纳米二氧化锰掺杂炭黑复合材料电磁特性的研究

第 27卷 � 第 2期 2007年 4月 � � 航 � 空 � 材 � 料 � 学 � 报 JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS Vo l�27, No� 2� Apr il� 2007 纳米二氧化锰掺杂炭黑复合 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 电磁特性的研究 张 � 昕 1, � 刘顺华 1, � 段玉平 1, � 管洪涛2, � 温 � 斌 1 ( 1� 大连理工大学 材料科学与工程学院, 辽宁 大连 116085; 2�云南大学 物理学院, 昆明 650091) 摘要: 基于单一吸收剂无法达到良好的微波吸收效果, 利用纳米二氧化锰掺杂炭黑颗粒制备了一种新型的复合吸 收剂, 并进行 TEM形貌 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征,介电性能 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 以及微波吸收性能的测试。结果表明, 炭黑属于电阻型损耗介质, 主要 呈球形多孔状; 二氧化锰属于介电损耗介质, 特殊的条形片状结构增加了电磁波在机体内的反射次数和散射截面, 高电阻特性有效改善了吸波平板材料的输入波阻抗匹配程度,从而大大改善炭黑的微波吸收性能。 关键词: 二氧化锰; 炭黑; 介电损耗; 微波吸收 中图分类号: TB34� � � � � � � � � 文献标识码: A� � � � � � � � 文章编号: 1005-5053( 2007) 02-0058-04 收稿日期: 2006-03-16; 修订日期: 2006-06-12 基金项目: 国家自然科学基金资助 ( No. 50402025) 作者简介: 张昕 ( 1981� ), 男, 硕士研究生, 研究方向: 电 磁波吸收材料。 � � 隐身技术是一种能改变武器装备等目标的可探 测信息特征,使敌方探测系统不易发现或发现距离 缩短的综合性技术。随着隐身飞机在战争中的作用 愈来愈突出,隐身技术已成为各国在军事高技术竞 争中竞相争夺的一张重要 �王牌 �[ 1~ 3]。改变飞机 外形和机体采用吸波材料是实现飞机隐身的主要手 段 [ 4~ 6] ,而吸波材料能否达到良好的吸波效果, 吸收 剂的选择是重中之重。很长时间以来, 炭黑以其良 好的导电性被广泛地应用于吸收剂的设计中 [ 7, 8 ] , 但是仍存在着吸收峰值小, 吸收频宽窄等缺点。而 二氧化锰是锰铁氧体吸波材料的主要原料之一,铁 氧体材料因其优良的低频吸波性能已得到广泛应 用,因此,本研究结合以上两种材料, 以纳米二氧化 锰掺杂炭黑制备一种新型复合吸收剂, 试图改善炭 黑粒子的吸波效果, 并希望能有助于今后复合吸收 剂的研究。目前对二氧化锰掺杂炭黑电磁性能的研 究还未见报道。 1� 实 � 验 1. 1� 实验制备 首先将炭黑在球磨机中球磨 5h, 细化大块团聚 体,然后在氩气保护下 700� 加热 2h,对炭黑进行预 处理以去除表面有机物, 达到活化炭黑的目的 [ 8 ] , 然后 分 别 将 炭 黑 ( 10vo%l , 20vo%l , 30vo%l , 40vo%l )和二氧化锰 ( 10vo%l )在球磨机中再次球 磨使之均匀混合, 最后用超声震荡仪使其在环氧树 脂中均匀分散,加入固化剂常温注模固化成型,制成 200mm � 200mm � 3mm平板试样, 待测电磁特性。 1. 2� 实验方法 炭黑和二氧化锰表面形貌采用 JEM-100CXⅡ 型高分辨率透镜进行测试。纯炭黑和二氧化锰的电 磁参数采用同轴法兰法测试, 测试频段为 2 ~ 18GH z。复合材料的吸波性能利用 HP8720B网络 分析仪在无回波暗室中采用弓形法进行测试, 测试 频段为 8~ 18GH z。 2� 实验结果与讨论 2. 1� 吸收剂的形貌表征 图 1为炭黑和二氧化锰颗粒形貌的 TEM照片。 从炭黑的 TEM可以看出, 结构主要呈球形多孔状, 颗粒尺寸约为 60nm。从二氧化锰的 TEM 可以看 出, 结构为条形片状团聚结构, 颗粒尺寸约为 100 ~ 150 nm。有文献可知, 条状和片状的结构相比, 球形 具有更大的反射和散射截面 [ 9] , 从而有利于增加电 磁波在试样内部进行多次反射和散射的机率, 使吸 收剂对电磁波达到多次吸收。另外, 炭黑和二氧化 锰均为纳米颗粒,体内及界面中存在大量悬键,空位 及空洞等缺陷,且粒径越小, 缺陷越多,这会引起正 负电荷分布的变化。在电场的作用下正负电荷分别 向两极移动, 最后聚集在界面缺陷处, 形成电偶极 矩, 产生空间电荷极化。与此同时,在纳米粒子体内 及其庞大的界面中会存在相当多数量的氧离子空 位,这些空位有利于转向极化的产生 [ 10]。从而有利 于对电磁波的损耗。 第 2期 纳米二氧化锰掺杂炭黑复合材料电磁特性的研究 � � � � � � � � � � � � � � � � � 图 1� 颗粒形貌的 TEM 照片 ( a)炭黑颗粒; ( b)二氧化锰颗粒 � � � � � � � � � � � � � � � F ig. 1� TEM m icrograph of particulate ( a) CB pa rticulate; ( b) MnO2 particu late 2. 2� 吸收剂的介电性能 复介电常数 �= ��- j��和复磁导率 �= ��- j�� 是表征材料介电性能和磁性能的重要参数, 也是评 定材料吸波性能的重要标准。其中 ��和 ��表示材 料对电磁能量的存储能力, ��和 ��表示材料对电磁 能量的削减能力。为了使材料能够尽可能吸收电磁 波,有两个重要问题需要解决, 第一, 如何尽可能地 使入射电磁波进入材料内部而不被反射; 第二,如何 能够有效吸收进入材料内部的电磁波。对于第一个 问题, 保证空气与材料之间阻抗匹配是关键,也就是 材料复介电常数和复磁导率的实部尽可能相等,即 ��/��尽可能等于 1;对于第二个问题,材料复介电常 数和复磁导率的虚部 ��和 ��应尽可能的大。 按照微波的传输理论分析,对于单层平面材料, 电磁波从自由空间入射到材料界面的归一化输入阻 抗 Z为: Z = Z in Z 0 = �� tanh j 2�f tc � �� ( 1) Z in为材料阻抗, Z0为空气阻抗, �= ��- j��为复介电 常数, �= ��- j��为复磁导率, c为电磁波在真空中 的传播速度, t为试样厚度, f为入射电磁波的频率。 吸收效果一般用反射系数 R ( dB)表示: R ( dB ) = 20 log Z - 1 Z + 1 ( 2) 另外定义: tan�e = ��/��, � � tan�m = ��/�� ( 3) 其中, �e表示电感应场 D相对于外加电场的滞后相 位,同样 �m为磁感应场 B相对于外加磁场的滞后相 位。 tan�e表示介电损耗角正切, tan�m 表示磁损耗 角正切,损耗角越大, 对电磁波衰减越明显。 由文献 [ 11]可知, 炭黑和二氧化锰相对磁导率 实部接近于 1, 虚部接近于零, 磁损耗为零, 说明炭 黑和二氧化锰均不是磁损耗介质, 因此仅对电性能 进行分析。图 2示出炭黑和二氧化锰复介电常数随 频率的变化曲线。从图 2可见, 炭黑具有比较大的 介电常数,加之高导电性,可知炭黑主要靠涡流损耗 衰减电磁波,是一种电阻型吸收剂。而二氧化锰相 对介电常数实部在 9~ 12范围内,虚部仅在 2~ 4范 围内,损耗角正切在 0. 3~ 0. 4范围内,实部和虚部 随频率增加逐渐降低,损耗角正切随频率增加逐渐 增加,由此推断,二氧化锰是一种宽频带介电型吸收 剂, 主要靠介电损耗吸收电磁波。 2. 3� 二氧化锰掺杂炭黑的吸收特性 2. 3. 1� 二氧化锰的掺杂对吸波性能的影响 在 10vo%l , 20vo%l , 30vo%l , 40vo%l 炭黑中分 别掺杂 10vo%l 纳米二氧化锰制备不同组分的试样, 并与具有相同纯炭黑含量的试样进行比较。所得的 吸波性能曲线分别对应于图 3的 a, b, c和 d。从图 中可以看出,在 20%炭黑中掺杂二氧化锰吸波性能 较纯炭黑有所下降,在 10vo%l , 30vo%l 和 40vo%l 炭 黑中掺杂二氧化锰,吸波性能较纯炭黑有很大提高。 � � 这初步可以归结为以下三方面原因: ( 1 )二氧 化锰颗粒条状和片状的特殊结构有利于增加和增大 对电磁波的反射次数和散射截面, 从而提高炭黑粒 子对电磁波的吸收; ( 2)二氧化锰影响炭黑导电网 络的形成,改善复合材料的输入波阻抗; ( 3)二氧化 锰本身对电磁波的吸收。 当加入 10vo%l 炭黑时,由于含量较低, 粒子之 间的距离较远,此时形成链状导电通道的几率较小, 这时隧道效应起主要作用, 无法对电磁波进行大量 吸收,加入纳米二氧化锰之后,条形片状结构增加了 电磁波在基体内的反射次数和散射截面,使炭黑对 电磁波进行多次吸收, 从而增加吸波性能 (图 3a)。 59 航 � 空 � 材 � 料 � 学 � 报 第 27卷 图 2� 炭黑 ( a)和二氧化锰 ( b)的复介电常数曲线 F ig. 2� Com plex perm ittiv ity of CB ( a) and MnO2 ( b) 图 3� 二氧化锰掺杂不同含量炭黑对吸波性能的影响 F ig. 3� E ffect o f reflectiv ity loss w ith d ifferent content of CB doped w ith M nO2 当加入 20vo%l 炭黑时,粒子间距变小, 链状通道大 量形成,进而构成导电网络大量衰减电磁波,在此基 础上加入二氧化锰, 一定程度上破坏原有的导电网 络,虽然特殊结构有助于使炭黑对电磁波进行反复 吸收, 但是还不足以补偿导电网络破坏所带来的影 响,因此吸波性能有所下降 (图 3b )。加入 30vo%l 和 40vo%l 炭黑,此时炭黑在基体内形成较完整的导 电网络,从而试样变成强反射体,电磁波无法进入试 样内部,在此基础上加入导电性能较差的二氧化锰, 改善复合材料的输入波阻抗,使电磁波进入试样内 部。另外,二氧化锰本身也具有一定的吸波性能,从 而与炭黑形成涡流损耗和介电损耗相混合的复合吸 波体系,有效地衰减电磁波。 2. 3. 2� 纯二氧化锰的吸波特性 从文献 [ 12]可知, 二氧化锰导电性能并不好, 但在电磁波照射下升温速度却可达 10. 80K /s, 在 100s时间内温度由室温 298K上升到 1378K [ 13] , 说 明二氧化锰有较好的微波吸收性能。由二氧化锰电 磁参数和形貌分析可知, 其依靠介电损耗对电磁波 进行吸收,因此单独对二氧化锰吸波性能进行考察。 图 4为分别加入 10vo%l , 20vo%l , 30vo%l 和 40vo%l 二氧化锰的吸波曲线。从图 4可见, 二氧化锰的吸 波性能并不出众, 仅当加入 30vo%l 含量二氧化锰 时, 8~ 11GHz频率范围内反射率优于 - 10dB, 可见 单独加入二氧化锰作为吸收剂并不能达到良好的吸 收效果,与其他吸收剂掺杂从而利用特殊条形片状 60 第 2期 纳米二氧化锰掺杂炭黑复合材料电磁特性的研究 图 4� 纯二氧化锰的吸波性能 F ig. 4� Reflectiv ity lo ss o f pureMnO2 结构对电磁波进行多次反射和散射才能大幅度提升 对电磁波的吸收性能。 3� 结 � 论 二氧化锰属于一种介电型损耗材料, 颗粒形貌 为片状或条状。当对传统吸收剂炭黑进行掺杂后, 条状或片状的颗粒形貌有利于增加对入射电磁波的 反射次数和反射截面, 高电阻特性有效改善吸波平 板材料的输入波阻抗匹配程度,因此采用该掺杂吸 收剂制备吸波平板材料的吸波效果有较大的改善。 参考文献: [ 1] STONIER R A. Stea lth a ircra ft& techno logy from wo rld w ar Ⅱ to the Gu lf PartⅠ [ J]. SAMPE Journa,l 1991, 27( 4): 9 - 17. [ 2] STON IER R A. Stea lth a ircraft& techno logy from w orld w ar Ⅱ to the Gu lf PartⅡ [ J]. SAMPE Journa ,l 1991, 27( 5): 9- 18. [ 3] OL IVER D, RYAN M.隐形战斗机 [ M ].李向荣译.海口: 海南出版社, 2002. 80- 88, 99. [ 4] 彭智慧,曹茂盛,袁杰,等. 雷达吸波材料设计理论与方 法研究进展 [ J] .航空材料学报, 2003, 23( 3): 58- 63. [ 5] 王略,章仲安. 低 RCS飞行器外形设计实践 [ J]. 航空学 报, 1995, 16( 6): 92- 95. [ 6] 刘顺华,郭辉进. 电磁屏蔽与吸波材料 [ J]. 功能材料与 器件学报, 2002, 8( 3): 213- 217. [ 7] OH JUNG-HONG, OH KYUNG-SUB, K IM CHUN-GON, et al. D esign of radar abso rbing structure using g lass/ epoxy composite conta in ing carbon black in X-band frequency ranges[ J]. Com pos ites: Pa rt B, 2000, 35: 49- 56. [ 8] DAS N C, KHASTGIRA D, CHAKRABORTY A, et al. E- lectrom agnetic interference sh ie ld ing effec tiveness of carbon b lack and carbon fibe r filled EVA and NR based compos- ites [ J] . Com posites: Part A, 2000, 31: 1069- 1081. [ 9] 葛副鼎,朱静, 陈利民.吸收剂颗粒形状对吸波材料性能 的影响 [ J]. 宇航材料工艺, 1996( 5): 42- 49. [ 10] 阮圣平, 董玮, 吴凤清, 等. 纳米晶钛酸钡的介电性能 [ J]. 物理化学学报, 2003, 19( 1): 17- 20. [ 11] 熊政专,段海平, 段玉平, 等. CB /M nO2 /ABS复合平板 材料的吸波效能 [ J] .塑料工业, 2005, 33( 8): 68- 70. [ 12] 郭再萍, 刘洪涛, 夏熙. 粘结剂对可充二氧化锰电极性 能的影响 [ J] .电池, 1998, 28( 5): 195- 198. [ 13] 赵志曼. 微波辐照煤矸石陶瓷砖应用研究 [ D ]. 昆明: 昆明理工大学, 2003. E lectromagnetic Characteristics of Carbon Black Doped w ith NanometerM anganese Dioxide ZHANG X in 1 , � LIU Shun-hua1, � DUAN Yu-p ing1, � GUAN Hong- tao2, � WEN B in1 ( 1�Schoo l o fM ater ials Sc ience& Eng ineer ing, Da lian 116085, L iaon ing, Ch ina; 2�Schoo l of Physics, Yunnan Un iversity, Kunm ing 650091, Ch ina) Abstrac t: A nove l absorb ingm edium of carbon black doped w ith nanom eter sized m anganese diox ide w ere prepa red. Them icrostruc- tu re, d ie lectr ic constant (��, ��) and m icrowave absorp tion property o f sam ples w erem easured by means of transm ission electron m -i croscopy ( TEM ), transm ission / re flection coax ia lm ethod from 2GH z to 18GH z and HP 8720B vector netwo rk analyzer ( VNA ). The re- su lts show that manganese diox ide be long s to d ie lectr ic loss m edium w ith flake and strip shaped wh ile carbon black be longs to erratic current loss m edium w ith sphere and mu lt-i hole shaped. It is notable that m anganese diox ide has a great effo rt to intens ify m icrow ave absorption capab ility of carbon b lack due to not only its flake and strip shaped m icrostructurewh ich can increase the reflection and sca-t ter cro ss section of e lectrom agnetic wave but also its h igh resistancew hich can im prove the im pedancem atch ing o f samp les. K ey words: m anganese d iox ide; carbon b lack; d ie lec tric loss; m icrow ave absorption 61