随着民用吸波材料需求的增加,宽带吸收性能变得越来越重要。羰基铁粉作为一种磁损耗型金属微粉,具有较高的饱和磁化强度和磁导率,依靠磁损耗可以实现优异的吸波效果,其优异的吸波特性通常表现在较低频段。然而,由于CIP的电阻率较低,复介电常数通常较高,致使阻抗匹配性能较差,并且CIP容易被氧化,从而对其磁性能和吸波性能产生较大的影响。因此本文采用二氧化硅对CIP表面进行包覆,解决其氧化问题,并提升了阻抗匹配。另外,电阻损耗型吸波剂CB通常在较高频段显示出优异的吸波性能,与CIP复合后可拓宽有效微波吸收频带,从而提升复合材料的微波吸收性能。
采用了Stber法以正硅酸乙酯为硅源,在CIP表面制备了SiO薄膜。又将CB、CIP@SiO和PA6粉末按不同配比混合均匀,将玻璃纤维和混合好的粉末以逐层堆叠的方式铺在模具中进行压制成型,制备出了CB-CIP@SiO-GF/PA6吸波复合材料。通过场发射扫描电子显微镜和能量色散光谱观察了复合材料的微观结构和元素的确定。采用X射线衍射对材料的物相组成进行分析。使用矢量网络分析仪测试了吸波复合材料在Ku波段的电磁参数。最后,使用万能试验机对材料的弯曲强度和剪切强度进行了测试,使用摆锤冲击试验机对材料的冲击性能进行了测试。
(1)SiO薄膜包覆CIP所形成的核壳结构解决了CIP的易氧化问题,保证了CIP的电磁性能,并改善了复合材料的阻抗匹配。(2)CB和CIP@SiO对复合材料吸波性能的协同增强,使吸波复合材料的有效吸收带宽得到拓展。其中,含量为30 wt.%和35 wt.%CIP@SiO吸波复合材料的有效吸收带宽超过了5.6 GHz,涵盖整个Ku波段。(3)随着CIP@SiO含量的逐渐增加,在颗粒增强与纤维增强的共同作用下使复合材料的力学性能也逐渐提高,含40 wt.% CIP@SiO的吸波复合材料的弯曲强度为212.8±9.8 MPa,剪切强度为21.0±1.4 MPa,摆锤冲击强度为64.4±6.2 kJ/m。
这种方法有效地提升了材料的吸波性能,拓宽了吸收频带,并为吸波性能的调节和设计提供了思路。另外,改善了复合材料的力学性能的同时减少了CIP在复合材料中的负载量,有利于复合材料的轻量化。
磁性金属微粉羰基铁粉(CIP)拥有良好的电磁性能,且强度高,在吸波复合材料领域的研究越来越多。但其在复合过程中容易被氧化,从而对其电磁性能和吸波性能产生较大的影响。并且在复合材料中的负载量通常较大,导致材料质量的增加,不利于轻量化处理。因此,与其他类型的吸波剂复合是调整CIP吸波复合材料的有效途径。
本文通过二氧化硅(SiO2)薄膜的包覆解决了CIP的易氧化问题,保证了其电磁性能的同时又通过核壳结构提升了CIP的阻抗匹配。并以拓宽微波吸收频带为目的,采用热压成型工艺与吸波剂炭黑(CB)制备了CB-CIP@SiO2-玻璃纤维/尼龙6(CB-CIP@SiO2-GF/PA6)吸波复合材料。研究了磁损耗型吸波剂CIP@SiO2和电阻损耗型吸波剂CB对复合材料微波吸收和力学性能的影响。研究结果表明,在SiO2薄膜的包覆下,CIP充分发挥了其微波吸收特性,并与CB协同提升了复合材料的吸波性能。另外,CIP的负载量从70 wt.%降低至30 wt.%左右,大大减轻了复合材料的质量。其中,掺量为1 wt.%CB和30 wt.%CIP@SiO2的吸波复合材料的有效吸收带宽在材料的厚度为1.91-1.95 mm时超过了5.6 GHz且覆盖了整个Ku波段。这种方法一方面拓宽了吸波复合材料的有效吸收带宽,实现了宽带吸波。另一方面,CIP@SiO2的颗粒增强与GF的纤维增强实现共同增强,提升了复合材料的整体力学性能。当CIP@SiO2的含量为40 wt.%时,复合材料的力学性能最佳,弯曲强度为212.8±9.8 MPa,剪切强度为21.0±1.4 MPa,摆锤冲击强度为64.4±6.2 kJ/m2。
本工作以拓宽结构型吸波复合材料的吸收频带为目的,在玻璃纤维增强尼龙复合材料中同时引入磁损耗型吸波剂羰基铁粉(carbonyl iron powder, CIP)和电阻损耗型吸波剂炭黑(Carbon black, CB),采用热压成型工艺制备了CB-CIP@SiO2/玻璃纤维/尼龙6(CB-CIP@SiO2-GF/PA6)吸波复合材料。重点研究了CIP表面包覆SiO2薄膜及其加入量对复合材料微波吸收和力学性能的影响。研究结果表明:SiO2薄膜包覆不仅解决了CIP氧化问题,同时改善了复合材料的阻抗匹配特性,使得CIP与CB协同提升了复合材料的吸波性能。在保障复合材料具有良好吸波性能前提下,CIP的负载量从70 wt.%降低至30 wt.%左右,大大减轻了复合材料的质量。其中,掺量为1 wt.%CB和30 wt.%CIP@SiO2的吸波复合材料的有效吸收带宽在材料厚度为1.91-1.95 mm时超过了5.6 GHz,且覆盖了整个Ku波段。这种方法一方面拓宽了吸波复合材料的有效吸收带宽,实现了宽带吸波。另一方面,CIP@SiO2颗粒与GF的纤维实现共同增强,提升了复合材料的整体力学性能。当CIP@SiO2的含量为40 wt.%时,复合材料的力学性能最佳,弯曲强度为212.8±9.8 MPa,剪切强度为21.0±1.4 MPa,摆锤冲击强度为64.4±6.2 kJ/m2。