碳納米管/納米四氧化三鐵聚乙烯復合板的吸波性能研究

贠凱迪，張昭環

(西安工程大學，陜西 西安 710048)

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碳納米管/納米四氧化三鐵聚乙烯復合板的吸波性能研究

贠凱迪，張昭環

(西安工程大學，陜西 西安 710048)

文章選用低密度聚乙烯作為基體材料，分別與碳納米管(CNT)吸收劑、納米Fe3O4吸收劑融合，制備吸波復合板材。采用網絡分析儀-波導管系統分析了吸波劑濃度、板材厚度對吸波性能的影響。研究發現，CNT復合板材的厚度為3.6 mm時，最佳吸收劑濃度為1.5%，回損在9.96 GHz處達到最大值-40.92 dB；納米Fe3O4吸波材料厚度為3.6 mm時，回損隨吸收劑濃度增加而增大，在濃度2.0%時，回損在9.44 GHz處可達-23.95 dB。復合板材的吸波性能隨板材厚度的增加而增強。板材厚度相同時，同濃度的CNT的吸波性能優于納米Fe3O4。

碳納米管；納米四氧化三鐵；低密度聚乙烯；吸波性能

吸波材料應用廣泛。在軍事領域，隨著美國U-2高空偵察機、B-2隱形轟炸機等機型的出現，吸波材料開始顯現出其在國防應用中的重要地位；在社會生活中，電磁污染會對人體中樞神經、機體免疫功能、心血管系統等造成潛在損害。吸波材料可以為人體提供一定的防護，減少電磁波危害[1]。

吸波材料一般由基體材料與吸收劑復合而成，可將投射到它表面的電磁波能量吸收，并通過材料的介質損耗使電磁波能量轉化為熱能或其他形式的能量[2]。目前國內外正在研究的吸波材料從損耗機理上來說，可分為電阻型、電介質型以及磁介質型吸波材料；按材料成型工藝和承載能力及應用方式可分為涂覆型和結構型；按吸波原理可分為吸收型和干涉型；其次還有一些新型吸波材料，包括手性材料、納米材料、等離子體吸波材料、導電高聚物吸波材料等。鐵氧體吸波材料對電磁波的損耗同時包括介電損耗和磁損耗，具有磁電效應，其中最主要的損耗機制為剩余損耗中的鐵磁自然共振吸收[3]。納米材料具有量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應及界面效應，使其在光、電、磁等物理性質方面發生質的變化，具有吸波、透波、偏振特性，并且頻帶寬、兼容性好、質量輕、厚度薄[4]。

碳納米管質輕，具有特殊的介電性能、高溫抗氧化性和穩定性好等優點。由于碳納米管具有高比表面積、大量可以使界面極化的懸掛鍵以及宏觀量子隧道效應，因此具有良好的吸波性能[5]。納米Fe3O4吸波材料既是磁介質又是電介質，同時具有磁吸收和電吸收性能，是很好的吸收材料，擁有體積小、成本低等優點，廣泛應用于民用和軍事領域[6]。

本文分別以碳納米管、納米Fe3O4作為吸收劑，與基體材料聚乙烯復合，制備出不同厚度系列、不同含量的系列樣品，并對其在6.57 GHz～9.99 GHz波段的吸波性能進行測試研究。

1　實驗

1.1材料

1.1.1試劑

低密度聚乙烯，CNT(碳納米管)，納米Fe3O4。

1.1.2儀器

FA2104-N型電子天平，KY-3203-120型混合開煉機，XTM105F-5T型油壓機，6.57 GHz～9.99 GHz波導管，N5230A型網絡分析儀。

1.2樣品制備

1.2.1根據樣品板吸波劑百分比含量要求，稱取適量的CNT、納米Fe3O4以及低密度聚乙烯。啟動混合開煉機，設定溫度為150℃，當溫度到達設定溫度時加入約1/2低聚乙烯，當聚乙烯呈熔融狀態時，加入約1/3 CNT或納米Fe3O4；在后面的混煉過程中，緩慢加入剩余的低密度聚乙烯及CNT或納米Fe3O4，混煉均勻。

1.2.2將熔體轉移到油壓機上，制備不同厚度的CNT或納米Fe3O4聚乙烯復合板。

1.3儀器

測試采用網絡分析儀-波導管系統，可同時測試回損和插損，系統組成如圖1所示。

圖1　網絡分析儀-波導管測試裝置原理示意圖

將所制備樣品裁剪成適當的尺寸，置于測試夾具中，然后將測試夾具安裝在波導管的樣品測試部位進行測試。由于吸波材料在實際應用中通常是用來衰減金屬對電磁波的反射，因此，采用樣品背襯金屬板，測量回損的測試法。在這種情況下，透射為0，吸波性能越好的材料，其回損越大。

2　結果與討論

2.1碳納米管吸波性能

2.1.1碳納米管含量對吸波性能的影響

CNT板材厚度為3.6 mm時，不同含量的回損值，見圖2。

從圖2可以明顯看出，當CNT吸波材料厚度為3.6 mm，隨著碳納米管濃度的增加，吸波性能增強。吸收劑百分比含量為1.5%時，回損達到最大值-40.92 dB，波峰在9.96 GHz處。隨著CNT濃度的繼續增加，超過1.5%后，回損值隨之增加，吸波性能減弱。研究表明：CNT存在滲流相變閾值[7]。CNT為電損耗型材料，處于半導通狀態時，吸波性能最好；隨著CNT含量的增加，當含量超過導通點，CNT復合板材處于導電狀態，反射增強，吸波性能減弱。圖2中波形不完整，這是因為測試使用的波導管工作波段為6.57 GHz～9.99 GHz，最大吸收峰剛好接近工作波段的上限。

圖2　不同含量CNT的復合板材的回損值

2.1.2板材厚度對吸波性能的影響

板材厚度可以采用一次性壓片成型，也可以采用較薄的板材疊層來實現，為比較兩種方式對吸波性能的影響，采用CNT含量1.5%，1.2 mm厚的板材，層疊后進行測試，并和疊層厚度相同的單層板材進行吸波性能對比，測試結果見圖3和圖4。

圖3　單層CNT板材的回損值

對比圖3、圖4，當吸收劑百分比含量為1.5%時，單層2.4 mm的CNT板材，回損在9.09 GHz處達-5.38 dB；兩疊層1.2 mm×2的CNT板材，回損在9.11 GHz處達-22.94 dB；單層3.6 mm的CNT板材，回損在9.96 GHz處達-40.92 dB；三疊層1.2 mm×3的CNT板材，回損在9.14 GHz處達-34.62 dB。單層或疊層厚度的CNT板材都是隨著吸波材料厚度的增加，回損值隨之減小，吸波材料吸波性能增強。單層2.4 mm CNT板材的吸波性能差于兩疊層板材，此時厚度為主要因素，由于兩疊層板材與金屬板之間發生多次反射，吸波性能減弱。單層3.6 mm CNT板材的吸波性能優于三疊層板材，這是因為此時吸收占主要因素。

圖4　疊層CNT板材的回損值

2.2納米Fe3O4吸波性能

2.2.1納米Fe3O4含量對吸波性能的影響

納米Fe3O4板材厚度為3.6 mm時，不同含量的回損值，見圖5。

圖5　不同含量納米Fe3O4的復合板材的回損值

從圖5可明顯看出，當納米Fe3O4吸波材料厚度為3.6 mm時，吸收劑百分比含量為2.0%時，回損在9.44 GHz處達到最大值-23.95 dB。隨著納米Fe3O4濃度的增加，吸波性能隨之增強。納米Fe3O4非導電材料，不存在滲流相變閾值，繼續增加其濃度，吸波性能會繼續增強。但是，在熔體中繼續加入納米Fe3O4，必定會對流體流動性能產生影響，因此吸收劑含量并非無上限。

2.2.2板材厚度對吸波性能的影響

采用納米Fe3O4含量2.0%，1.2 mm厚的板材，層疊后進行測試，并和疊層厚度相同的單層板材進行吸波性能對比，見圖6和圖7。

圖6　單層納米Fe3O4板材的回損值

圖7　疊層納米Fe3O4板材的回損值

對比圖6、圖7，吸收劑百分比含量為2.0%，單層2.4 mm的納米Fe3O4板材，回損在9.33 GHz處達-6.03 dB；兩疊層1.2 mm×2的納米Fe3O4板材，回損在9.08 GHz處達-11.03 dB；單層3.6 mm的納米Fe3O4板材，回損在9.44 GHz處達-23.95 dB；三疊層1.2 mm×3的納米Fe3O4板材，回損在9.08 GHz處達-13.92 dB。對單層或疊層板材來說，隨著板材厚度的增加，吸波性能增強。與CNT板材相同，兩疊層的納米Fe3O4板材的厚度為主要因素，吸波性能優于單層2.4mm的板材；對三疊層的納米Fe3O4板材來說，吸收占主要因素，單層板材的吸波性能更好。

從各回損值圖中可以看出，厚度一定時，板材疊層后的波峰位置相較于單層板材的峰位向低頻方向移動。

3　結論

本研究通過制備不同厚度、不同吸收劑百分比含量的吸波材料樣品板材，測試發現：

3.1當板材厚度一定時，對CNT板材來說，存在滲流相變閾值，當百分比含量為1.5%時，材料吸波性能最佳，大于或小于此數值，吸波性能下降；對納米Fe3O4板材而言，不存在滲流相變閾值，隨著吸收劑百分比含量的增加，反射回損值減小，吸波性能增強。

3.2當CNT板材和納米Fe3O4板材吸收劑百分比含量一定時，隨著板材厚度的增加，反射回損值隨之減小，吸波材料吸波性能增強。兩疊層板材的吸波性能優于同厚度的單層板材，三疊層板材的吸波性能差于同厚度的單層板材。

3.3當吸波材料吸收劑百分比含量一定，板材厚度相同時，同濃度的CNT板材吸波性能優于納米Fe3O4板材。

[1]姚穆.紡織材料學(3版)[M].北京：中國紡織出版社，2009.

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Researches on Electromagnetic Wave Absorbing Properties of Carbon Nanotube /Iron Oxide Nanoparticle Polyethylene Composite Plates

YunKaidi,ZhangZhaohuan

(Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048, China)

In this article, low density polyethylene which was used as matrix material was mixed with carbon nanotube (CNT) absorbent or Fe3O4nanoparticle absorbent to make electromagnetic wave absorbing composite plates. A network analyzer-waveguide system was used to test absorbing properties. The results showed that when the thickness of CNT composite plate was 3.6 mm, the optimum concentration of CNT was 1.5%, the maximum return loss was -40.92 dB at 9.96 GHz; When the thickness of Fe3O4composite plate was 3.6 mm, return loss increased with the increasing concentration of Fe3O4nanoparticle, when it was 2.0%, the return loss was -23.95 dB at 9.44 GHz. Absorbing properties increased with the increasing thickness of plates. When the thickness and concentration were same, absorbing performance of CNT was better than what of Fe3O4nanoparticle.

carbon nanotube; Fe3O4nanoparticle; low density polyethylene; electromagnetic wave absorbing property

2016-05-25

陜西省大學生創新訓練項目(1570)；陜西省自然科學基礎研究計劃(2016JM5078)

贠凱迪(1994—)，男，陜西西安人 ，碩士研究生。

TS101.3+2

A

1009-3028(2016)05-0005-04