基于羰基铁和石墨烯宽频吸波涂层制备及耐温抗氧化性能研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:mingtiandetianming
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近年来,电子信息技术、无线通讯设施和雷达探测系统的飞速发展导致电磁波在民用和军用领域中广泛应用,与此同时无处不在的电磁波也对人体健康和信息安全造成了严重危害,并对军用武器装备的生存防御能力提出了极大考验。因此,研发高效的吸波材料用以消除电磁干扰和污染、提升武器装备的生存和防御能力是十分必要的。此外,对于高度集成的精密电子设备或是武器装备的特殊部件,如导弹外壳、发动机尾喷管、坦克排气管等,在运行过程中往往会产生大量的热量,这就要求吸波材料不仅要“宽、薄、强、轻”,还要具备优异的耐温抗氧化性,以满足装备在中低温区短时使用或长期服役的需求。羰基铁作为典型的磁性吸波材料,具有成本低、阻抗匹配性良好、饱和磁化强度高、磁导率和居里温度高的优势,但由于羰基铁的电磁损耗机制单一、吸波频带窄、耐温抗氧化性差,使得其在中低温区的应用受限。因此,本研究以拓宽羰基铁基涂层吸波频带和提升羰基铁的耐温抗氧化性为目标,从实际应用出发:一方面,引入不同形貌的羰基铁粉和石墨烯增强了吸波涂层的电磁波损耗能力,拓宽了涂层的吸波频带,探究了宽频吸波涂层的使用温度范围及失效机理;另一方面,开发了不同包覆结构的羰基铁复合吸波剂,显著提升羰基铁的耐温抗氧化性,并与改性石墨烯材料复合实现了可长时耐温抗氧化的宽频吸波涂层制备。首先,通过物理共混和多层复合手段,利用具有不同电磁波损耗特性的片状羰基铁(FCI)和球状羰基铁(SCI)作为吸波剂,以聚氨酯(PU)为基体树脂,制备了一系列单层和双层吸波涂层(FCI/SCI/PU),并考察了FCI和SCI的含量、配比和涂层结构对涂层吸波性能的影响。经过优化调控,单层和双层吸波涂层反射损耗(RL)低于-5dB的最优带宽分别达到了 15.0GHz(3.0-18.0GHz)和15.6GHz(2.4-18.0GHz)。为探究羰基铁吸波涂层的短时使用温度范围,本研究以有机硅树脂(SI)作为基体,制备了单层耐温吸波涂层(FCI/SCI/SI)。研究结果表明,随着测试温度的升高,羰基铁涂层的吸波性能随之下降,特别是在温度高于300℃时尤为显著。这主要是由于羰基铁被氧化生成了Fe3O4和Fe203组成的混合物,使其磁损耗能力下降所致。当SCI:FCI:SI的质量比为0.75:0.75:1时,该类涂层在25-300℃的温度范围内吸波性能最优,有望实现导弹类武器的雷达隐身需求。其次,在羰基铁吸波涂层中加入了石墨烯(G),利用石墨烯介电损耗强和轻质的特性,通过成分优化和比例调控实现了宽频薄层的吸波涂层制备,同时探究了不同温度下耐温涂层(G/SCI/SI)的吸波性能。结果表明,石墨烯的引入可明显改善涂层在低频区的吸波性能,有利于拓宽涂层RL<-5dB的带宽。这是由于石墨烯的加入,可形成大量的石墨烯-羰基铁-基体的异质界面和完整的导电网络,从而提升了涂层的介电损耗能力。然而,高导电性的石墨烯加入使涂层对电磁波的反射作用增强,导致涂层RL<-10dB的带宽变窄。此外,G/SCI/SI涂层可用于25-200℃温度范围内的短时宽频吸波,当SCI:SI:G的质量比为3:1:0.02时吸波性能最优,在温度为25℃、100℃和200℃时,对应的RL<-5dB的带宽均达到了15.0GHz以上。再者,为了延伸羰基铁的使用寿命和应用范围,本研究通过St?ber方法和溶胶法,将Si02和BaTi03包覆至羰基铁表面,显著提升了羰基铁的耐温抗氧化性。系统研究了不同温度长时间热处理对包覆型羰基铁的吸波性能、物相和形貌的影响。结果表明,未包覆的羰基铁经过200℃/100h的热处理后,介电常数实部和虚部大幅度增加,而磁导率出现一定程度的下降,导致其阻抗匹配和吸波性能骤降,这主要与羰基铁在长时间热处理过程中晶粒粗化和氧化程度增加有关。相比而言,包覆处理可显著降低羰基铁被氧化的程度,其中FCI@Si02经过200℃/100h和250℃/100h的连续热处理后,在厚度仅为1.4mm时 RL<-10dB 的带宽仍高达 5.4GHz(9.5-14.9GHz);SCI@BaTi03@SiO2经过 200℃/100h、250℃/100h、300℃/100h和350℃/100h的连续热处理后,在厚度为1.8mm时RL<-10dB的带宽仍有4.8GHz(12.4-17.2GHz)。此外,制备了 SCI@Si02/SI耐温涂层并对其进行300℃/100h的热处理,结果显示涂层热处理前后的吸波性能变化较小,热处理后其RL<-5dB和-10dB的带宽仍有11.2GHz(6.8-18.0GHz)和5.8GHz(9.0-14.8GHz)。最后,通过化学修饰的方法,设计合成了聚(苯基-碳硼烷)(PPB聚合物)改性的氧化石墨烯复合材料(GO-PPB),并将其作为吸波剂利用介电-磁性协同效应优化了SCI@SiO2涂层的吸波性能。结果表明,将PPB聚合物引入至GO表面上,显著提升了GO的介电性能和微波损耗能力,使GO-PPB仅在厚度为1.1mm和填料为20wt.%的条件下,RL<-10dB的带宽就达到了3.6GHz(14.2-17.8GHz)。GO-PPB具有优异的耐温抗氧化性,经过200℃/100h、250℃/100h和300℃/100h的连续热处理后,其介电常数和电磁波损耗能力均有一定程度的提升,这主要是由于长时间热处理使得氧化石墨烯的还原程度和有序度有所提升造成的。此外,利用GO-PPB成功拓宽了 SCI@SiO2涂层的吸波频带,当SCI@SiO2:SI:GO-PPB的质量比为2.5:1:0.02时,其RL<-5dB和-10dB 的带宽分别高达 14.9GHz(3.1-18.0GHz)和9.7GHz(4.4-9.9GHz和13.3-17.5GHz);而且该涂层样品经过300℃/100h的热处理后,其吸波性能基本保持不变,展现出了优异的耐温抗氧化性。
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