是导致磁损耗角正切值低的原因，其中复合材料介电损耗正切值远高于磁损耗正切值，这表明介电损耗比磁损耗对电磁波吸收的贡献更大。
为了进一步探究磁损耗机制，由下式计算出Fe/C复合材料的C0值：
{C_0}{\text{ = }}\frac{{\mu ''}}{{{{(\mu ')}^2}f}} (2) 对于生物质衍生碳基复合材料电磁波损耗机制主要是介电损耗，而介电损耗机制主要由极化弛豫解释，因此引入Cole-Cole半圆模型来解释复合材料极化弛豫过程。ε'和ε''之间的关系如下式：
\left(\varepsilon ' - \frac{{{{({\varepsilon _s} + {\varepsilon _\infty })}^2}}}{2}\right) + \varepsilon '{'^2} = \left(\frac{{{{({\varepsilon _s} - {\varepsilon _\infty })}^2}}}{2}\right) (3) 式中：f代表电磁波频率；εs、ε∞分别为静态介电常数、高频极限相对介电常数。 图4(g)所示，Fe/C-700存在3个Cole-Cole半圆环，表明其存在3个极化弛豫过程，Fe/C-800、 Fe/C-900分别存在四个和五个极化弛豫过程[30]，表明煅烧温度的提高有利于材料的极化能力；Fe/C-700、Fe/C-800和 Fe/C-900有部分扭曲的半圆，这表明除了极化弛豫以外，还存在其他的损耗机制；并且Fe/C-800、 Fe/C-900 Cole-Cole曲线在低频下其尾部变得长而直，根据以往研究表明，复合材料中存在另一种电磁波衰减机制——电导损耗，造成这种损耗的主要原因是由于高温碳化后的材料中存在金属Fe和石墨碳，提高自由电子的流动，从而增加了材料的电导损耗。
磁损耗机制在整个测试频率域中主要由的自然共振、涡流损耗和交换共振，如图4(h)所示，Fe/C-700、Fe/C-800、Fe/C-900的C0值在2~9 GHz的频率范围内剧烈波动，这表明在该频率范围内磁损耗的主要机制归因于自然共振，材料的几何结构是造成自然共振的主要原因；复合材料C0值在14~18 GHz高频区内也产生轻微的波动，这表明在该频率范围内磁损耗的主要机制归因于交换共振，交换共振主要存在于铁磁材料中[5]。
一般来说，根据广义传输线理论，可以使用下式计算RL值以评估样品的吸收性能。
R_{\rm{L}} = 20\lg \left| {\frac{{{Z_{{\rm{in}}}} - {Z_0}}}{{{Z_{{\rm{in}}}} + {Z_0}}}} \right| (4) {Z_0} = \sqrt {\frac{{{\mu _0}}}{{{\varepsilon _0}}}} (5) {Z_{{\rm{in}}}} = {Z_0}\sqrt {\frac{{{\mu _{\rm{r}}}}}{{{\varepsilon _{\rm{r}}}}}} \tan h\left[ {j\frac{{2{\text{π}} fd}}{c}\sqrt {{\mu _{\rm{r}}}{\varepsilon _{\rm{r}}}} } \right] (6) 式中：μ0、ε0和Z0代表自由空间磁导率、介电常数和输入阻抗；Zin代表材料的输入阻抗；d代表材料的厚度；c代表空间光速；f代表电磁波频率；RL为反射损耗(dB)；εr和μr代表相对介电常数和相对磁导率。通常，当RL值小于−10 dB时，意味着90%的电磁波可以转换，相应的频率范围被定义为有效吸收带宽。材复合材料的复合材料经700℃煅烧，厚度为2 mm时，最大有效吸收带宽为4.05 GHz (12.8~18 GHz)，最大反射损耗值在15 GHz处为−20.5 dB，在吸收剂厚度为2 ~ 5 mm 范围内时，有效吸收频带可达13.52 GHz，如图5(a)所示；Fe/C-800在材料的厚度为2 mm时，材料的有效吸收带宽可达3.7 GHz (10.8~14.5 GHz)，最大反射损耗在为−23.4 dB如图5(b)所示；Fe/C-900有效吸收频带随着材料的厚度增加逐步向低频移动[6]，这种现象可以用四分之一波长匹配模型解释：
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图 5 Fe/C-700 (a)、Fe/C-800 (b)、Fe/C-900 (c) 的二维反射损耗图；Fe/C-700 (d)、Fe/C-800 (e)、Fe/C-900 (f) 的三维反射损耗图；Fe/C-700 (g)、Fe/C-800 (h)、Fe/C-900 (i) 的阻抗匹配图Figure 5. 2D reflection loss diagrams for Fe/C-700 (a), Fe/C-800 (b), Fe/C-900 (c); 3D reflection loss diagrams for Fe/C-700 (d), Fe/C-800 (e), Fe/C-900 (f); Impedance matching diagram for Fe/C-700 (g), Fe/C-800 (h), Fe/C-900 (i){{{t}}_{\text{m}}}{\text{ = }}\frac{{nc}}{{\left( {4{f_m}\sqrt {\left| {{\varepsilon _r}} \right|} \left| {{\mu _{_r}}} \right|} \right)}}\left( {n{\text{ = }}1,3,5, \cdots } \right) (7) 式中：tm是实现RLmin时的匹配厚度；ƒm是相应的频率，材料的厚度为5 mm时，最大反射损耗值在4.4 GHz处为−35 dB，可以看出样品的最大反射损耗对应频率与其厚度密不可分，并且表现出随着吸收样品厚度的增加，被吸收层中电磁波膜覆盖样品的时间更长，这意味着电磁波更多的被吸收，就会降低其最大反射损耗对应频率。另外，被吸收样品也构成了一个具有折射和反射作用的电磁绝缘体，当电磁波穿过时，会发生折射和反射的现象，反射损耗将会降低。如图5(c)所示，复合材料更好的有效吸收带宽和较低反射损耗值得益于Fe和C形成的导电网络，使其拥有加优异介电特性和磁损耗，因此表现出良好的吸波性能。
材料吸波性能的差异受衰减因子和阻抗匹配的影响,衰减因子用于评价材料电磁衰减能力，阻抗匹配用于评价电磁波是否可最大限度进入材料内部，且阻抗匹配是完成电磁波衰减的前提。图4(i)为Fe/C复合材料的衰减因子曲线。可以看出，随着频率增加，复合材料的衰减能力逐渐增强，材料在中高频区域的衰减性能最优。Fe/C-700衰减能力最弱，这主要是其相对较低的介电常数所致。众所周知，衰减因子和阻抗匹配共同决定材料的吸波性能差异，图5(g)为 Fe/C复合材料700℃、800℃和900℃的阻抗匹配因子随频率变化图，研究可知|∆| 值的大小影响着阻抗匹配的性能。计算|Δ|如下式：
\left| \varDelta \right|{\text{ = }}\left| {{{\sin h }^2}(Kfd) - M} \right| (8) 式中，K为常数：
K = \frac{{4{\text{π}} \sqrt {\mu _{\rm{r}}'\varepsilon _{\rm{r}}'} \sin\dfrac{{{\delta _{\rm{e}}}{\text{ + }}{\delta _{\rm{m}}}}}{2}}}{{{{c}} {\text{cos}}{\delta _{\rm{e}}}{\text{cos}}{\delta _{\rm{m}}}}} (9) 阻抗匹配因子(|Δ|)接近0.4的区域面积越大，阻抗匹配特性越好。利用公式(9)计算出Fe/C-700、Fe/C-800、Fe/C-900阻抗匹配有效区域占比为23.7%、36.2%和60.3%。对比可知，Fe/C-700表明其与电磁波最不相容，导致电磁波在材料表面发生反射或散射，无法有效吸收电磁波，而Fe/C-900 电磁波与复合材料的兼容性最好，减少电磁波在材料表面发生反射而吸波性能遭受损失，具有适宜的衰减特性和良好的阻抗匹配，吸波性能最佳。
为了更好地理解复合材料的电磁波吸收方式，图6总结了Fe/C复合材料电磁波吸收机制。首先生物质衍生碳和Fe纳米颗粒的协同效应在优化阻抗匹配特性和提高电磁波的衰减能力起着至关重要的作用，其次，样品分散在石蜡中以形成电导网络，更多的电子在不同的碳层之间跳跃，网络导电性增强，将更多的电磁波能量转化为热能，体心立方Fe和碳管之间形成大量的异质界面，并且异质界面之间Fe纳米颗粒和碳层有利于在交变电磁场下的自由电荷积累和振荡，从而增强了界面极化；此外，在复合材料中形成了高密度的氮杂取代，可以极大地促进偶极极化，进一步提高了介电损耗能力，Fe纳米颗粒贡献的磁滞损耗和在低频段发生的自然铁磁共振以及在高频的交换铁磁共振和伴随的涡流损耗，都增强了复合材料的磁损耗性能，多种损耗机制有益于复合材料吸波性能的提升。
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图 6 Fe/C复合材料吸波机制图Figure 6. Diagram of the wave absorption mechanism of Fe/C composites3. 结 论
综上所述，以香蒲为载体，Fe3+为金属源，经原位吸附、碳热还原得到Fe/C复合材料。
(1) X射线衍射测试结果表明，复合材料经高温煅烧后，生物质香蒲转化为碳基质，铁盐转化为Fe纳米颗粒，且随温度升高Fe纳米颗粒结晶性增强。
(2) 反射损耗结果显示，900℃的Fe/C复合材料的吸波性能最佳，厚度为5 mm时，最大反射损耗达−35 dB，复合材料优异的吸波性能取决于其较好的阻抗匹配特性和介电损耗与磁损耗的协同作用，研究将为新型生物质衍生轻质、高效、价廉的碳基吸波材料提供实验指导。
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图 2 不同预应力下T300/H69编织复合材料的吸湿量-时间变化曲线
Figure 2. Moisture absorption-time curves of T300/H69 braided composites under different prestresses
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图 3 不同预应力下T300/H69编织复合材料的吸湿量
Figure 3. Moisture absorption of T300/H69 braided composites under different prestresses
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图 4 不同工况下作用288 h后T300/H69编织复合材料的载荷-位移曲线
Figure 4. Load-displacement curves of T300/H69 braided composites after 288 h under different working conditions
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图 5 不同环境中T300/H69编织复合材料的弹性模量(a)及失效强度(b)
Figure 5. Elastic modulus (a) and failure strength (b) of T300/H69 braided composites in different environments
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图 6 T300/H69编织复合材料的预应力-失效强度曲线
Figure 6. Prestress-failure strength curves of T300/H69 braided composites
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图 7 T300/H69编织复合材料的弹性模量(a)及失效强度(b)随吸湿量的变化
Figure 7. Elastic modulus (a) and failure strength (b) of T300/H69 braided composites change with moisture absorption
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图 8 T300/H69编织复合材料宏观断口形貌
Figure 8. Macroscopic fracture surface of T300/H69 braided composites
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图 9 T300/H69编织复合材料试样拉伸断口的SEM图像
Figure 9. SEM images of tensile fracture of T300/H69 braided composites specimen
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图 10 T300/H69编织复合材料不同模型下的拟合结果
Figure 10. Fitting results under different models of T300/H69 braided composites
表 1 碳纤维增强环氧树脂(T300/H69)复合材料的基本力学性能参数
Table 1 Basic mechanical properties of carbon fiber reinforced epoxy resin (T300/H69) composites
Engineering constant Value Engineering constant Value E1/GPa 55.90 XT/MPa 602 E2/GPa 54.60 XC/MPa 431 E3/GPa 7.220 YT/MPa 597 G12/GPa 3.812 YC/MPa 422 G13/GPa 3.122 ZT/MPa 60 G23/GPa 3.122 ZC/MPa 152 \nu _{12} 0.068 S12/MPa 83 \nu _{13} 0.310 S13/MPa 49 \nu_{23} 0.310 S23/MPa 49 Notes: E1, E2 and E3—Elastic modulus in different directions; G12, G13 and G23—Shear modulus in different directions; \nu_{12} , \nu_{13} and \nu_{23} —Poisson's ratio of the material; XT, XC, YT, YC, ZT, ZC—Axial tension, axial compression, transverse tension, transverse compression, normal tension, normal tension; S12, S13, S23—In-plane shear strength. 
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表 2 试验矩阵
Table 2 Test matrix
Pretreated Specimen group Test time/h Untreated Dry 0 Moisture Wet 144, 288, 432 Load D-80%σs 288 D-110%σs 288 D-120%σs 288 Moisture-load W-80%σs 144, 288, 432 W-100%σs 144, 288, 432 W-120%σs 144, 288, 432 W-140%σs 144, 288, 432 Notes: D and W—Dry state and moisture absorption state of the material; σs—Yield stress.
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表 3 Fick吸湿模型的相关参数
Table 3 Relevant parameters of Fick moisture absorption
Tensile prestress Diffusion coefficient D/(mm2·h−1) Balanced moisture
content M∞/%0 0.00175 0.464 80%σs 0.00192 0.612 100%σs 0.00213 0.706 120%σs 0.00229 0.917 140%σs 0.00257 1.297
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表 4 T300/H69编织复合材料的弹性模量及强度
Table 4 Elastic modulus and strength of T300/H69 braided composites
Category 144 h 288 h 432 h E/GPa σf/GPa E/GPa σf/GPa E/GPa σf/GPa Moisture Average 13.721 0.195 13.627 0.193 13.586 0.192 CV 2.13% 2.31% 4.61% 2.01% 1.09% 1.82% D-80%σs Average — — 13.204 0.191 — — CV — — 2.61% 2.30% — — D-100%σs Average — — 12.715 0.187 — — CV — — 1.89% 1.6% — — D-120%σs Average — — 10.643 0.180 — — CV — — 3.64% 1.78% — — W-80%σs Average 12.873 0.190 12.682 0.184 12.535 0.181 CV 2.05% 0.74% 3.01% 1.36% 2.43% 1.88% W-100%σs Average 11.947 0.182 11.516 0.174 11.419 0.169 CV 4.19% 2.58% 3.32% 2.82% 5.08% 3.02% W-120%σs Average 10.404 0.162 9.506 0.151 8.975 0.143 CV 3.27% 3.33% 4.12% 3.88% 5.39% 2.66% W-140%σs Average 9.232 0.151 7.521 0.138 6.136 0.128 CV 4.78% 2.72% 5.66% 3.38% 7.12% 4.11% Notes: E—Elastic modulus of the material; σf—Failure strength of the material; CV—Coefficient of variation.
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其他类型引用(7)
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目的
二维编织复合材料由于纤维相互缠结，具有良好的抗冲击性和损伤容限等优点。但复合材料的基体为高分子材料，对水分较为敏感，长期的吸湿会导致其力学性能下降。实际服役过程中，复合材料受到水分影响的同时还面临不同载荷工况的作用，因此，研究长期水分-载荷作用下复合材料的力学行为对复合材料的安全评估具有重要意义。
方法针对T300/H69二维(2D)编织复合材料在长期水分-载荷作用后的力学行为展开研究。通过真空袋成型工艺制备T300/H69编织复合材料，设计了水分-拉伸载荷耦合作用下的加载装置，开展了无应力、80%、100%、120%、140%拉伸预应力的浸泡吸湿试验，结合Fick模型研究编织复合材料的吸湿特性；随后对比干燥、单独水分作用、水分-载荷耦合作用后试样的力学性能，分析材料弹性模量和失效强度随拉伸预应力和吸湿量的变化规律。此外，通过扫描电子显微镜 (SEM) 观察试样拉伸断口处纤维和基体的损伤形貌，揭示水分-载荷作用后编织复合材料力学性能下降的机理。最后，考虑了无穷老化时间后复合材料的残余性能，基于Shiva理论，建立了水分-载荷耦合作用后复合材料的剩余强度模型。
结果(1)T300/H69编织复合材料的吸湿量随拉伸预应力的增大而增大，而且当拉伸预应力小于材料的屈服应力时，吸湿量增加相对平缓，一旦拉伸预应力超过材料的屈服应力，材料的吸湿量显著提高。吸湿432小时后，无应力状态与4种拉伸预应力下对应的吸湿量分别为0.404%，0.543%、0.656%、0.881%、1.240%。(2)随着应力水平的增加，T300/H69编织复合材料的弹性模量和强度的发生明显退化，在140%下作用432小时后，水分单独作用使得材料的弹性模量及强度分别下降了2.34%和3.03%，水分-载荷耦合作用下两者分别下降达55.9%和35.4%。(3)从宏观上看，试样断口均呈现出V字型，断口较为齐整；从微观形貌来看，吸湿会引起基体塑化，预应力会导致基体微裂纹和纤维-基体界面脱粘，当预应力超过100%时，微裂纹和界面脱粘更为严峻。(4)对Shiva剩余强度理论进行修正，修正后的剩余强度模型的最大预测误差仅3.2%。
结论拉伸预应力会影响T300/H69编织复合材料的吸湿行为，随着拉伸预应力的增大，材料的吸湿量增大，且弹性模量和失效强度均发生明显退化，两者的退化比例与吸湿量存在线性关系；通过宏微观形貌分析，揭示了水分-载荷作用后编织复合材料力学性能下降的机理，吸湿会引起基体塑化，同时预应力导致基体微裂纹和纤维-基体界面脱粘程度加剧；最后，基于Shiva剩余强度理论，建立了复合材料在水分-载荷耦合作用下的剩余强度预测模型，实现了良好预测。
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