第２６卷第４期 西南科技大学学报 Ｖｏｌ＿２６ Ｎｏ．４ ２０１１年１２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｅ．２０１１ 双层混杂纤维／炭黑改性环氧树脂复合材料 的制备及其吸波性能 张政权 王玉玲２经德齐 （１．西南科技大学四川省非金属复合与功能材料重点实验室 四ＪｊＩ绵阳６２１０１０； ２．西南科技大学研究生部四川绵阳６２１０１０； ３．中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室山西太原０３０００１） 摘要：通过采用整体压制的方法制备了双层混杂纤维／炭黑改性环氧树脂复合材料，对其吸波性能进行了研究。结 果表明：随着炭黑含量的增加，材料的反射衰减峰向低频移动，当炭黑含量较高时，吸收主要作用在低频波段，且存 在明显的双反射衰减峰。当炭黑含量为６％时，在１３．６ ＧＨｚ处反射衰减峰值可达一２０．６ ｄＢ，≤一１０ ｄＢ的有效带宽 为３．６ ＧＨｚ。当炭黑含量为８％时，双反射衰减峰分别在１０．６ ＧＨｚ和７．８ ＧＨｚ，峰值分别为一１７．０ ｄＢ和一１４．９ ｄＢ， ≤一１０ ｄＢ的有效带宽为６．７ ＧＨｚ。 关键词：混杂纤维炭黑环氧树脂复合材料吸波性能 中图分类号：ＴＱ３２３．５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—８７５５（２０１１）０４—００１５—０３ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｂｓｏｒｂｉｎｇ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｙｂｒｉｄ Ｆｉｂｅｒ／ｃａｒｂｏｎ Ｂｌａｃｋ Ｍｏｄｉｉｆｅｄ Ｅｐｏｘｙ Ｒｅｓｉｎ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ＺＨＡＮＧ Ｚｈｅｎｇ—ｑｕａｎ ，ＷＡＮＧ Ｙｕ—ｌｉｎｇ ，ＪＩＮＧ Ｄｅ．ｑｉ。 （１．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ Ｂａｓｅ ｆｏｒ Ｎｏｎｍｅｔａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ａｎｄ Ｆｕｎｃｔｏｉｎａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１０１０，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ；２．Ｐｏｓｔｇｒａｄｕａｔｅ Ｄｅｐａｒｔｅｍｎｔ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｃｎｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１０１０，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ；３．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＣｏａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｆｏＳｃｉｅｃｎｅｓ，Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３０００１，Ｓｈａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｏｕｂｌｅ ｈｙｂｒｉｄ ｆｉｂｅｒ／ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋ ｍｏｄｉｉｆｅｄ ｅｐｏｘｙ ｒｅｓｉｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｗａｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｗｈｏｌｅ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｈｔｅ ｃｏｎ— ｔｅｎｔ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ，ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｐｅａｋ ｍｏｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｗｈｅｎ ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｓ ｈｉｇｈ— ｅｒ，ｔｈｅ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ￣ｅｑｕｅｎｃｙ，ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａｎ ｏｂｖｉｏｕｓ ｄｏｕｂｌｅ ｒｅｆｌｅｃｔ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｐｅａｋ．Ｗｈｅｎ ｂｌａｃｋ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｓ ６％，ａｔ １３．６ ＧＨｚ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｐｅａｋ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｉｓ一２０．６ ｄＢ．ｅｆｆｅｃ— ｔｉｖｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｉｓ ３．６ ＧＨｚ．Ｗｈｅｎ ｂｌａｃｋ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｓ ８％．ｄｏｕｂｌｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｐｅａｋ ｉｓ ａｔ １０．６ ＧＨｚ ａｎｄ ７．８ ＧＨｚ，ｐｅａｋ ｖａｌｕｅ—ｌ７．Ｏ ｄＢ—ａｎｄ一１４．９ ｄＢ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ｈｔｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｉｓ ６．７ ＣＨｚ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｈｙｂｒｉｄ ｆｉｂｅｒ；Ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋ；Ｅｐｏｘｙ ｒｅｓｉｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；Ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ 隐身复合材料的研制与应用技术源于第二次 器雷达散射截面（ＲＣＳ），措施包括：外形技术、吸 世界大战期间，发展建立在先进复合材料发展基 波材料及阻抗加载等 。在吸波材料中，损耗介 础之上。隐身复合材料研究的关键在于减缩飞行 质会产生耗散电流，耗散电流在材料中逐渐衰减 收稿日期：２０１１—１１—０３ 基金项目：国家自然科学基金（ＥＯ３１３Ｏ３）；西南科技大学博士基金项目（１ｌｚｘＴｌｌ１）。 作者简介：张政权（１９８２一），男，博士，讲师，研究方向：功能材料及复合材料。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｚｑｘａｚｈａｎｇ＠１６３．ｃｏｍ。 １６ 西南科技大学学报 第２６卷 而产生电磁能的损耗；目前常用的增强纤维主要 维／炭黑改性环氧树脂复合材料。所制备的复合材 料的模型示意图如图２。从图２可以看出，制备的 混杂纤维／炭黑改性环氧树脂材料表层由Ｅ一玻璃 为碳纤维与透波的玻璃纤维等 Ｉ４ Ｊ。炭黑被广泛 应用于导电和防静电橡胶、硅胶、塑胶制品、屏蔽 电缆材料、防静电安全鞋、ＥＶＡ、防静电涂料等方 面，在电磁波绝缘、气体分散电极、微波吸收材 料 等方面也得到了使用。炭黑由结晶度很差 的碳微粒组成，每个碳粒具有洋葱结构，中心为无 序碳，外层可以层层剥离，层与层之问的距离为 纤维和环氧树脂构成，中间层为经过６３０℃热处理 的ＰＡＮ碳纤维、乙炔炭黑和环氧树脂，用于测试反 射衰减和电磁参数的试样的衬底为有良好反射特性 的金属铝薄片。 ０．３５～０．３６ １３１３３，具有半导体特性，在炭黑的表面 存在大量表面自由基及自由团，颗粒大小一般在 １０—５００ ｎｍ之间。炭黑具有粒度细、比表面积大、 导电性能优异、耐化学性、耐酸、耐碱、耐光、耐有 机溶剂等优点，在涂料、塑料、橡胶等中添加炭黑， 可起到改善材料的导电性，有效调节材料表面的 电磁波阻抗作用。因此，通过炭黑改性可以获得 具有良好吸波性能的复合材料。本文通过采用整 体压制的方法制备了双层混杂纤维／炭黑改性环 氧树脂复合材料，并对其吸波性能进行了研究。 １ 复合材料的制备 制备混杂纤维增强乙炔炭黑改性环氧树脂复合 材料的组成包括经过６３０℃热处理的ＰＡＮ碳纤维、 Ｅ一玻璃纤维、炭黑和环氧树脂等，炭黑含量见表１。 表１ 复合材料中炭黑的含量 图１为不同放大倍数下炭黑的（ＳＥＭ）显微结 构。从图１可看出乙炔炭黑的直径都很小，直径大 小在几十个纳米到５００ ｎｍ之间，属于纳米级微粒。 制备步骤如下：首先按照表１分别称取一定量 的ＣＢ和环氧树脂及聚酰胺树脂（固化剂，聚酰胺树 脂与环氧树脂之比等于１５：１００），把Ｅ一玻璃纤维 和经过６３０℃热处理的ＰＡＮ碳纤维布裁剪成一定 尺寸，然后将Ｅ一玻璃纤维与环氧树脂混合制备出 半固化的透波层预制体，再将碳纤维、炭黑和环氧树 脂混合制备出５种ＣＢ含量不同的吸收层预制体， 最后将制成的半固化片的透波层预制体与吸收层预 制体按预先设计的铺层顺序排列好，放入压机中进 行压制成型，压力为１０ ＭＰａ，从而制得双层混杂纤 图２混杂复台材料的结构示意图 ２结果与讨论 在对混杂纤维／炭黑改性环氧树脂材料进行设 计时要考虑材料的厚度、比重、吸波性能和承载性能 等因素，通常采用复合材料组成多层结构，目前研究 较多的是三层结构，如由阻抗变换层、低介质层和大 损耗层组成，其中阻抗变换层的作用是引导电磁波 进入材料与空间匹配，大损耗层有较高的衰减性能， 在两个低阻抗层中加入一个高阻抗。 添加乙炔炭黑的双层混杂纤维／炭黑改性环氧 树脂材料的结构如图３所示，最底层为反射层，由 金属铝薄片构成，厚度ｄｏ＝０．３ ｍｍ；第一层为电磁 第４期 张政权，等：双层混杂纤维／炭黑改性环氧树脂复合材料的制备及其吸波性能 ｌ７ 波吸收层（中间层），由乙炔炭黑、环氧树脂和碳纤 维构成，厚度为ｄ ＝３ ｍｍ，第二层为透波层（表面 层），由Ｅ一玻璃纤维和环氧树脂组成，厚度为ｄｚ＝ ３ ｍｍｏ Ｊ Ｌ 炭黑对电磁波的吸收作用包括入射到材料面层 及底层界面的反射波之间的干涉作用和吸收剂对电 磁波的吸收作用。因此，可以通过调节材料中吸收 剂含量改善材料的吸波性能，可以根据不同要求添 加适当含量的炭黑。 ＷａＶｅ ｌｎｅｉ（ｉｆ ３ 结论 １『 Ｌ：：： 。： ：： ： ：１ 图３双层混杂复合材料结构示意图 图４为双层吸波结构材料的反射衰减曲线。 从图４可以看出，吸收层中炭黑含量不同，复合材料 的反射衰减就不相同。通过入射电磁场的相互作 用，引起能量的吸收和辐射。吸收层中炭黑较低时， 材料对电磁波的吸收效果较差，随着炭黑含量增加， 吸收效果增强，小于某一特定值的有效带宽增大。 随着炭黑含量增加，材料吸收峰向低频移动，当炭黑 含量较高时，吸收主要作用在低频波段，且存在明显 的双吸收峰。当吸收层中炭黑含量为６％时，在 １３．６ ＧＨｚ处吸收峰值可达一２Ｏ．６ ｄＢ，≤一ｌＯ ｄＢ的 有效带宽为３．６ ＧＨｚ。当炭黑含量为８％时，双吸收 峰分别在１０．６ ＧＨｚ和７．８ ＧＨｚ处出现，峰值分别为 一１７．０ ｄＢ和一１４．９ ｄＢ，≤一１０ ｄＢ的有效带宽为 Ｆｒｅ（１ｕｅｎ吖／ＧＨｚ 图４双层混杂复合材料的反射衰减曲线 采用整体压制的方法制备了添加炭黑的双层混 杂纤维／炭黑改性环氧树脂复合材料。对混杂纤维／ 炭黑改性环氧树脂材料的电磁波吸收特性进行研究 时发现，随着炭黑含量的增加，材料的反射衰减峰向 低频移动，当炭黑含量较高时，吸收主要作用在低频 波段，且存在明显的双反射衰减峰。当炭黑含量为 ６％时，在１３．６ ＧＨｚ处反射衰减峰值可达一２０．６ ｄＢ，≤一１０ ｄＢ的有效带宽为３．６ ＧＨｚ。当炭黑含量 为８％时，双反射衰减峰分别在１０．６ ＧＨｚ和７．８ ＧＨｚ，峰值分别为～１７．０ ｄＢ和一１４．９ ｄＢ，≤一１０ ｄＢ的有效带宽为６．７ ＧＨｚ。通过调节材料中炭黑 的含量改善了材料的电磁波吸收效果，通过调整混 杂纤维／炭黑改性环氧树脂材料中的堆跺次序，可有 效改善材料对电磁波的作用效果。 参考文献 ［１］ＶＩＮＯＹ Ｋ Ｊ，ＪＨＡ Ｒ Ｍ．Ｒａｄａｒ Ａｂｓｏｒｂｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｒｏｍ Ｔｈｅｏｒｙ ｔｏ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ［Ｍ］．Ｂｏｓｔｏｎ：Ｋｌｕ－ ｗｅｔ Ａｃａｄｅｍｉｃ，１９９６：１—１６，１３５—１３６． ［２］ＳＥＯ Ｉ１ Ｓ，ＣＨＩＮ Ｗ Ｓ，ＬＥＥ Ｄ Ｇ．［Ｊ］Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｒｕｅ— ｔｕｒｅｓ．２００４，６６（１—４）：５３３—５４２． ［３］ ＣＨＩＮ ｗｏ０ Ｓｅｏｋ，ＬＥＥ Ｄａｉ Ｇｉｌ．［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｒｕｔ— ｔｕｒｅｓ．２００６，７４（２）：１５３—１６２． ［４］邹田春，赵乃勤，师春生，等．［Ｊ］．功能材料，２００５， ｌ１（３６）：１６８９—１６７２． ’－ ［５］ＬＥＥ Ｗ Ｊ，ＬＥＥ Ｊ Ｗ，ＫＩＭ Ｃ Ｇ．［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．２００８，（６８）：２４８５—２４８９． ［６］ Ｙｕ Ｘｉａｏ－ｌｉｎｇ，ＬＩＮ Ｇａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｄｕａｎ—ｕｒｉｎｇ，ｅｔ ａ１． ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉｌａｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｎｇ，２００６，（２７）：７００—７０５． ［７］ ＦＯＬＧＵＥＲＡＳ Ｌ Ｃ，ＦＡＥＺ Ｒ，ＲＥＺＥＮＤＥ Ｍ Ｃ．［Ｊ］． ＬＥＥＥ．ＭＴＦ—Ｓ ＩＭ０Ｃ．２０ｏ３，７４１—７４４．
