王 靜，包文麗，劉元軍，3，4

（1.天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061；3.天津工業(yè)大學(xué)天津市先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；4.天津市先進(jìn)纖維與儲(chǔ)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

電磁污染不僅會(huì)干擾電子通訊設(shè)備的正常工作，而且會(huì)對(duì)人類的身體健康和生存環(huán)境造成不良的影響［1］。因此，對(duì)吸波、屏蔽材料的研究從最初的軍工防護(hù)與隱身逐步向人體電磁安全防護(hù)、電子設(shè)備防電磁干擾以及信息保密等方面延展［2-3］。屬于碳系材料的碳纖維，因具有低密高強(qiáng)、導(dǎo)熱性好、模量比高、電阻可調(diào)控的特性，被廣泛用作吸波和屏蔽復(fù)合材料［4］。

1 碳纖維的電磁吸收原理概述

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電磁波展開了大量的研究［5-6］，研究主要集中在電磁屏蔽和吸收兩方面［7］。

1.1 電磁吸波原理

吸波材料又被稱為隱身材料，吸波示意圖如圖1所示。

圖1 吸波示意圖

當(dāng)來(lái)自外界的入射電磁波輻射到吸波材料表面時(shí)，在一定的阻抗下，入射波的一部分會(huì)射進(jìn)材料內(nèi)部，另一部分會(huì)在材料表面被反射回自由空間；而射入材料內(nèi)部的電磁波一部分會(huì)透射穿過材料界面，再度進(jìn)入自由空間，另一部分會(huì)被材料損耗、吸收或轉(zhuǎn)化成對(duì)人體無(wú)害的形式而釋放［8］。電磁吸收將來(lái)自外界的電磁能量轉(zhuǎn)化成熱能以及其他對(duì)人體無(wú)危害的能量，從根本上杜絕了電磁污染［9］。一般用反射損耗、磁導(dǎo)率和介電常數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)材料的吸波能力。

有效的吸波材料需同時(shí)滿足的要求：（1）具有優(yōu)良的阻抗匹配特性，當(dāng)入射電磁波輻射到吸波材料涂層表面時(shí)，入射波應(yīng)盡可能多地被吸收進(jìn)入材料內(nèi)部，盡量減少反射回自由空間的電磁波；（2）具有較佳的損耗特性，被吸收進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波應(yīng)盡可能多地被吸收或是轉(zhuǎn)化成其他形式的能量釋放出去，透射回自由空間的電磁波應(yīng)盡量少。

1.2 碳纖維的電磁吸波原理

碳纖維內(nèi)部能形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，因此即使其填充量較小，仍表現(xiàn)出較佳的電磁屏蔽效果。當(dāng)電磁波在碳纖維之間傳播時(shí)，隨著入射電磁波頻率的增加，會(huì)在纖維內(nèi)部出現(xiàn)渦流損耗現(xiàn)象而被吸收，體現(xiàn)出碳纖維的吸波性能；而另一部分電磁波會(huì)在每束碳纖維之間發(fā)生散射而相位對(duì)消，減少了電磁波的反射，從而體現(xiàn)出碳纖維優(yōu)良的吸波性能［10］。

2 碳纖維的電磁屏蔽原理

2.1 電磁屏蔽原理

根據(jù)Schelkunoff 電磁屏蔽理論［11］，材料的電磁屏蔽效果為吸收損耗、材料內(nèi)外部反射損耗之和。電磁屏蔽示意圖如圖2所示。

圖2 電磁屏蔽示意圖［12］

由圖2 可以看出，當(dāng)屏蔽層附近的電磁波輻射到屏蔽材料表面時(shí)，一部分入射波在屏蔽層界面被反射耗散重新回到外界；另一部分則穿過屏蔽層表面進(jìn)入屏蔽材料內(nèi)部。進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波一部分被吸收耗散，另一部分在材料內(nèi)表面經(jīng)過多次反射后耗散，剩下的電磁波則會(huì)透射過材料回到外界自由空間［13］。

電磁屏蔽主要是利用材料自身較高的導(dǎo)電性，在材料內(nèi)部可以形成封閉的導(dǎo)電通路，使來(lái)自外界的電磁波沿著導(dǎo)電通路運(yùn)動(dòng)而不會(huì)穿透材料，但電磁屏蔽只是將入射的電磁波反射回外界，不僅不能減弱或消除電磁波［14］，還會(huì)造成二次污染［15］。研究表明，一般導(dǎo)電性能越好的材料，屏蔽效能也會(huì)越好，但隨著入射波頻率的增大，穿透力增強(qiáng)的同時(shí)屏蔽效能減小。

2.2 碳纖維的電磁屏蔽原理

由于碳纖維材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，當(dāng)向碳纖維材料施加入射電場(chǎng)時(shí)，纖維排布方向與電場(chǎng)平行的結(jié)構(gòu)會(huì)使纖維內(nèi)部產(chǎn)生較大的傳導(dǎo)電流，產(chǎn)生接近金屬的反射入射電場(chǎng)效果；纖維排布方向與電場(chǎng)垂直的結(jié)構(gòu)使碳纖維損耗電磁波；纖維排布方向與電場(chǎng)結(jié)構(gòu)無(wú)規(guī)律時(shí)，反射電場(chǎng)可產(chǎn)生與入射電場(chǎng)垂直的分量，起到一定的反射消波作用［16］。綜上所述，碳纖維的電磁屏蔽性能主要?dú)w因于內(nèi)部纖維彼此搭接，形成載流子可以流動(dòng)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，然后載流子在流動(dòng)過程中可以與電磁場(chǎng)相互作用，削弱電磁波的傳導(dǎo)而起到屏蔽效果［17］。

3 電磁參數(shù)及物理意義

3.1 介電常數(shù)

介電常數(shù)又稱電容率或相對(duì)電容率，表示同一電容器中以某一物質(zhì)為電介質(zhì)時(shí)的電容和以真空為電介質(zhì)時(shí)的電容的比值，用ε表示。介電常數(shù)表征電介質(zhì)或絕緣材料在電場(chǎng)中貯存感生極化電荷的相對(duì)能力，其大小代表了電解質(zhì)的極化程度，但介電常數(shù)只能間接評(píng)價(jià)材料的吸波能力。介電常數(shù)通常表示為ε=ε′-jε″，由實(shí)部、虛部和損耗角正切值組成。其中，ε′為介電常數(shù)實(shí)部，表征材料在外加電場(chǎng)作用下的極化能力，實(shí)部越大，極化能力越強(qiáng)；ε″為介電常數(shù)虛部，表征材料在外加電場(chǎng)作用下的損耗能力，虛部越大，損耗能力越強(qiáng)；損耗角正切值則表征材料的吸波衰減能力，其值越大，衰減能力越強(qiáng)［17-22］。

3.2 磁導(dǎo)率

磁導(dǎo)率表示磁介質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之比，用μ表示。磁導(dǎo)率是表征磁介質(zhì)磁性的物理量，也是反映材料吸波性能的重要參數(shù)，但也只能間接評(píng)價(jià)材料的吸波能力。磁導(dǎo)率通常表示為μ=μ′-jμ″，其中，μ′表示材料在磁場(chǎng)作用下的磁化能力，其值越大，磁化能力越強(qiáng)；μ″表示材料在磁場(chǎng)作用下的損耗能力，其值越大，損耗能力越強(qiáng)。

3.3 反射損耗

反射損耗又稱反射率或回波損耗，表示電磁波入射到材料表面后反射波功率與入射波功率之比，用RL 表示。反射損耗可以直接評(píng)價(jià)材料的吸波性能，通常表示為RL=10lg(Pa/Pm)，其中，Pa表示反射波功率，Pm表示入射波功率。由于入射到材料表面的電磁波并非完全被反射，因此Pm大于Pa，所得材料的反射損耗為負(fù)值，其值越小代表被反射的電磁波越少，即材料損耗電磁波的能力越強(qiáng)。一般當(dāng)材料的反射損耗值小于等于-10 dB 時(shí)，可以認(rèn)為90%的電磁波被損耗，即材料具有優(yōu)良的吸波能力［23-25］。

3.4 屏蔽性能

屏蔽效能是指干擾源置于屏蔽材料外時(shí)，屏蔽材料安放前后的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度或功率比值，用SE 表示。屏蔽效能表征材料對(duì)電磁波的屏蔽效能，通常表示為SEE=20lg(E1/E2)、SEH=20lg(H1/H2)、SEP=20lg(P1/P2)，其中，SEE、SEH和SEP分別代表電場(chǎng)屏蔽效能、磁場(chǎng)屏蔽效能和功率屏蔽效能，E1、H1和P1分別代表屏蔽材料安放前的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和功率，E2、H2和P2分別代表屏蔽材料安放后的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和功率。由于屏蔽材料安放前的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和功率均大于安放后，因此E1大于E2、H1大于H2、P1大于P2，所得材料屏蔽效能為正值，其值越大代表屏蔽的電磁波越多，即材料的電磁波屏蔽能力越強(qiáng)。一般當(dāng)材料的屏蔽效能大于等于20 dB 時(shí)，可以認(rèn)為90%的電磁波被屏蔽，即材料具有優(yōu)良的屏蔽能力。

4 碳纖維材料在電磁吸收與屏蔽領(lǐng)域中的研究現(xiàn)狀

國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)用碳纖維材料研制隱形飛機(jī)等飛行器，并且成功改性碳纖維，大大減少了反射電磁波的量，提高了碳纖維的吸波性能。而國(guó)內(nèi)電磁屏蔽技術(shù)領(lǐng)域?qū)μ祭w維材料的研究還比較淺顯，大多集中在對(duì)樹脂基復(fù)合材料（碳纖維作為填料）或碳纖維排布方式與電磁屏蔽性能關(guān)系的研究上［26-27］。

碳纖維具有良好的導(dǎo)電性，對(duì)電磁波具有吸收與屏蔽作用［28］。但研究表明，單一使用碳纖維作為吸波和屏蔽材料時(shí)，可能存在磁導(dǎo)率低、介電常數(shù)高、吸收強(qiáng)度低、吸收頻帶窄等缺陷［29-30］；而當(dāng)碳纖維與某些吸波功能粒子多元復(fù)合制備復(fù)合材料時(shí)，不僅能充分發(fā)揮碳纖維優(yōu)良的電磁屏蔽效能，還能克服碳纖維在單獨(dú)使用時(shí)吸波性能較差的缺點(diǎn)，有利于增強(qiáng)碳纖維的電磁吸收與屏蔽性能［31］。

4.1 碳基吸波功能粒子碳纖維復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，將碳基吸波功能粒子（如石墨、石墨烯等）與碳纖維材料復(fù)合制備碳纖維復(fù)合材料逐漸成為研究熱點(diǎn)。石墨是碳質(zhì)元素結(jié)晶礦物，六邊形層狀結(jié)晶格架結(jié)構(gòu)［32］，具有完整的層狀解理，屬于六方晶系。石墨作為一種常見的碳質(zhì)材料，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)電材料、潤(rùn)滑材料等傳統(tǒng)領(lǐng)域。但受科技與社會(huì)發(fā)展的影響，石墨材料逐漸突破傳統(tǒng)，研究開發(fā)出新的用途。將石墨用作吸收和屏蔽電磁波的材料便是其新型用途之一。彭強(qiáng)［33］研究和制備了以吸波功能粒子石墨與碳纖維為填料的電磁屏蔽水泥砂漿，雖然使用單一石墨或碳纖維都能提高砂漿吸收和屏蔽電磁波的能力，但當(dāng)石墨和碳纖維復(fù)合在一起時(shí)，砂漿的電磁屏蔽性能較兩者單獨(dú)使用時(shí)更好，且當(dāng)石墨與碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15.0%和0.2%、電磁波頻率為600 MHz～1.5 GHz 時(shí)，所得的石墨基碳纖維復(fù)合電磁屏蔽砂漿的屏蔽效能大于10 dB。聶流秀［34］研究了石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)石墨基碳纖維復(fù)合材料電磁屏蔽效能的影響，在研究過程中保持碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%不變，然后與不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨粉復(fù)合，分別測(cè)試其屏蔽效能。結(jié)果表明：石墨基碳纖維復(fù)合材料的屏蔽效能比單一碳纖維材料明顯提高，并且隨著電磁波頻率的增大，石墨基碳纖維復(fù)合材料在屏蔽電磁波上具有更加顯著的優(yōu)勢(shì)。在電磁波頻率為100 MHz～1.5 GHz 時(shí)，單一碳纖維材料的屏蔽效能為3～20 dB，而石墨基碳纖維復(fù)合材料的屏蔽效能為8～29 dB，在電磁波頻率為100 kHz～400 MHz 時(shí)，石墨基碳纖維復(fù)合材料與單一碳纖維材料的屏蔽效能之差最小為5 dB，最大可達(dá)15 dB。陳光華［35］研究發(fā)現(xiàn)石墨基碳纖維復(fù)合材料的屏蔽效能比單一碳纖維材料高2～3 dB，這是由于單獨(dú)利用碳纖維時(shí)，碳纖維通過內(nèi)部纖維搭接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；單獨(dú)利用石墨粉時(shí)，通過導(dǎo)電粒子直接接觸才導(dǎo)電；而當(dāng)兩者復(fù)合時(shí)可以相輔相成，碳纖維網(wǎng)絡(luò)為石墨導(dǎo)電粒子增加接觸機(jī)會(huì)，石墨為碳纖維間的電子躍遷降低勢(shì)壘［36］，材料的反射損耗與屏蔽效能值均增大，吸波能力與屏蔽性能均提高。

石墨烯是一種二維原子晶體平面結(jié)構(gòu)新材料，組成其結(jié)構(gòu)的碳原子通過sp2雜化軌道組成周期性的六角形蜂窩狀晶格。另外，石墨烯是單層碳原子構(gòu)成的薄片，因此厚度為單層碳原子的大?。s0.335 nm），可以視作單層石墨。運(yùn)用原子鍵電負(fù)性均衡方法和密度泛函理論對(duì)本征及摻雜石墨烯的構(gòu)型［37］進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，其殘留的含氧官能團(tuán)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷使石墨烯的阻抗匹配得到改善，促使能量轉(zhuǎn)化為費(fèi)米能級(jí)［38］，同時(shí)也能使石墨烯產(chǎn)生官能團(tuán)電子偶極極化弛豫現(xiàn)象［39］和結(jié)構(gòu)缺陷極化弛豫現(xiàn)象［40］，使其擁有獨(dú)特的吸波性能。從石墨烯結(jié)構(gòu)分析，其獨(dú)特的單層碳原子結(jié)構(gòu)及孔壁使暴露在磁場(chǎng)下的化學(xué)鍵外層電子更易極化弛豫，從而外界輻射的電磁波衰減［41］。因此主要有4 個(gè)理論來(lái)支撐石墨烯的潛在吸波性能：（1）二維晶體的表面效應(yīng)［42］；（2）能級(jí)分裂效應(yīng)［43-44］；（3）小尺寸與體積效應(yīng)［45］；（4）邊界效應(yīng)［46］。但石墨烯本身生產(chǎn)成本高且生產(chǎn)效率低，因此與碳纖維材料結(jié)合可以打破其應(yīng)用限制，拓寬應(yīng)用范圍。吳 佳 明［47］嘗 試 將 不 同 質(zhì) 量 分 數(shù)（0.25%、0.50%、0.75%、1.00%）的聚酯樹脂（UP）與碳纖維材料進(jìn)行復(fù)合，然后測(cè)試碳纖維復(fù)合材料在X 波段的電磁屏蔽性能。結(jié)果表明：純聚酯樹脂幾乎無(wú)屏蔽效果，8.2 GHz 時(shí)屏蔽效能值僅為3.3 dB；而當(dāng)碳纖維與聚酯樹脂復(fù)合后，屏蔽效能明顯升高且屏蔽頻率段明顯增寬，復(fù)合材料中碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%、0.50%、0.75%、1.00%時(shí)，在12.4 GHz 時(shí)的屏蔽效能分別可達(dá)27.7、28.3、32.5、30.1 dB；進(jìn)一步使用石墨烯對(duì)碳纖維進(jìn)行改性后再次與聚酯纖維復(fù)合，所得復(fù)合材料的屏蔽效能比石墨烯改性前有所提高，在相同頻率下的屏蔽效能達(dá)到28.4、29.7、34.7、32.1 dB。此結(jié)果表明：添加石墨烯可以使碳纖維/聚酯樹脂復(fù)合材料的電磁屏蔽性能提高。Jiang 等［48］采用電泳沉積法將石墨烯沉積到碳纖維上，再通過電致聚合將苯胺附著于石墨烯/碳纖維片層上，最后制備出聚苯胺/石墨烯/碳纖維復(fù)合材料，對(duì)所得復(fù)合材料的各種性能進(jìn)行測(cè)量、研究，結(jié)果顯示：石墨烯與碳纖維復(fù)合可以提高材料的電學(xué)性能、屏蔽效能及力學(xué)性能。石墨烯與碳纖維復(fù)合制備的材料除了具有優(yōu)異的屏蔽效能外，還可提高材料其他方面的性能。Huang 等［49］采用電泳沉積法將石墨烯沉積附著于碳纖維表面，增強(qiáng)了碳纖維的界面性能與界面剪切強(qiáng)度。Qin 等［50］研究了石墨烯改性碳纖維的力學(xué)性能、電學(xué)性能。夏雪等［51］采用熔融共混法，利用聚丙烯（PP）、石墨烯納米片（GNSs）與碳纖維（CF）制備出PP/GNSs/CF 三元復(fù)合材料，并測(cè)試其熱學(xué)性能及力學(xué)性能，結(jié)果表明：石墨烯和碳纖維復(fù)合使導(dǎo)熱性能與力學(xué)性能均有一定的提升。

4.2 金屬基吸波粒子碳纖維復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

將金屬基磁性材料［如鎳（Ni）粉、鐵粉等］與碳纖維材料復(fù)合制備碳纖維復(fù)合材料也備受關(guān)注。鎳粉呈灰色不規(guī)則粉末狀，可用于制取磁性與吸波材料。研究表明，鎳粒子優(yōu)良的各向異性、良好磁性和吸收性有利于吸收電磁波，但是其優(yōu)異的導(dǎo)電性會(huì)引起渦流損耗而阻礙電磁波的吸收。因此，將鎳粉作為吸波功能粒子與碳纖維材料結(jié)合來(lái)改善鎳粉由于渦流損耗造成的吸波缺陷已經(jīng)引起研究者的重視。安玉良等［52］采用電鍍法制備鎳催化膜，然后采用氣相沉積工藝成功合成鍍鎳螺旋碳纖維材料，測(cè)試其吸波性能后發(fā)現(xiàn)，鍍鎳螺旋碳纖維材料在頻率為8.2～12.4 GHz 時(shí)的吸波性能較好，并具有較好的電磁吸收性能和屏蔽性能。張建東等［53］用熱壓罐工藝將反射層增強(qiáng)體（鎳粉和碳纖維復(fù)合材料）、吸波層增強(qiáng)纖維（芳綸纖維）和吸收劑（將碳納米管分散到樹脂中）復(fù)合，制備出復(fù)合材料板材，然后測(cè)試其密度、吸波性能、屏蔽效能、拉伸強(qiáng)度等，結(jié)果表明：復(fù)合材料的密度為1.51 g/cm3，在頻率為8.1～12.4 GHz 時(shí)的反射損耗值小于-10 dB，最小值可達(dá)15.59 dB，在頻率為10 GHz 時(shí)的屏蔽效能值為98 dB，拉伸強(qiáng)度為573 MPa。由此可看出，制備的材料具有良好的吸波和屏蔽效果，可用作隱身和防電磁泄露材料。周勇［54］采用化學(xué)鍍的方法制備出Ni 鍍層碳纖維復(fù)合材料，EDX 分析結(jié)果表明：Ni 鍍層碳纖維復(fù)合材料的鍍層是Ni-P 合金，且原子個(gè)數(shù)比約為9∶1，此時(shí)復(fù)合材料擁有最佳的吸波性能。王富強(qiáng)等［55］采用化學(xué)鍍法將一層金屬鎳沉積附著在碳纖維上，單向編織制備出Ni 鍍層碳纖維復(fù)合材料，然后以該Ni 鍍層碳纖維復(fù)合材料作為鋪層，進(jìn)一步制備出能良好屏蔽低頻電磁波的復(fù)合材料，并測(cè)量150 kHz～18 GHz 的電磁屏蔽效能，結(jié)果表明：當(dāng)頻率為150 kHz～30 MHz 時(shí)，材料的屏蔽效能大于35 dB，當(dāng)頻率為30 MHz～18 GHz時(shí)，材料的屏蔽效能大于60 dB。

鐵粉呈銀灰色粉末狀，晶體結(jié)構(gòu)為體心立方結(jié)構(gòu)，也是制備磁性與吸波材料的常用原料，其中，CO與鐵在高溫高壓下反應(yīng)形成的羰基鐵粉在高頻和超高頻下具有高磁通率，常被制成吸波材料應(yīng)用于微波吸收與屏蔽領(lǐng)域。但是羰基鐵粉的粒度較小、活性太大，常會(huì)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，影響其電磁性能。近年來(lái)，大量研究集中在將羰基鐵粉作為吸波功能粒子與碳纖維材料結(jié)合來(lái)改善其電磁性能。周遠(yuǎn)良等［56］以環(huán)氧樹脂（ER）作為基體、碳纖維（CF）作為增強(qiáng)纖維、鐵納米粒子（Fe NPs）作為吸波劑，研究制備了多種吸波平板。吸波平板的吸波性能隨著CF 和Fe NPs 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而提高，對(duì)電磁損耗表現(xiàn)為各向異性，入射電磁波方向與CF 垂直時(shí)的性能明顯優(yōu)于平行時(shí)，當(dāng)入射電磁波頻率為4.9 GHz、CF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.52%、Fe NPs 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%、板厚為4.56 mm 時(shí)，反射損耗達(dá)到最小值（-26.8 dB）。陶睿等［57］以石蠟為基體，以羰基鐵粉、碳纖維以及二者復(fù)合物為吸收劑，采用同軸法制備了復(fù)合材料，測(cè)試了材料的電磁參數(shù)，并對(duì)吸收劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響進(jìn)行了分析，然后將水性聚氨酯與各吸收劑復(fù)合制備出吸波涂層，并利用弓形法進(jìn)行性能測(cè)試，研究其吸波性能以及涂層厚度的影響。結(jié)果表明，羰基鐵粉的損耗角正切值較小，但同時(shí)屬于電損耗和磁損耗，磁損耗存在于頻率為2.0～4.0 GHz 的S 波段 和頻 率為4.0～8.0 GHz 的C 波段；碳纖維屬于電損耗型材料，在頻率為12.0～18.0 GHz 的Ku 波段具有較大的損耗角正切值；將羰基鐵粉與碳纖維復(fù)合［羰基鐵粉與碳纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60%和25%（對(duì)吸收劑與樹脂總質(zhì)量）］得到的復(fù)合吸波涂層材料吸波頻帶更寬、吸波性能更優(yōu)。王振軍等［58］研究了頻率為2～18 GHz的單一碳纖維水泥基復(fù)合材料和羰基鐵粉/碳纖維水泥基復(fù)合材料的吸波性能，并對(duì)其組成成分和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：?jiǎn)我惶祭w維水泥基復(fù)合材料在2～8 GHz 的低頻段區(qū)，反射率隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高逐漸變大，在8～18 GHz 的高頻段區(qū)，吸波性能隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而波動(dòng)較大；與單一碳纖維水泥基復(fù)合材料（碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%）相比，羰基鐵粉/碳纖維水泥基復(fù)合材料在頻率為2～4 GHz 時(shí)的吸波性能差異不大，在4～12 GHz 時(shí)反射率變小，在12～18 GHz 時(shí)反射率最小可達(dá)-11.9 dB，吸波頻帶最寬可達(dá)7.3 GHz；羰基鐵粉有效地拓寬了材料的高頻段吸波頻寬，但隨著羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，吸波能力變化不大。

4.3 多元磁性功能粒子碳纖維復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

將多種磁性功能粒子與碳纖維材料復(fù)合制備碳纖維復(fù)合材料可以有效地改善材料的電磁吸收和屏蔽性能。孟輝等［59］采用化學(xué)鍍法在碳纖維表面沉積附著一層鎳粉，再與羰基鐵粉復(fù)合制備羰基鐵粉、鎳粉和碳纖維復(fù)合吸波涂層材料，然后測(cè)試其吸波性能。結(jié)果表明：在頻率為2～18 GHz時(shí)，羰基鐵粉/碳纖維吸波涂層在5.92 GHz 處達(dá)到反射率最小值-8.89 dB，其中反射率值低于-5.00 dB 的吸波頻帶寬達(dá)9.50 GHz；相同厚度的單層羰基鐵粉在頻率為7.94 GHz 處達(dá)到反射率最小值-10.36 dB，反射率值低于-5.00 dB的吸波頻帶寬達(dá)6.90 GHz；羰基鐵粉與碳纖維復(fù)合后，反射率值低于-5.00 dB 的吸波頻帶寬增大，有利于吸收電磁波。李善霖等［60］研究并制備了一種同時(shí)具備電性能和磁性能且電磁性能可調(diào)控的新型復(fù)合導(dǎo)電材料。此種材料采用乙烯基酯樹脂（VER）作為基體，短切玻璃纖維（GF）作為填料，導(dǎo)電性和磁性良好的短切鍍鎳碳纖維（Ni-CF）與導(dǎo)電性良好的短切碳纖維（CF）作為功能體。對(duì)其體積電阻率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并重點(diǎn)探究Ni-CF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磁導(dǎo)率、體積電阻率以及電磁屏蔽性能的影響。結(jié)果表明：（Ni-CF）-CF-GF/VER 復(fù)合導(dǎo)電材料體積電阻率的可調(diào)范圍為0.35～36.48 Ω·cm，磁導(dǎo)率為0.2～0.7 GHz，電磁屏蔽性能優(yōu)異，屏蔽效能隨著頻率的增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。劉志芳［61］分別研究了石墨烯（GO）/Fe3O4/聚乙烯醇（PVA）復(fù)合材料、GO/CF/PVA 復(fù)合材料和GO/Fe3O4/CF/PVA 復(fù)合材料的電磁屏蔽性能。結(jié)果表明：納米Fe3O4可以增強(qiáng)復(fù)合材料的電磁屏蔽性能，但單一納米Fe3O4的增強(qiáng)效果并不明顯，屏蔽效能約為4 dB，GO/Fe3O4/CF/PVA 復(fù)合材料與GO/CF/PVA 復(fù)合材料的電磁屏蔽性能明顯增大，屏蔽效能分別為20、14 dB。左聯(lián)等［62］采用正交實(shí)驗(yàn)法制備出鐵氧體、石墨和碳纖維水泥基復(fù)合材料，并研究了復(fù)合材料的電磁屏蔽性能。結(jié)果表明：在頻率為30～1 500 MHz 時(shí)，影響電磁屏蔽性能的因素由主到次為碳纖維、鐵氧體、石墨，碳纖維、鐵氧體和石墨的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.9%、34.4%和25.0%，平均屏蔽效能可達(dá)33.51 dB。在頻率為200～1 500 MHz 時(shí)，鐵氧體、碳纖維復(fù)合材料的平均電磁屏蔽效能約為37 dB，而石墨、碳纖維復(fù)合材料的平均電磁屏蔽效能約為31 dB，鐵氧體、碳纖維復(fù)合材料的屏蔽效能比石墨、碳纖維復(fù)合材料高。郭?。?3］采用化學(xué)鍍法在碳纖維表面沉積附著一層鈷（Co）或FeCo 合金鍍層，制備出鈷/碳纖維（Co/CF）、鐵鈷/碳纖維（FeCo/CF）介電鐵磁復(fù)合材料。引入FeCo 鐵磁鍍層不僅使碳纖維具備了較大的介電常數(shù)，而且使制備的鐵鈷/碳纖維（FeCo/CF）介電鐵磁復(fù)合材料擁有優(yōu)異的靜態(tài)磁性能和動(dòng)態(tài)電磁性能，但引入鐵磁性金屬卻使碳纖維本身的介電性能減弱，引入鐵磁性金屬使鐵鈷/碳纖維（FeCo/CF）介電鐵磁復(fù)合材料低于-10 dB的吸波頻帶寬大于碳纖維本身。

盡管各類磁性材料與碳纖維復(fù)合會(huì)使電磁性能增強(qiáng)，但同時(shí)也會(huì)使碳纖維暴露出質(zhì)地硬、密度高、工藝復(fù)雜等缺陷。葉偉［64］等嘗試采用碳纖維與Fe3O4、Fe-Co、Fe-Ni、Fe-Co-Ni 等磁損耗性顆粒復(fù)合，經(jīng)聚丙烯腈（PAN）基預(yù)氧絲氈浸漬金屬鹽溶液及高溫處理后制備出電磁損耗和柔軟質(zhì)輕兼具的新型磁性顆粒/碳纖維柔軟復(fù)合吸波材料，復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的吸波性能，原因在于：（1）電損耗與磁損耗間形成協(xié)同作用；（2）沿纖維軸向均勻分布著磁性粒子。

5 碳纖維材料在電磁吸收與屏蔽領(lǐng)域中的應(yīng)用前景

碳纖維可以用比鋁輕、比鋼強(qiáng)來(lái)客觀描述，目前在諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在航空航天與陸基武器應(yīng)用方面，由于碳纖維具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，目前已經(jīng)應(yīng)用于多種型號(hào)戰(zhàn)斗機(jī)與運(yùn)載飛機(jī)中，例如日本東麗公司在波音客機(jī)的制造過程中使用了碳纖維復(fù)合材料；在建筑建造應(yīng)用領(lǐng)域，由于碳纖維具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)而穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此常與水泥等材料復(fù)合制備復(fù)合材料來(lái)防止墻體開裂；在日常民用領(lǐng)域，由于碳纖維具有彈性好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)、質(zhì)量輕及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可用于制造體育用球拍、汽車殼體或底盤、樂器彈片等。

而碳纖維作為性能優(yōu)異的電磁吸波和屏蔽材料擁有承載和隱身的雙重功能。未來(lái)碳纖維的應(yīng)用前景：（1）復(fù)合化。未來(lái)趨向于碳纖維與電磁吸收與屏蔽性能優(yōu)異或力學(xué)、熱學(xué)性能良好的磁性功能粒子多元復(fù)合，制備具有良好綜合性能的復(fù)合材料，不僅能降低制造成本、減輕質(zhì)量，而且可以綜合碳纖維與其他材料的優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。（2）寬頻化。今后將在進(jìn)一步加強(qiáng)電磁理論探索的基礎(chǔ)上，趨向于盡可能拓寬碳纖維吸收和屏蔽電磁波的頻寬，畢竟僅能對(duì)抗較小頻寬的材料不能滿足現(xiàn)代社會(huì)波頻各異的要求。（3）功能一體化。未來(lái)要求極佳的吸波和屏蔽材料不僅具有優(yōu)異的防磁性能，同時(shí)還兼具良好的力學(xué)性能、熱學(xué)性能等，因此未來(lái)碳纖維應(yīng)朝著功能一體化的方向發(fā)展。（4）智能化。碳纖維的應(yīng)用前景還包括可以對(duì)環(huán)境作出及時(shí)響應(yīng)，并依據(jù)周圍環(huán)境的變化來(lái)調(diào)節(jié)自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電磁特性。