论文部分内容阅读
武器装备的隐身技术已经成为现代战争中提升防御和打击能力的重要手段,而吸波隐身材料是隐身技术的关键之一。当前碳材料是已发展的吸波材料中最有前途,综合性能最好的吸波材料,不仅能够吸波,并且能够增强,可以作为结构吸波材料。因此研制不同形态碳材料,研究其作为吸波剂填充到树脂中制备出的复合材料的吸波性能具有重要的理论意义和应用价值。本文选取聚丙烯腈(PAN)作为碳前驱体聚合物,以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为热分解聚合物,通过将两者共同溶解于二甲基甲酰胺(DMF)中制备了PAN/PMMA共混溶液。采用湿法成型制备了PAN/PMMA共混纤维,经过预氧化和碳化去除PMMA组分,制得了纳米碳纤维和多孔碳纤维。研究了将他们添加至环氧树脂中制备的复合材料的吸波性能。主要工作包括以下几个方面:采用应变控制动态流变仪分析了PAN/PMMA共混溶液的动态流变性能,发现当PAN分子量不同,即分子量为5万(PAN5)和分子量为8万(PAN8)时,共混溶液的logG′与logω的关系呈现不同的变化,即PAN5/PMMA的logG′在低频率ω范围表现出比较明显的偏离logG′∝2logω的关系,而PAN8/PMMA则基本为线性关系,说明PAN5/PMMA共混溶液呈现明显的非均匀结构。这与对两者共混溶液稳定性观察所得到的结果一致,PAN5/PMMA溶液静置12-24小时发生分层,而PAN8/PMMA共混溶液在相同静置时间下无明显分层发生。将共混溶液浇铸成膜,利用SEM观察了薄膜的断面形貌。结果表明PAN与PMMA在共混体系中均呈现各自的相态结构,质量百分比高的组分趋向形成连续相。当PAN分子量提高时,分散相尺寸明显减小。由湿法纺丝成功的制得了质量百分比为3:7和7:3的PAN/PMMA共混纤维。在纤维中,两相分布有所不同,即当PAN分子量为8万时,呈现与共混薄膜相同的相态分布;而当PAN分子量为5万时,PAN趋向于形成连续相的结构。纺丝速度和牵伸倍数能够控制共混纤维中分散相的尺寸。将PAN/PMMA共混纤维原丝经预氧化和碳化后,所得碳纤维的形貌与原丝中的PAN相的分散状态有关。对PAN为连续相的原丝,对应得到的是多孔碳纤维,孔径为2-5um,当PAN为分散相时,则得到纳米碳纤维,直径为80-150nm。改变碳化的温度能够控制所得碳材料的石墨化程度。随碳化温度升高,电导率增大,在1000℃时电导率为7.6×10~1 S/cm,1200℃电导率为2.3×10~2 S/cm。以所得碳材料为吸波剂以2-8wt%的比例与环氧树脂混合,制成标准样片测试了它们在8GHz-12GHz的复介电常数。随吸波剂含量增加,介电常数实部和虚部均随之增大;损耗角正切也随吸波剂含量的增加而增大。由此通过理论模拟计算了不同厚度复合材料的电磁波反射率,并以此指导单层结构复合材料的设计和制备。对吸波剂含量为2-8wt%的单层结构复合材料的吸波性能采用美国安捷伦公司的HP8722ES型矢量网络分析仪,使用弓形法进行反射率测试的结果表明:一定厚度下(3mm),复合材料在8-12GHz对电磁波的反射率峰值随吸波剂含量的增加而变小;吸波剂含量为8wt%时,反射率峰值对应的频率向低频移动。实际测试结果与理论模拟结果一致。对比多孔碳纤维和纳米碳纤维两种吸波剂,相同含量下,多孔碳纤维复合材料具有更低的反射率,而且反射峰小于-10dB的频率范围更宽。例如:吸波剂含量为8wt%,厚度为3mm的板材,以多孔碳纤维为吸波剂的复合材料最低反射率为-20dB。在8-12GHz均低于-10dB;纳米碳纤维为吸波剂时,最低反射率为-16dB,而低于-10dB的频率范围为2GHz左右。对吸波机理进行了初步探讨,认为主要是吸波剂对电磁波的吸收和多次反射衰减两种机理为主。以多孔碳纤维作为吸波剂,增加了电磁波反射的路径,有利于电磁波的进一步衰减。本文的工作丰富了使用碳材料作为吸波剂的复合材料的设计及制备方面的研究内容,其结果具有参考价值。