王榮超，于 祺，陳 平，馬明博，陳漢霖

(1.沈陽航空航天大學航空航天工程學部 先進聚合物基復合材料遼寧省重點實驗室，沈陽 110136)(2.大連理工大學化工學院 精細化工國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

靜電紡絲法制備納米纖維吸波材料的研究進展

王榮超1，于 祺1，陳 平2，馬明博1，陳漢霖1

(1.沈陽航空航天大學航空航天工程學部 先進聚合物基復合材料遼寧省重點實驗室，沈陽 110136)(2.大連理工大學化工學院 精細化工國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

介紹了吸波材料的未來發(fā)展要求，靜電紡絲技術(shù)在吸波材料制備中的優(yōu)勢，靜電紡絲裝置及原理，綜述了國內(nèi)外靜電紡絲技術(shù)在制備納米纖維吸波劑以及納米纖維膜兩方面的研究進展，提出了用納米纖維薄膜層間改性復合材料來制備結(jié)構(gòu)功能一體化材料的新方向，并展望了其未來的發(fā)展前景。

靜電紡絲；納米纖維；吸波性能；吸波劑；納米纖維薄膜

1 引 言

隱身技術(shù)的快速發(fā)展對吸波材料提出了“薄、寬、輕、強”的綜合要求。利用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維吸波材料具有質(zhì)輕、長徑比大、孔隙率高、比表面積大等優(yōu)點，因此在吸波材料應用方面擁有廣闊的發(fā)展空間。早在20世紀30年代就有利用聚合物制備超細纖維裝置的專利報道，之后Taylor對靜電紡絲噴射理論做了深入研究，奠定了靜電紡絲技術(shù)的理論基礎(chǔ)[1-3]。靜電紡絲技術(shù)被認為是最簡單有效的制備連續(xù)納米纖維的方法，中外研究者[4-6]利用此方法制備出多種吸波性能優(yōu)異的納米纖維吸波材料，通過調(diào)控聚合物纖維層與磁性填充粒子的電磁匹配，可以極大地提高吸波材料的電磁損耗，拓寬吸收頻寬；因此靜電紡絲技術(shù)在隱身技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

2 高壓靜電紡絲原理

靜電紡絲裝置主要由高壓電源、供液系統(tǒng)和接收器組成(圖1)。供液系統(tǒng)主要由推進泵和注射器組成，接收器多為滾筒式，通過在注射器和接收器之間施加高壓，使注射器內(nèi)的聚合物液體帶電并形成“Taylor 錐”。隨著電壓的增加，帶電液滴受到電場力的作用形成射流，在射流過程中溶劑不斷揮發(fā)，同時受電場力的作用，射流的電荷密度也逐漸變大產(chǎn)生排斥作用而分裂，最終在接收器上獲得納米纖維無紡布。

圖1 靜電紡絲裝置示意圖

3 靜電紡納米纖維吸波材料的研究進展

靜電紡絲法制備納米纖維吸波材料通過將介電損耗型材料和磁損耗型材料復合，可以有效地調(diào)節(jié)材料的電磁匹配特性，從而增強自身的微波吸收特性。同時，由于納米纖維具有比表面積大、多孔結(jié)構(gòu)、密度小、質(zhì)量輕等特點，賦予了納米纖維新的吸波通道(如界面極化)；因此，靜電紡絲納米纖維成為一種非常有發(fā)展前景的高性能、多功能吸收劑，有望實現(xiàn)“薄、寬、輕、強”的綜合要求。

目前，利用靜電紡絲法制備納米纖維吸波材料的研究焦點主要集中在納米纖維吸波劑和納米纖維吸波薄膜上。其中，納米纖維吸波劑獲得了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。

程磊[7]等以聚乙烯醇(PVA)和醋酸鋅[Zn(Ac)2] 為前驅(qū)體，通過靜電紡絲法制備具有纖維網(wǎng)絡狀結(jié)構(gòu)的納米氧化鋅纖維，與棒狀結(jié)構(gòu)氧化鋅相比，吸波性能有很大提高，微波衰減最大值達-28 dB，-10 dB以下的頻寬達到7 GHz。

向軍[8]等采用靜電紡絲技術(shù)結(jié)合穩(wěn)定化和碳化后處理工藝原位制備了Fe-Ni/C 復合納米纖維，并與硅橡膠共混制備成吸波涂層。結(jié)果表明當復合納米纖維的質(zhì)量分數(shù)為5%時，吸波涂層(厚度1.2～2.0 mm)反射率可達到-63.0 dB。

李佳樂[9]等采用靜電紡絲法制備了BaTiO3(BTO)和 Ni0.4Co0.2Zn0.4Fe2O4(NCZFO)納米纖維，研究了以NCZFO納米纖維/硅橡膠復合體為匹配層，以BTO納米纖維/硅橡膠復合體為吸收層的雙層吸波涂層的吸波性能；結(jié)果表明，當吸收層和匹配層的厚度分別為2.3 mm和0.5 mm時，復合體在9.5 GHz處的反射率達-87.8 dB，低于-20 dB的吸收帶寬為 5 GHz。這說明具有雙層結(jié)構(gòu)的吸波涂層其阻抗匹配特性獲得了明顯改善，有利于提高復合體的吸波性能。

Li[10]等利用靜電紡絲結(jié)合熱處理工藝制得Ba(1-x)LaxFe12O19納米纖維，其吸波性能優(yōu)異，最大反射率達-23.02 dB，-10 dB以下的吸收頻寬可達12.6GHz。

Zhang[11]等利用靜電紡絲法制備了Fe3O4/C復合納米纖維，經(jīng)碳化處理后將5 wt.%的復合納米纖維與石蠟混合制成同軸試樣，結(jié)果表明復合納米纖維比純碳纖維在低頻(2～5 GHz)具有更為優(yōu)異的吸收性能，且吸收頻寬更寬，-5 dB以下的吸收頻寬達12 GHz，最大反射率達-45 dB(8 GHz處)。

Xiang[12]等利用靜電紡絲結(jié)合熱處理法制得FeCo/C復合納米纖維，質(zhì)量分數(shù)為5%的納米纖維與硅樹脂混合制備同軸試樣，研究結(jié)果表明當吸波層厚度為1.6 mm時，在16.6 GHz時反射率可達-47.5 dB。

Wang[13]等利用靜電紡絲法制備了Fe-C納米纖維，經(jīng)焙燒后以1:1比例與石蠟混合制得同軸試樣，并用矢量網(wǎng)絡分析儀測量吸波性能，研究結(jié)果表明其在4.2 GHz處反射率達-44 dB，-10 dB以下的吸收頻寬達11 GHz。

相比之下，利用靜電紡絲法制備納米纖維薄膜在電磁吸波性能方面的研究相對匱乏，目前的研究工作多集中在電磁屏蔽研究方面。聶華麗[14]等以聚丙烯腈(PAN)為聚合物紡絲材料，通過靜電紡絲技術(shù)制備了一系列具有不同F(xiàn)e3O4含量的Fe3O4/PAN復合納米纖維膜，研究結(jié)果表明復合納米纖維膜具有良好的超順磁性，其最大的比飽和磁化強度為9.82 emu/g。

Chiscan[15]等將PVC溶于THF/DMF中，然后再加入Fe3O4粒子電紡成膜，結(jié)果表明PVC/Fe3O4納米纖維膜在X波段的反射損耗可達-16 dB以下。Im[16]等利用碳納米管、PANI和PEO制備了電紡復合納米纖維膜，將制得的納米纖維膜直接制成同軸試樣，研究結(jié)果表明其在800 MHz到4 000 MHz頻率范圍內(nèi)的屏蔽效能為42 dB。Nanni[17]等利用靜電紡絲法制備了0.3 mm厚的聚己內(nèi)酯/碳納米纖維薄膜，研究結(jié)果表明在8.2～12.4 GHz頻率范圍內(nèi)反射率可達-33dB左右，說明該材料具有較好的電磁波屏蔽性能。

本課題組[18]提出將負載納米吸波粒子的靜電紡絲納米纖維膜作為復合材料的層間電磁改性劑，并將吸波功能層集成于復合材料層壓板的制備過程中。研究表明這種方法能夠同步提升復合材料整體的吸波功能和力學性能，預期可以制備出吸波性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)/功能一體化隱身復合材料層壓板，在航空航天工程領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

4 結(jié) 語

靜電紡絲技術(shù)是一種新穎、高效且簡單的制備納米纖維吸波材料的方法，受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。但是，關(guān)于聚合物納米纖維吸波薄膜的應用研究報道相對較少，以其優(yōu)異的電磁特性結(jié)合先進聚合物基復合材料疊層可設(shè)計性強的優(yōu)勢，有望制備寬頻、高效、力學性能優(yōu)異的隱身復合材料，因此在隱身復合材料吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計方面具有廣闊的發(fā)展空間，也是今后研究工作的重點和難點。

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Research Progress of Nanofiber Absorbing Materials Prepared by Electrospinning Technology

WANG Rongchao1，YU Qi1，CHEN Ping1,2，MA Mingbo1，CHEN Hanlin1

(1.Liaoning Key Laboratory of Advanced Polymer Matrix Composites& School of Aerospace Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136)(2.State Key Laboratory of Fine Chemicals& School of Chemical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024)

This paper describes the future development of Absorbing material requirements and the advantages of electrostatic spinning technology in preparation of absorbing materials . In addition, electrostatic spinning device and principle of electrostatic spinning technology are also introduced .The research progress of nanofibrous absorbers and nanofibrous membranes prepared by electrospinning technology at home and abroad were reviewed. Meanwhile, embed the thin films with nano fibers into composite material layers to achieve a new structural and functional material have been put forward，and their future development direction and prospects were prospected.

electrospinning technology；nanofiber；microwave-absorbing properties；microwave-absorbing material； nanofiber membranes

劉慶軍(1991-)，男，湖南人，碩士。研究方向：聚合物基復合材料。E-mail：289122545@qq.com.

曾黎明(1952-)，男，湖北人，教授。研究方向：功能復合材料。電話：13871436020， E-mail：lmzeng@whut.edu.cn.

國家自然科學基金(51303106)，“十二五”國防基礎(chǔ)科研項目(A352××××)，遼寧省高等學校優(yōu)秀人才支持計劃(LJQ2015085)

2015-11-02)