第28卷第8期2006年8月北京科技大学学报
JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing
Vol.28No.8Aug.2006
复合型雷达吸波材料
周志飚1) 郭志猛1) 毛卫民2) 潘 成2) 方 鲲2)
1)北京科技大学粉末冶金研究所,北京100083 2)北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083
摘 要 研制了一种由羰基铁粉和导电聚苯胺(PAn).通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM);复合吸收剂019mm单层吸波涂层在6～18通过设计还可以进一步拓宽频带和增强吸收.、.关键词 ;分类号 吸波材料的广泛使用是隐身技术的一种重要手段.近年来,各种新型吸波材料报道层出不穷.如美国的“超黑粉”,据称这是一种纳米材料,对雷
达波吸收率高达90%(-10dB);另外,美国Carnegie2Mellon大学研究的视黄基席夫碱为一种
时具备较高的介电参数和磁参数的材料.北京科技大学利用复合材料制备技术,把两种主要组分进行功能复合,得到了一种重量较轻、频带较宽的新型吸波材料.
带共轭双键的高分子材料,它的物理性能与石墨相似,黑色,具有强极性,密度只有铁氧体的1/10,利于隐身涂层的轻质化;波音公司按照“坑道”结构原则制造的雷达吸波材料为超高频吸收剂,能有效地吸收以任何角度入射的和极化的电磁波能量,并没有再辐射能;俄罗斯Su-37采用离子隐身技术[1],兼顾雷达隐身和空气动力学,引起许多国家的重视;另外,俄罗斯采用涂覆吸波涂层的方法,对早期战机进行了隐身化改造,收效良好;法国宣布制备了一种新型纳米材料[2
3]
1 实验方法
111 原料的制备与预处理
首先取两次蒸馏提纯后苯胺616g,
加入到1mol・L-1的盐酸溶液150mL中,中速搅拌,加入
分析纯氯化锂15g;再将13g分析纯过硫酸氨溶于1mol・L-1的盐酸溶液50mL中,1h内逐滴加入到上述溶液中,并维持反应体系温度为5℃,继续反应20h;最后,将反应完成液体过滤后,分别用丙酮、去离子水等多次洗涤,低温烘干.用同样方式制备足够数量的高纯掺杂态导电聚苯胺,封存备用.将高纯羰基铁粉经过分级筛选后,在氢气保护下低温退火.所得材料密封备用.112 典型复合吸收剂的制备
,主要成
分为CoNi,在1～8GHz频率范围内磁导率的实
)和虚部(μ)均大于6,有可能以此开发出部(μ′″薄层宽频吸波材料;而GAMMA公司研制的多晶铁纤维已应用于法国国家战略防御部队[4国科学家在纳米铁氧体[6]、高分子材料维[9]以及手征材料等[10
11]
8]5]
.我将羰基铁粉分散到含1%偶联剂的乙醇中,高速分散5min后超声处理10min,循环三次后离心分离.
取初步偶联处理羰基铁粉100g,偶联剂若干加入到200mL乙醇/丙酮混合液中,超声处理10min,加入掺杂态聚苯胺10g,继续超声处理1h,固液分离后烘干、粉碎、分级筛选,密封存放
、铁纤
方面进行了深入研究,
取得了良好的效果和丰富的经验.
在隐身材料的研究中,阻抗匹配一直是材料开发的难点.如果一种材料同时具有较高的介电参数和较高的磁参数,并且随着频率的上升而逐渐降低,则十分利于开发成为实用的微波吸收材料.然而,对于单组分材料来说很难找到一种同
收稿日期:20050710 修回日期:200509),男,硕士研究生;郭志猛(1959—),作者简介:周志飚(1981—
男,教授,博士
备用.
113 性能检测与样品制备
将复合粉末制成SEM样品,用扫描电子显微镜(SEM)观察其形貌,并与原先高纯铁粉形貌作对比,观察包覆情况;取少量复合粉末,经过超
Vol.28No.8周志飚等:复合型雷达吸波材料
・767・
声分散后滴到带碳膜的铜栅上,用透射电子显微镜(TEM)观察其包覆情况.
将基体材料(环氧树脂)与复合吸收剂按照8∶2比例(体积比)配制涂料,均匀喷涂到180mm×180mm×5mm标准吸波样板上,低温烘干后测试反射率曲线(测试单位:北京航空材料
研究院.测试方法:弓形法).
2 结果与讨论
211 复合型吸波材料的微观表征
形貌
Fig. poriginalironpow
der
对比图1和图2可以发现,经过复合后,.观察,如图3所示明的物质.密,因此表现为半透明衬度.这一现象直观地证实了前面结论
.212 复合型吸波涂层性能
分别制备传统吸波材料(羰基铁粉)、新开发复合吸波材料的标准反射率测试样品(分别为1#
图2 复合吸收剂的SEM形貌
Fig.2 SEMpatternofthecompositeabsorbent
图3 复合吸收剂的TEM形貌
Fig.3 TEMpatternsofthecompositeabsorbent
和2#吸波样品),进行对比实验.在此基础上,制备高含量复合吸波材料涂层和多层结构吸波涂层
样品(分别为3#和4#吸波样品),初步认识新开发材料的性能潜力.其中,1#样品羰基铁粉体积分数为20%,涂层厚度2mm;2#样品复合吸收剂体积分数为20%,样品厚度115mm;3#提高吸收剂体积分数至40%,涂层厚度019mm;4#样品为验证性涂层,通过在标准样板上依次喷涂不同特性的涂层而得到复合涂层,最终厚度2mm.
结合图4与图5可以看出复合吸收剂的吸波特性.由于二者均为简单的单涂层样品,而且厚度比较接近,虽然复合吸收剂涂层比传统羰基铁粉所制备的吸波涂层稍薄,但是这种新型材料制备的吸波涂层比传统羰基铁粉吸收剂涂层具有更
宽的频率响应特性和更低的反射率.通过图6更能说明宽频响应,这种复合吸收剂可以在较薄的厚度下,使得6～18GHz范围内电磁波衰减5dB.
结合图6和图7可知,4#样品的低频性能相对于3#样品有了明显改进,而且中高频性能也有所提高.由于实验周期短、时间紧张,4#样品只是将低频吸波涂层和高频吸波涂层加以叠加,以验证涂层性能.相信,通过合理设计,可以使涂层性能进一步提高,达到实用水平.
羰基铁粉/聚苯胺复合吸收剂比传统羰基铁粉性能更加优异,认为主要有两方面原因:一是目前得到的吸收剂电磁参数比较合理,既拥有较高
的介电参数同时拥有较高的磁导率,这种配比使涂层阻抗特性比较接近空气,从而使表面反射大
・768・
北 京 科 技 大 学 学 报2006年第8期
图4 1#样品反射率测试曲线
Fig.4
ReflectancecurveofSample1
74#样品反射率测试曲线
Fig.7 ReflectancecurveofSample4
好,提高了涂层强度;导电聚苯胺抗腐蚀性能优
异,增强了涂层中铁的耐氧化性能,提高了涂层的环境稳定性;另外,导电聚苯胺的制备相对比较简单,合成成本不高,利于降低工程成本,制备较为廉价的吸波材料.
3 结论
通过初步实验,使介电类材料和磁性材料达到了微观复合,吸波频宽得到了拓展.这种新型吸波材料可应用于吸波涂层,也可作为填料加入到构件,因其良好的理化性能,有望开发成为隐身化改造或者制造宽频吸波器件的重要材料.
参 考 文 献
[1] 阿列克谢耶夫АГ,陈开来.隐身技术的物理学基础.北
图5 2#样品反射率测试曲线
Fig.5 ReflectancecurveofSample2
京:兵器工业出版社,2002:75
[2] 胡传 .隐身涂层技术.北京:化学工业出版社,2004:206[3] 陈益邻,李文信.国外武器装备隐身化的发展趋势和发展
情况.隐身技术,2000(1):2
[4] 姬海宁,兰中文,王豪才.纳米技术在磁性材料中的应用.
磁性材料及器件,2002,33(2):25
图6 3#样品反射率测试曲线
Fig.6 ReflectancecurveofSample3
[5] 刘顺华,郭辉进.电磁屏蔽与吸波材料.功能材料与器件
学报,2002,8(3):213
[6] WanMX,ZhouJH.Compositeofpolyanilinecontainingiron
oxideswithnanometersize.Synth
Met,1996,78:27[7] FawzR,MartinIM.MicrowavepropertiesofEPDM/PAni2
DBSablends.SynthMet,2001,119:435
[8] 孔德明,刘祖黎,冯建辉,等.掺杂聚苯胺吸波材料的研
大减少;二是介电损耗型吸收剂和磁损耗型吸收
剂通过微观复合,出现了复合效应,即复合材料性能并非单相材料的加和而是接近单相性能之乘积.在这种复合吸收剂中,同时具备电损和磁损,而且存在磁性颗粒与介电颗粒间的界面效应,这就增加了材料对电磁波的衰减.较之于聚苯胺或者羰基铁的简单涂层较窄的有限频宽,这种复合吸收剂制备的吸波涂层拥有更大的吸波带宽.
由于导电聚苯胺密度较低,利于降低涂层质量;导电聚苯胺是一种有机材料,与基体的结合较
究.高分子材料科学与工程,2000,6(3):169
[9] 赵振声,聂彦,张秀成.多晶铁纤维微波吸收剂的分级改
性及其应用初探.磁性材料及器件,2004,35(3):32
[10] 黄云霞,曹全喜,卫云鸽,等.零维纳米Fe2O3粉体的制
备与吸波性能的研究.功能材料与器件学报,2004,10
(2):251
[11] 孟建华,杨桂琴,严乐美,等.吸波材料研究进展.磁性
材料及器件,2004,35(3):11
Vol.28No.8周志飚等:复合型雷达吸波材料
・769・
Acompositeradarabsorbingmaterial
ZHOUZhibiao1,GUOZhimeng1,MAOWeimin2,PANCheng2,FANGKun2
1)InstituteofPowderMetallurgy,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China
2)SchoolofMaterialScienceandEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China
)
)
)
)
)
ABSTRACT Anewtypeofbroadbandradarabsorbingmaterial(RAM)withcarbonylironandconductionpolyaniline(PAn).BySEMandoftheproductwascarbonylironcoatedbyconductionpolyaniline,andthe19mmwiththecompositeabsorbentattenuatedabout5dBmicrowaveinThebandwidthcouldbebroad2enedandtheeffectofabsorbingstudy.ItshouldbeappliedasausefulRAMforitslightweight,2band.
KEYWORDS ;composite;broad2band
1,32dioxolanepretreatmenttoimprovetheinterfacialcharacteristicsofalithiumanode
DINGFei
1)
,LIUYuwen
2)
,HUXinguo
1)
1)DepartmentofAppliedChemistry,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China2)ResearchCentre,JJJBatteryCo.Ltd.,Jiangmen529000,China
ABSTRACT 1,32dioxolane(DOL)wasoriginally
usedtopretreatalithiummetalelectrodetoimproveitsinterfacialcharacteristics.Electrochemicalimpedancespectra(EIS)measurementsrevealedthat,aftertheDOLpretreatment,thelithiumelectrodehadbetterinterfacialstabilityduringimmersioninelectrolyteandasrepeatedcharge/dischargecycles.ItwasprovedbySEMthatthepretreatedonehassmoothermorpholo2gyandlessdendriteafterrepeatedcharge/dischargecycles.Consequentially,benefitingfromthebetterin2terfacecharacteristicsofthelithiumelectrode,therechargeablelithiumcellwithaDOL2pretreatedlithiumanodehadtheobviouslyenhanceddischargingperformanceandbettercyclability.KEYWORDS lithiumbattery;interfacialstability;1,32dioxolane;pretreatment;EIS
[摘自RareMetals,2006,25(4):297]
第28卷第8期2006年8月北京科技大学学报
JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing
Vol.28No.8Aug.2006
复合型雷达吸波材料
周志飚1) 郭志猛1) 毛卫民2) 潘 成2) 方 鲲2)
1)北京科技大学粉末冶金研究所,北京100083 2)北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083
摘 要 研制了一种由羰基铁粉和导电聚苯胺(PAn).通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM);复合吸收剂019mm单层吸波涂层在6～18通过设计还可以进一步拓宽频带和增强吸收.、.关键词 ;分类号 吸波材料的广泛使用是隐身技术的一种重要手段.近年来,各种新型吸波材料报道层出不穷.如美国的“超黑粉”,据称这是一种纳米材料,对雷
达波吸收率高达90%(-10dB);另外,美国Carnegie2Mellon大学研究的视黄基席夫碱为一种
时具备较高的介电参数和磁参数的材料.北京科技大学利用复合材料制备技术,把两种主要组分进行功能复合,得到了一种重量较轻、频带较宽的新型吸波材料.
带共轭双键的高分子材料,它的物理性能与石墨相似,黑色,具有强极性,密度只有铁氧体的1/10,利于隐身涂层的轻质化;波音公司按照“坑道”结构原则制造的雷达吸波材料为超高频吸收剂,能有效地吸收以任何角度入射的和极化的电磁波能量,并没有再辐射能;俄罗斯Su-37采用离子隐身技术[1],兼顾雷达隐身和空气动力学,引起许多国家的重视;另外,俄罗斯采用涂覆吸波涂层的方法,对早期战机进行了隐身化改造,收效良好;法国宣布制备了一种新型纳米材料[2
3]
1 实验方法
111 原料的制备与预处理
首先取两次蒸馏提纯后苯胺616g,
加入到1mol・L-1的盐酸溶液150mL中,中速搅拌,加入
分析纯氯化锂15g;再将13g分析纯过硫酸氨溶于1mol・L-1的盐酸溶液50mL中,1h内逐滴加入到上述溶液中,并维持反应体系温度为5℃,继续反应20h;最后,将反应完成液体过滤后,分别用丙酮、去离子水等多次洗涤,低温烘干.用同样方式制备足够数量的高纯掺杂态导电聚苯胺,封存备用.将高纯羰基铁粉经过分级筛选后,在氢气保护下低温退火.所得材料密封备用.112 典型复合吸收剂的制备
,主要成
分为CoNi,在1～8GHz频率范围内磁导率的实
)和虚部(μ)均大于6,有可能以此开发出部(μ′″薄层宽频吸波材料;而GAMMA公司研制的多晶铁纤维已应用于法国国家战略防御部队[4国科学家在纳米铁氧体[6]、高分子材料维[9]以及手征材料等[10
11]
8]5]
.我将羰基铁粉分散到含1%偶联剂的乙醇中,高速分散5min后超声处理10min,循环三次后离心分离.
取初步偶联处理羰基铁粉100g,偶联剂若干加入到200mL乙醇/丙酮混合液中,超声处理10min,加入掺杂态聚苯胺10g,继续超声处理1h,固液分离后烘干、粉碎、分级筛选,密封存放
、铁纤
方面进行了深入研究,
取得了良好的效果和丰富的经验.
在隐身材料的研究中,阻抗匹配一直是材料开发的难点.如果一种材料同时具有较高的介电参数和较高的磁参数,并且随着频率的上升而逐渐降低,则十分利于开发成为实用的微波吸收材料.然而,对于单组分材料来说很难找到一种同
收稿日期:20050710 修回日期:200509),男,硕士研究生;郭志猛(1959—),作者简介:周志飚(1981—
男,教授,博士
备用.
113 性能检测与样品制备
将复合粉末制成SEM样品,用扫描电子显微镜(SEM)观察其形貌,并与原先高纯铁粉形貌作对比,观察包覆情况;取少量复合粉末,经过超
Vol.28No.8周志飚等:复合型雷达吸波材料
・767・
声分散后滴到带碳膜的铜栅上,用透射电子显微镜(TEM)观察其包覆情况.
将基体材料(环氧树脂)与复合吸收剂按照8∶2比例(体积比)配制涂料,均匀喷涂到180mm×180mm×5mm标准吸波样板上,低温烘干后测试反射率曲线(测试单位:北京航空材料
研究院.测试方法:弓形法).
2 结果与讨论
211 复合型吸波材料的微观表征
形貌
Fig. poriginalironpow
der
对比图1和图2可以发现,经过复合后,.观察,如图3所示明的物质.密,因此表现为半透明衬度.这一现象直观地证实了前面结论
.212 复合型吸波涂层性能
分别制备传统吸波材料(羰基铁粉)、新开发复合吸波材料的标准反射率测试样品(分别为1#
图2 复合吸收剂的SEM形貌
Fig.2 SEMpatternofthecompositeabsorbent
图3 复合吸收剂的TEM形貌
Fig.3 TEMpatternsofthecompositeabsorbent
和2#吸波样品),进行对比实验.在此基础上,制备高含量复合吸波材料涂层和多层结构吸波涂层
样品(分别为3#和4#吸波样品),初步认识新开发材料的性能潜力.其中,1#样品羰基铁粉体积分数为20%,涂层厚度2mm;2#样品复合吸收剂体积分数为20%,样品厚度115mm;3#提高吸收剂体积分数至40%,涂层厚度019mm;4#样品为验证性涂层,通过在标准样板上依次喷涂不同特性的涂层而得到复合涂层,最终厚度2mm.
结合图4与图5可以看出复合吸收剂的吸波特性.由于二者均为简单的单涂层样品,而且厚度比较接近,虽然复合吸收剂涂层比传统羰基铁粉所制备的吸波涂层稍薄,但是这种新型材料制备的吸波涂层比传统羰基铁粉吸收剂涂层具有更
宽的频率响应特性和更低的反射率.通过图6更能说明宽频响应,这种复合吸收剂可以在较薄的厚度下,使得6～18GHz范围内电磁波衰减5dB.
结合图6和图7可知,4#样品的低频性能相对于3#样品有了明显改进,而且中高频性能也有所提高.由于实验周期短、时间紧张,4#样品只是将低频吸波涂层和高频吸波涂层加以叠加,以验证涂层性能.相信,通过合理设计,可以使涂层性能进一步提高,达到实用水平.
羰基铁粉/聚苯胺复合吸收剂比传统羰基铁粉性能更加优异,认为主要有两方面原因:一是目前得到的吸收剂电磁参数比较合理,既拥有较高
的介电参数同时拥有较高的磁导率,这种配比使涂层阻抗特性比较接近空气,从而使表面反射大
・768・
北 京 科 技 大 学 学 报2006年第8期
图4 1#样品反射率测试曲线
Fig.4
ReflectancecurveofSample1
74#样品反射率测试曲线
Fig.7 ReflectancecurveofSample4
好,提高了涂层强度;导电聚苯胺抗腐蚀性能优
异,增强了涂层中铁的耐氧化性能,提高了涂层的环境稳定性;另外,导电聚苯胺的制备相对比较简单,合成成本不高,利于降低工程成本,制备较为廉价的吸波材料.
3 结论
通过初步实验,使介电类材料和磁性材料达到了微观复合,吸波频宽得到了拓展.这种新型吸波材料可应用于吸波涂层,也可作为填料加入到构件,因其良好的理化性能,有望开发成为隐身化改造或者制造宽频吸波器件的重要材料.
参 考 文 献
[1] 阿列克谢耶夫АГ,陈开来.隐身技术的物理学基础.北
图5 2#样品反射率测试曲线
Fig.5 ReflectancecurveofSample2
京:兵器工业出版社,2002:75
[2] 胡传 .隐身涂层技术.北京:化学工业出版社,2004:206[3] 陈益邻,李文信.国外武器装备隐身化的发展趋势和发展
情况.隐身技术,2000(1):2
[4] 姬海宁,兰中文,王豪才.纳米技术在磁性材料中的应用.
磁性材料及器件,2002,33(2):25
图6 3#样品反射率测试曲线
Fig.6 ReflectancecurveofSample3
[5] 刘顺华,郭辉进.电磁屏蔽与吸波材料.功能材料与器件
学报,2002,8(3):213
[6] WanMX,ZhouJH.Compositeofpolyanilinecontainingiron
oxideswithnanometersize.Synth
Met,1996,78:27[7] FawzR,MartinIM.MicrowavepropertiesofEPDM/PAni2
DBSablends.SynthMet,2001,119:435
[8] 孔德明,刘祖黎,冯建辉,等.掺杂聚苯胺吸波材料的研
大减少;二是介电损耗型吸收剂和磁损耗型吸收
剂通过微观复合,出现了复合效应,即复合材料性能并非单相材料的加和而是接近单相性能之乘积.在这种复合吸收剂中,同时具备电损和磁损,而且存在磁性颗粒与介电颗粒间的界面效应,这就增加了材料对电磁波的衰减.较之于聚苯胺或者羰基铁的简单涂层较窄的有限频宽,这种复合吸收剂制备的吸波涂层拥有更大的吸波带宽.
由于导电聚苯胺密度较低,利于降低涂层质量;导电聚苯胺是一种有机材料,与基体的结合较
究.高分子材料科学与工程,2000,6(3):169
[9] 赵振声,聂彦,张秀成.多晶铁纤维微波吸收剂的分级改
性及其应用初探.磁性材料及器件,2004,35(3):32
[10] 黄云霞,曹全喜,卫云鸽,等.零维纳米Fe2O3粉体的制
备与吸波性能的研究.功能材料与器件学报,2004,10
(2):251
[11] 孟建华,杨桂琴,严乐美,等.吸波材料研究进展.磁性
材料及器件,2004,35(3):11
Vol.28No.8周志飚等:复合型雷达吸波材料
・769・
Acompositeradarabsorbingmaterial
ZHOUZhibiao1,GUOZhimeng1,MAOWeimin2,PANCheng2,FANGKun2
1)InstituteofPowderMetallurgy,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China
2)SchoolofMaterialScienceandEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China
)
)
)
)
)
ABSTRACT Anewtypeofbroadbandradarabsorbingmaterial(RAM)withcarbonylironandconductionpolyaniline(PAn).BySEMandoftheproductwascarbonylironcoatedbyconductionpolyaniline,andthe19mmwiththecompositeabsorbentattenuatedabout5dBmicrowaveinThebandwidthcouldbebroad2enedandtheeffectofabsorbingstudy.ItshouldbeappliedasausefulRAMforitslightweight,2band.
KEYWORDS ;composite;broad2band
1,32dioxolanepretreatmenttoimprovetheinterfacialcharacteristicsofalithiumanode
DINGFei
1)
,LIUYuwen
2)
,HUXinguo
1)
1)DepartmentofAppliedChemistry,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China2)ResearchCentre,JJJBatteryCo.Ltd.,Jiangmen529000,China
ABSTRACT 1,32dioxolane(DOL)wasoriginally
usedtopretreatalithiummetalelectrodetoimproveitsinterfacialcharacteristics.Electrochemicalimpedancespectra(EIS)measurementsrevealedthat,aftertheDOLpretreatment,thelithiumelectrodehadbetterinterfacialstabilityduringimmersioninelectrolyteandasrepeatedcharge/dischargecycles.ItwasprovedbySEMthatthepretreatedonehassmoothermorpholo2gyandlessdendriteafterrepeatedcharge/dischargecycles.Consequentially,benefitingfromthebetterin2terfacecharacteristicsofthelithiumelectrode,therechargeablelithiumcellwithaDOL2pretreatedlithiumanodehadtheobviouslyenhanceddischargingperformanceandbettercyclability.KEYWORDS lithiumbattery;interfacialstability;1,32dioxolane;pretreatment;EIS
[摘自RareMetals,2006,25(4):297]