趙曉明，　劉元軍

(天津工業(yè)大學 紡織學部，天津 300387)

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雙層涂層復合材料的介電性能

趙曉明，劉元軍

(天津工業(yè)大學 紡織學部，天津 300387)

在滌綸基布上分別進行鐵氧體/碳化硅、碳化硅/石墨雙層復合涂層整理，制備兩種雙層涂層柔性復合材料。分別研究吸波劑含量對復合材料介電常數(shù)實部、虛部、損耗角正切的影響。鑒于該材料多用于工程領域，測試了該復合材料的機械性能。結果表明，該復合材料在低頻范圍內(nèi)具備良好的介電性能，且具備一定的力學性能。

鐵氧體；碳化硅；石墨；涂層；復合材料；介電性能

采用有機/無機納米復合技術可調節(jié)復合材料電磁參數(shù)，滿足阻抗匹配特性，并且能夠明顯減輕重量，有望成為今后吸波材料研究與發(fā)展的重點方向[1-2]。介電常數(shù)和損耗角正切可以間接地評價吸波性能[3-4]。介電常數(shù)是外電場頻率的函數(shù)，實部代表材料在外加電場作用下發(fā)生極化的程度，其值越大則材料的極化能力越強[5-6]；虛部代表材料在外加電場作用下的電偶極矩產(chǎn)生重排引起能量損耗的量度，其值越大則對電磁波的損耗能力越強；損耗角正切表征材料的吸波衰減能力，其值越大則吸波性能就越好[7-8]。本研究通過調整吸波劑含量改變阻抗特性以獲得較大的介電常數(shù)實部、虛部和損耗角正切；一方面選用磁損耗率較大的鐵氧體作為底層吸波劑[9-12]，選用電阻率可調的介電損耗型吸波材料碳化硅作為表層吸波劑[13-14]；另一方面，選用碳化硅作為底層吸波劑，選用價格低廉、密度較小的石墨作為表層吸波劑[15-16]。以滌綸機織物為基布，以鐵氧體、碳化硅分別作為底層、表層吸波劑，制備鐵氧體/碳化硅雙層涂層柔性復合材料；以碳化硅、石墨分別作為底層、表層吸波劑制備碳化硅/石墨雙層涂層柔性復合材料。重點研究涂層厚度為1.0 mm的雙層涂層柔性復合材料的介電性能，探討其機械性能，期望開發(fā)一種新型具備良好介電性能和力學性能的多功能雙層涂層柔性復合材料。

1　實驗

1.1實驗材料

滌綸機織物；鐵氧體粉末；石墨粉末；碳化硅粉末；E44型環(huán)氧樹脂；650聚酰胺樹脂。

1.2實驗方法

1.2.1復合物配方方案

(1)無水乙醇質量為E44型環(huán)氧樹脂質量的10%。

(2)固化劑650聚酰胺樹脂與E44型環(huán)氧樹脂質量比為1∶1。

(3)吸波劑(分別為鐵氧體粉末，石墨粉末，碳化硅粉末)質量分數(shù)為復合物總質量的12%，24%，36%，48%，60%。

1.2.2制備工藝

(1)分別將一定質量分數(shù)的吸波劑(鐵氧體粉末，石墨粉末，碳化硅粉末)加入無水乙醇與環(huán)氧樹脂的混合物中攪拌至均勻，制成待涂漿料備用。

(2)將固化劑聚酰胺樹脂加入(1)的各待涂漿料中，攪拌均勻。

(3)取適量(2)的漿料傾倒在織物表面并進行涂層整理，然后60 ℃烘燥3 h，底層涂層制備完畢；重復上述操作，制備表層涂層。

雙層涂層柔性復合材料結構模型如圖1所示。

圖1　復合材料結構模型Fig.1　Stucture model of composite material

1.2.3介電性能測試

在BDS50介電譜儀上，根據(jù)SJ20512—1995《微波大損耗固體材料復介電常數(shù)和復磁導率測試方法》，測試鐵氧體/碳化硅、碳化硅/石墨雙層涂層柔性復合材料的介電常數(shù)和損耗角正切[17-18]。

1.2.4機械性能測試

在Instron萬能材料試驗機上，分別根據(jù)GB1449—2005彎曲性能測試方法、JCT773—2010短梁法測定層間剪切強度測試方法、GB1447—2005纖維增強塑料拉伸性能試驗方法，測試鐵氧體/碳化硅、碳化硅/石墨雙層涂層柔性復合材料的彎曲性能[19-20]、剪切性能[20-21]、拉伸性能[20-23]。

2　結果與討論

2.1底層吸波劑含量對介電性能的影響

為了研究底層吸波劑含量對鐵氧體/碳化硅、碳化硅/石墨雙層涂層柔性復合材料介電性能的影響，分別制備了一系列鐵氧體/碳化硅、碳化硅/石墨雙層涂層柔性復合材料，復合材料涂層組成如表1和表2所示。

圖2至圖4為底層吸波劑含量對復合材料介電常數(shù)實部、虛部、損耗角正切的影響。由圖2至圖4可知，隨頻率增大，兩種雙層涂層柔性復合材料的介電常數(shù)實部、虛部、損耗角正切均減小。鐵氧體屬于磁損耗型吸波材料，主要通過磁滯損耗、鐵磁共振和渦流損耗等吸收電磁波，并將其轉化為熱能。碳化硅屬于介電損耗型吸波材料，主要是通過介質的極化弛豫損耗吸收電磁波。從圖2(a)中可以看出，隨底層鐵氧體含量增加，介電常數(shù)實部呈現(xiàn)出波動性增大的趨勢，底層鐵氧體含量為60%時鐵氧體/碳化硅柔性復合材料的極化能力最強；從圖2(b)中可以看出，當涂層厚度一定時，隨著底層碳化硅含量增多，涂層中碳化硅顆粒數(shù)目增加，對電磁波有效吸收增加。隨著底層碳化硅含量增加，介電常數(shù)呈現(xiàn)出波動性變化趨勢，其中底層碳化硅含量為24%時，碳化硅/石墨柔性復合材料的介電常數(shù)實部最大，其極化能力最強；當f>103Hz時, 底層鐵氧體含量為60%的鐵氧體/碳化硅柔性復合材料介電常數(shù)虛部最大，其損耗能力最強。在f>10 Hz頻率范圍內(nèi)，底層碳化硅含量為24%時， 碳化硅/石墨柔性復合材料介電常數(shù)虛部最大，其損耗能力最大。

表1　鐵氧體/碳化硅雙層涂層的組成(質量分數(shù)/%， 表中為吸波劑含量，余量為環(huán)氧樹脂混合物)Table 1　Composition of ferrite/silicon carbide coating (mass fraction/%, content of microwave absorbent in epoxy matrix)

表2　碳化硅/石墨雙層涂層的組成(質量分數(shù)/%， 表中為吸波劑含量，余量為環(huán)氧樹脂混合物)Table 2　Composition of silicon carbide/graphite coating (mass fraction/%, content of microwave absorbent in epoxy matrix)

2.2表層吸波劑含量對介電性能的影響

為了研究表層吸波劑含量對鐵氧體/碳化硅、碳化硅/石墨雙層涂層柔性復合材料介電性能的影響，分別制備了一系列鐵氧體/碳化硅、碳化硅/石墨雙層涂層柔性復合材料，復合材料涂層組成如表3和表4所示。

圖5至圖7為表層吸波劑含量對復合材料介電常數(shù)實部、虛部、損耗角正切的影響。從圖5可以看出，隨著頻率增大，鐵氧體/碳化硅、碳化硅/石墨雙層涂層柔性復合材料的介電常數(shù)實部均減小，其極化能力下降。碳化硅屬于介電損耗型吸波材料，其吸波機理主要是通過介質的極化弛豫損耗吸收電磁波；石墨屬于電損耗型吸波材料，其吸波機理是當材料受到外界磁場感應時，導電型吸波材料在導體內(nèi)產(chǎn)生感應電流，感應電流又產(chǎn)生與外界磁場方向相反的磁場，從而與外界磁場相抵消，達到對外界電磁場的屏蔽作用。從圖5至圖7可以看出，表層碳化硅含量為48%時，鐵氧體/碳化硅雙層涂層柔性復合材料的介電常數(shù)實部最大，其極化能力最強；f<105Hz時，表層碳化硅含量為60% 的柔性復合材料介電常數(shù)實部、虛部、損耗角正切最大。隨著石墨含量增加，涂層織物介電常數(shù)呈現(xiàn)出波動性變化的趨勢；在10 Hz

圖2　底層吸波劑含量對介電常數(shù)實部的影響 (a)鐵氧體；(b)碳化硅Fig.2　Influence of the content of primer absorbent on real part of dielectric constant (a)ferrite; (b)silicon carbide

圖3　底層吸波劑含量對介電常數(shù)虛部的影響 (a)鐵氧體；(b)碳化硅Fig.3　Influence of the content of primer absorbent on imaginary part of dielectric constant(a)ferrite ; (b)silicon carbide

圖4　底層吸波劑含量對損耗角正切的影響 (a)鐵氧體；(b)碳化硅Fig.4　Influence of the content of primer absorbent on loss tanδ (a)ferrite; (b)silicon carbide

2.3雙層涂層復合材料機械性能的研究

鐵氧體/碳化硅、碳化硅/石墨雙層涂層柔性復合材料的彎曲性能、剪切性能、拉伸性能，如圖8至圖10所示。

表3　鐵氧體/碳化硅雙層涂層的組成(質量分數(shù)/%， 表中為吸波劑含量，余量為環(huán)氧樹脂混合物)Table 3　Composition of ferrite/silicon carbide coating (mass fraction/%, content of microwave absorbent in epoxy matrix)

表4　碳化硅/石墨雙層涂層的組成(質量分數(shù)/%， 表中為吸波劑含量，余量為環(huán)氧樹脂混合物)Table 3　Composition of silicon carbide/graphite coating (mass fraction/%, content of microwave absorbent in epoxy matrix)

圖5　表層吸波劑含量對介電常數(shù)實部的影響 (a)石墨；(b)碳化硅Fig.5　Influence of the content of top coating absorbent on real part of dielectric constant(a)graphite；(b)silicon carbide

圖6　表層吸波劑含量對介電常數(shù)虛部的影響 (a)石墨；(b)碳化硅Fig.6　Influence of the content of top coating absorbent on imaginary part of dielectric constant(a)graphite；(b)silicon carbide

圖7　表層吸波劑含量對介電常數(shù)損耗角正切的影響 (a)石墨吸波劑；(b)碳化硅吸波劑Fig.7　Influence of the content of top coating absorbing agent on loss tanδ(a)graphite；(b)silicon carbide

從圖8可以看出，隨著彎曲應變增加，鐵氧體/碳化硅、碳化硅/石墨雙層涂層柔性復合材料彎曲應力增大；鐵氧體/碳化硅雙層涂層柔性復合材料的最大彎曲強力和強度分別為38.5 N，28.9 MPa；碳化硅/石墨雙層涂層柔性復合材料的最大彎曲強力和強度分別為48.3 N，48.3 MPa。隨形變增大，兩種復合材料的彎曲應力均呈波動式增大，這可能是涂層與基布斷裂的不同時性造成。從圖9可以看出隨著剪切應變增加，鐵氧體/碳化硅、碳化硅/石墨雙層涂層柔性復合材料剪切應力增大；當位移增大到1.8 mm時，鐵氧體/碳化硅雙層涂層柔性復合材料的剪切強力達到最大，最大剪切強力和剪切強度分別為95.2 N，38.1 MPa；當位移增大到1.4 mm時，碳化硅/石墨雙層涂層柔性復合材料的載荷出現(xiàn)波動，可能是因為載荷施加過程中涂層斷裂而滌綸機織物基布未斷裂，當載荷繼續(xù)施加，載荷由基布承擔；當位移增大到1.8 mm時，剪切強力達到最大，碳化硅/石墨雙層涂層柔性復合材料的最大剪切強力和剪切強度分別為57.5 N，23.0 MPa。從圖10可以看出兩種復合材料的初始模量均較大；隨著拉伸應變增加，拉伸應力均隨之增大，鐵氧體/碳化硅雙層涂層柔性復合材料的最大拉伸強力和拉伸強度分別為619 N，12.38 MPa；碳化硅/石墨雙層涂層柔性復合材料的最大拉伸強力和拉伸強度分別為618 N，12.36 MPa。

圖8　彎曲位移-載荷曲線Fig.8　Bending displacement-loading curves

圖9　剪切位移-載荷曲線Fig.9　Shearing displacement-loading curves

圖10　拉伸位移-載荷曲線Fig.10　Tensiling displacement-loading curves

3　結論

(1)在低頻段，鐵氧體/碳化硅、碳化硅/石墨雙層涂層柔性復合材料介電性能良好，吸波劑含量均對涂層復合材料的實部、虛部和損耗角正切影響較大；在高頻段，吸波劑含量均對涂層復合材料的介電性能影響較小，其實部曲線、虛部曲線、損耗角正切曲線近似重合。

(2)復合材料具備一定的力學性能，鐵氧體/碳化硅雙層涂層柔性復合材料的最大彎曲強力和強度分別為38.5 N，28.9 MPa；最大剪切強力和剪切強度分別為95.2 N，38.1 MPa；最大拉伸強力和拉伸強度分別為619 N，12.38 MPa。碳化硅/石墨雙層涂層柔性復合材料的最大彎曲強力和強度分別為48.3 N，48.3 MPa；最大剪切強力和剪切強度分別為57.5 N，23.0 MPa；最大拉伸強力和拉伸強度分別為618 N，12.36 MPa。

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(責任編輯：徐永祥)

Dielectric Properties of Double Layer Coating Composite Materials

ZHAO Xiaoming，LIU Yuanjun

(College of Textiles, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

Two kinds of flexible composite were prepared by applying double layer coating ,which consists of epoxy and ferrite/silicon carbide and silicon carbide/graphite as absorbing materials, on the polyester woven fabric. The influence of the content of absorbing reagent on permittivity’s real part of dielectric constant, permittivity’s imaginary part and loss tangent of dielectric constant of the composites were discussed. Since the material is usually used in the engineering field, so the mechanical properties were tested. The results show that the composites have good dielectric properties and certain mechanical properties at low frequencies.

ferrite；silicon carbide；graphite；coating；composite；dielectric constant

2015-06-26；

2015-09-11

國家自然科學基金項目(51206122)；天津應用基礎與前沿技術研究計劃項目(13JCQNJC03000)；2015年天津工業(yè)大學研究生科技創(chuàng)新活動計劃資助項目(15101)

趙曉明(1963—)，男，博士，教授，主要從事吸波涂層材料的制備及其介電性能研究，(E-mail)texzhao@163.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.2.002

TG132.2

A

1005-5053(2016)02-0007-07