粘结剂: 硅溶胶(SiO₂含量28wt%); 填料: α-氧化铝粉(平均粒径5 μm); 吸收剂: 炭黑, 碳纤维; 分散剂: 十二烷基苯磺酸钠. 各原料的具体性能参数见表1.

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 实验原料各性能参数 Table 1 Characteristics of the raw materials Carbon fiber Carbon black α-Al2O3 Density 1.8 g/cm3 1.8 g/cm3 3.98 g/cm3 Purity >98% >99% >99% Size 7-10) μm×1 mm 30-40 nm 5 μm

表1 实验原料各性能参数 Table 1 Characteristics of the raw materials

按比例将填料、粘结剂、吸收剂和分散剂混合后球磨2 h, 使其混合均匀后制成涂料. 涂料中炭黑和碳纤维的含量为1wt%~4wt%, 硅溶胶与氧化铝的质量比为1:2. 刷涂前先将A3钢打磨(尺寸为 40 mm×40 mm×1.5 mm), 除掉其表面氧化物, 并用酒精清洗; 然后以手工涂刷的方式将涂料刷涂在A3钢表面. 每次刷涂约0.2 mm的吸波涂层, 然后在120℃烘箱中烘烤6 h, 待涂层变干后, 重复刷涂直至涂层厚度达到2 mm. 最后将涂层取下, 打磨至22.86 mm×10.16 mm×2.0 mm测试介电性能.

采用日本JEOL公司生产的JSM-6360LV型电子扫描显微镜观察吸波涂层的显微组织结构. 采用安捷伦E8362BPNA系列网络分析仪, 用波导法测试吸波涂层在X波段的介电常数.

吸波涂层的介电常数可用 ε＝ ε′+ j ε″来表示, 其中介电常数实部 ε′代表吸波涂层的极化能力; 介电常数虚部 ε″代表吸波涂层对电磁波的损耗能力. 根据电磁场理论, 材料的反射率可以通过材料的介电常数和磁导率计算出来. 对于单层吸波材料:

(1)

其中 Z₀是自由空间的阻抗, Z_in是输入阻抗. μ_r和 ε_r是吸波材料的相对磁导率和相对介电常数; f是输入波的频率; d是吸波涂层的厚度; c是真空中的光速. 吸波材料的反射率可由式(2)计算:

(2)

图1是分别以炭黑和碳纤维为吸收剂的吸波涂层表面的形貌照片. 从图1(a)中可以看出, 氧化铝颗粒通过无机粘结剂连结在一起, 形成致密的涂层. 从图1(a)的内嵌图中还可以看出, 粒径约为50 nm的吸收剂炭黑颗粒分散在氧化铝/氧化硅基体中, 没有明显的团聚现象. 从图1(b)中也可以看出, 碳纤维(黑色箭头所指)均匀地分布在基体中, 这些结果都说明本文制备的吸波涂层中吸收剂的分散性较好.

图1

Fig. 1

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	图1 吸波涂层的SEM照片Fig. 1 SEM images of the microwave-absorbing coating(a) Carbon black/alumina/silica coating; (b) Carbon fiber/alumina/ silica coating

图2和图3分别是不同炭黑或碳纤维含量吸波涂层在X波段的介电常数. 为了方便比较, 图2、3还给出了没有添加任何吸收剂时涂层的介电常数, 其实部约为9, 虚部几乎为0. 加入吸收剂后, 涂层的介电常数明显增大. 从图中还可以看出, 吸波涂层的介电常数的实部和虚部都随着吸收剂含量的增加而增大. 其中当炭黑含量从1wt%增加到4wt%, 涂层在8.2 GHz的介电常数实部从13.4增加到24.9(增加了1.9倍), 介电常数虚部从2.6增加到19.7(增加了7.6倍); 而在12.4 GHz时介电常数实部从12.6增加到16(增加了1.3倍), 介电常数虚部从2.4增加到14.3(增加了6倍). 从以上结果可以看出吸收剂含量的增加对介电常数虚部的影响大于实部. 介电常数实部反映了吸波涂层极化的能力, 而虚部则表征电磁波损耗. 由于氧化铝和二氧化硅是电介质, 电导率非常小, 对电磁波的损耗也很小, 因此他们的介电常数虚部几乎为零. 当加入高电导率的吸收剂后, 吸波涂层的电导率必然增加, 与此对应的漏导损耗使介电常数虚部也相应升高. 而其实部的增加则主要来自于吸收剂中自由电子对电磁波的响应, 在电场作用下自由电子在吸收剂内部迁移, 从而在吸收剂内部形成电偶极矩, 有利于介电常数实部增大. 显然添加的吸收剂越多, 吸波涂料中形成的电偶极矩越多, 极化的能力越强, 介电常数实部也随之增大. 此外, 炭黑和碳纤维中的弱束缚电子在电磁波的作用下也会产生弛豫极化, 该极化过程由于损耗能量, 因此对实部和虚部的增加均有贡献.

图2

Fig. 2

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	图2 不同炭黑含量的炭黑/氧化铝/二氧化硅吸波涂层的介电常数Fig. 2 Complex permittivity of carbon black/alumina/silica coatings with different contents of carbon black

图3

Fig. 3

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	图3 不同碳纤维含量的碳纤维/氧化铝涂层的介电常数Fig. 3 Complex permittivity of carbon fiber/alumina coatings with different contents of carbon fiber

从图2和图3中还可以看到, 随着吸收剂含量的增加, 吸波涂层的介电常数逐渐出现频散现象, 该现象有利于提高吸波涂层的吸波性能. 如当炭黑和碳纤维含量为1wt%时, 吸波涂层介电常数的实部和虚部在8.2~12.4 GHz频率范围内基本保持不变. 而当炭黑的含量大于3wt%, 碳纤维的含量大于 2wt%时, 吸波涂层的介电常数出现明显的频散现象, 也就是说吸波涂层的介电常数随频率增加而不断降低. 当炭黑含量为4wt%时, 吸波涂层介电常数的实部从8.2 GHz时的24.9下降到12.4 GHz时的16.3(下降了35%). 而含4wt%碳纤维的吸波涂层, 其介电常数实部从8.2GHz时的33.2下降到12.4 GHz时的26.9(下降了19%).

图4比较了吸收剂分别为炭黑和碳纤维时, 吸波涂层在8.2 GHz的介电常数. 从图4可以看出, 在相同吸收剂含量的情况下, 含碳纤维吸波涂层的介电常数实部与虚部均高于含炭黑的吸波涂层. 这主要是由于炭黑和碳纤维两者的形态不同造成的. 碳纤维是典型的一维材料, 其长径比远大于炭黑纳米颗粒, 当电磁波作用在碳纤维上时, 自由电子可以沿纤维长度方向流动, 极化强度和能量损耗能力均更大, 因此复介电常数也较大.

图4

Fig. 4

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	图4 碳纤维/氧化铝/二氧化硅吸波涂层与炭黑/氧化铝/二氧化硅涂层在8.2 GHz介电常数比较Fig. 4 Comparison of the complex permittivity of carbon black/alumina/ silica coatings and carbon fiber/alumina/silica coatings at 8.2 GHz

为了分析吸波涂层在X波段的介电损耗机制, 给出了吸波涂层复介电常数的柯尔-柯尔图, 图5为炭黑吸收剂的吸波涂层, 图6为碳纤维吸收剂的吸波涂层. 从图5, 6可以看出, 两种吸波涂层的柯尔–柯尔图均由两部分组成, 第一部分呈圆弧状, 第二部分为直线, 并且随着吸收剂含量的增加, 柯尔-柯尔图逐渐变成一条直线. 根据电介质物理知识可知, 当弛豫极化损耗占主导地位时, 柯尔-柯尔图为一个完整的半圆弧. 而当有漏导损耗产生时, 由于漏导的影响, 柯尔-柯尔图不再是一个完整的半圆, 而在低频端明显上翘^{[ 8]}. 从图5和图6中可以看出, 随吸收剂含量增加, 柯尔-柯尔图中对应弛豫极化损耗的半圆弧末端(低频端)不断上翘, 最后几乎成为一条直线, 这说明吸波涂层的介电损耗已逐渐由弛豫极化损耗主导转变为漏导损耗主导. 由以上结果可知, 当吸收剂含量增加时, 吸收剂的平均间距逐渐缩小, 它们之间接触的机会也增加, 自由电子越过势垒在吸收剂之间跳跃的几率也增加, 因此产生的漏导损耗也随之增加.

图5

Fig. 5

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	图5 不同炭黑含量炭黑/氧化铝吸波涂层的柯尔-柯尔图Fig. 5 Cole-Cole plots of the carbon black/alumina/silica coatings with different contents of carbon black

图6

Fig. 6

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	图6 不同碳纤维含量碳纤维/氧化铝涂层的柯尔-柯尔图Fig. 6 Cole-Cole plots of the carbon fiber/alumina/silica coatings with different contents of carbon fiber

图7是根据公式(1)和(2)计算的不同厚度吸波涂层的反射率曲线(吸收剂含量为2wt%), 从图中可以看出, 反射率的吸收峰随着涂层厚度的增加向低频方向移动, 并且在8.2~12.4 GHz范围内反射率均小于-5 dB(吸收70%的电磁波). 比较图7(a)和图7(b)可以发现, 以炭黑为吸收剂的吸波涂层反射率的峰值更低, 最低峰值达到-23 dB, 并且当涂层厚度为1.8 mm时, 在9.2~12.4 GHz范围内, 反射率小于-10 dB(吸收90%的电磁波), 具有较好的微波吸收能力.

图7

Fig. 7

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	图7 炭黑含量为2wt%(a)和碳纤维含量为2wt%(b)不同厚度吸波涂层的反射率Fig. 7 The reflection loss of the coatings with (a) 2wt% carbon black and (b) 2wt% carbon fiber