碳纳米管/纳米四氧化三铁聚乙烯复合板的吸波性能研究

贠凯迪，张昭环

(西安工程大学，陕西 西安 710048)



碳纳米管/纳米四氧化三铁聚乙烯复合板的吸波性能研究

贠凯迪，张昭环

(西安工程大学，陕西 西安 710048)

文章选用低密度聚乙烯作为基体材料，分别与碳纳米管(CNT)吸收剂、纳米Fe3O4吸收剂融合，制备吸波复合板材。采用网络分析仪-波导管系统分析了吸波剂浓度、板材厚度对吸波性能的影响。研究发现，CNT复合板材的厚度为3.6 mm时，最佳吸收剂浓度为1.5%，回损在9.96 GHz处达到最大值-40.92 dB；纳米Fe3O4吸波材料厚度为3.6 mm时，回损随吸收剂浓度增加而增大，在浓度2.0%时，回损在9.44 GHz处可达-23.95 dB。复合板材的吸波性能随板材厚度的增加而增强。板材厚度相同时，同浓度的CNT的吸波性能优于纳米Fe3O4。

碳纳米管；纳米四氧化三铁；低密度聚乙烯；吸波性能

吸波材料应用广泛。在军事领域，随着美国U-2高空侦察机、B-2隐形轰炸机等机型的出现，吸波材料开始显现出其在国防应用中的重要地位；在社会生活中，电磁污染会对人体中枢神经、机体免疫功能、心血管系统等造成潜在损害。吸波材料可以为人体提供一定的防护，减少电磁波危害[1]。

吸波材料一般由基体材料与吸收剂复合而成，可将投射到它表面的电磁波能量吸收，并通过材料的介质损耗使电磁波能量转化为热能或其他形式的能量[2]。目前国内外正在研究的吸波材料从损耗机理上来说，可分为电阻型、电介质型以及磁介质型吸波材料；按材料成型工艺和承载能力及应用方式可分为涂覆型和结构型；按吸波原理可分为吸收型和干涉型；其次还有一些新型吸波材料，包括手性材料、纳米材料、等离子体吸波材料、导电高聚物吸波材料等。铁氧体吸波材料对电磁波的损耗同时包括介电损耗和磁损耗，具有磁电效应，其中最主要的损耗机制为剩余损耗中的铁磁自然共振吸收[3]。纳米材料具有量子尺寸效应、宏观量子隧道效应及界面效应，使其在光、电、磁等物理性质方面发生质的变化，具有吸波、透波、偏振特性，并且频带宽、兼容性好、质量轻、厚度薄[4]。

碳纳米管质轻，具有特殊的介电性能、高温抗氧化性和稳定性好等优点。由于碳纳米管具有高比表面积、大量可以使界面极化的悬挂键以及宏观量子隧道效应，因此具有良好的吸波性能[5]。纳米Fe3O4吸波材料既是磁介质又是电介质，同时具有磁吸收和电吸收性能，是很好的吸收材料，拥有体积小、成本低等优点，广泛应用于民用和军事领域[6]。

本文分别以碳纳米管、纳米Fe3O4作为吸收剂，与基体材料聚乙烯复合，制备出不同厚度系列、不同含量的系列样品，并对其在6.57 GHz～9.99 GHz波段的吸波性能进行测试研究。

1　实验

1.1材料

1.1.1试剂

低密度聚乙烯，CNT(碳纳米管)，纳米Fe3O4。

1.1.2仪器

FA2104-N型电子天平，KY-3203-120型混合开炼机，XTM105F-5T型油压机，6.57 GHz～9.99 GHz波导管，N5230A型网络分析仪。

1.2样品制备

1.2.1根据样品板吸波剂百分比含量要求，称取适量的CNT、纳米Fe3O4以及低密度聚乙烯。启动混合开炼机，设定温度为150℃，当温度到达设定温度时加入约1/2低聚乙烯，当聚乙烯呈熔融状态时，加入约1/3 CNT或纳米Fe3O4；在后面的混炼过程中，缓慢加入剩余的低密度聚乙烯及CNT或纳米Fe3O4，混炼均匀。

1.2.2将熔体转移到油压机上，制备不同厚度的CNT或纳米Fe3O4聚乙烯复合板。

1.3仪器

测试采用网络分析仪-波导管系统，可同时测试回损和插损，系统组成如图1所示。

图1　网络分析仪-波导管测试装置原理示意图

将所制备样品裁剪成适当的尺寸，置于测试夹具中，然后将测试夹具安装在波导管的样品测试部位进行测试。由于吸波材料在实际应用中通常是用来衰减金属对电磁波的反射，因此，采用样品背衬金属板，测量回损的测试法。在这种情况下，透射为0，吸波性能越好的材料，其回损越大。

2　结果与讨论

2.1碳纳米管吸波性能

2.1.1碳纳米管含量对吸波性能的影响

CNT板材厚度为3.6 mm时，不同含量的回损值，见图2。

从图2可以明显看出，当CNT吸波材料厚度为3.6 mm，随着碳纳米管浓度的增加，吸波性能增强。吸收剂百分比含量为1.5%时，回损达到最大值-40.92 dB，波峰在9.96 GHz处。随着CNT浓度的继续增加，超过1.5%后，回损值随之增加，吸波性能减弱。研究表明：CNT存在渗流相变阈值[7]。CNT为电损耗型材料，处于半导通状态时，吸波性能最好；随着CNT含量的增加，当含量超过导通点，CNT复合板材处于导电状态，反射增强，吸波性能减弱。图2中波形不完整，这是因为测试使用的波导管工作波段为6.57 GHz～9.99 GHz，最大吸收峰刚好接近工作波段的上限。

图2　不同含量CNT的复合板材的回损值

2.1.2板材厚度对吸波性能的影响

板材厚度可以采用一次性压片成型，也可以采用较薄的板材叠层来实现，为比较两种方式对吸波性能的影响，采用CNT含量1.5%，1.2 mm厚的板材，层叠后进行测试，并和叠层厚度相同的单层板材进行吸波性能对比，测试结果见图3和图4。

图3　单层CNT板材的回损值

对比图3、图4，当吸收剂百分比含量为1.5%时，单层2.4 mm的CNT板材，回损在9.09 GHz处达-5.38 dB；两叠层1.2 mm×2的CNT板材，回损在9.11 GHz处达-22.94 dB；单层3.6 mm的CNT板材，回损在9.96 GHz处达-40.92 dB；三叠层1.2 mm×3的CNT板材，回损在9.14 GHz处达-34.62 dB。单层或叠层厚度的CNT板材都是随着吸波材料厚度的增加，回损值随之减小，吸波材料吸波性能增强。单层2.4 mm CNT板材的吸波性能差于两叠层板材，此时厚度为主要因素，由于两叠层板材与金属板之间发生多次反射，吸波性能减弱。单层3.6 mm CNT板材的吸波性能优于三叠层板材，这是因为此时吸收占主要因素。

图4　叠层CNT板材的回损值

2.2纳米Fe3O4吸波性能

2.2.1纳米Fe3O4含量对吸波性能的影响

纳米Fe3O4板材厚度为3.6 mm时，不同含量的回损值，见图5。

图5　不同含量纳米Fe3O4的复合板材的回损值

从图5可明显看出，当纳米Fe3O4吸波材料厚度为3.6 mm时，吸收剂百分比含量为2.0%时，回损在9.44 GHz处达到最大值-23.95 dB。随着纳米Fe3O4浓度的增加，吸波性能随之增强。纳米Fe3O4非导电材料，不存在渗流相变阈值，继续增加其浓度，吸波性能会继续增强。但是，在熔体中继续加入纳米Fe3O4，必定会对流体流动性能产生影响，因此吸收剂含量并非无上限。

2.2.2板材厚度对吸波性能的影响

采用纳米Fe3O4含量2.0%，1.2 mm厚的板材，层叠后进行测试，并和叠层厚度相同的单层板材进行吸波性能对比，见图6和图7。

图6　单层纳米Fe3O4板材的回损值

图7　叠层纳米Fe3O4板材的回损值

对比图6、图7，吸收剂百分比含量为2.0%，单层2.4 mm的纳米Fe3O4板材，回损在9.33 GHz处达-6.03 dB；两叠层1.2 mm×2的纳米Fe3O4板材，回损在9.08 GHz处达-11.03 dB；单层3.6 mm的纳米Fe3O4板材，回损在9.44 GHz处达-23.95 dB；三叠层1.2 mm×3的纳米Fe3O4板材，回损在9.08 GHz处达-13.92 dB。对单层或叠层板材来说，随着板材厚度的增加，吸波性能增强。与CNT板材相同，两叠层的纳米Fe3O4板材的厚度为主要因素，吸波性能优于单层2.4mm的板材；对三叠层的纳米Fe3O4板材来说，吸收占主要因素，单层板材的吸波性能更好。

从各回损值图中可以看出，厚度一定时，板材叠层后的波峰位置相较于单层板材的峰位向低频方向移动。

3　结论

本研究通过制备不同厚度、不同吸收剂百分比含量的吸波材料样品板材，测试发现：

3.1当板材厚度一定时，对CNT板材来说，存在渗流相变阈值，当百分比含量为1.5%时，材料吸波性能最佳，大于或小于此数值，吸波性能下降；对纳米Fe3O4板材而言，不存在渗流相变阈值，随着吸收剂百分比含量的增加，反射回损值减小，吸波性能增强。

3.2当CNT板材和纳米Fe3O4板材吸收剂百分比含量一定时，随着板材厚度的增加，反射回损值随之减小，吸波材料吸波性能增强。两叠层板材的吸波性能优于同厚度的单层板材，三叠层板材的吸波性能差于同厚度的单层板材。

3.3当吸波材料吸收剂百分比含量一定，板材厚度相同时，同浓度的CNT板材吸波性能优于纳米Fe3O4板材。

[1]姚穆.纺织材料学(3版)[M].北京：中国纺织出版社，2009.

[2]赵灵智，胡社军，李伟善，等.吸波材料的吸波原理及其研究进展[J].现代防御技术，2007，35(01)：27—32.

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[5]Iijima S. Helical Microtubules of Graphitic Carbon[J]. Nature，1991，354(6348)：56—58.

[6]阳开新.铁氧体吸波材料及其应用[J].磁性材料及器件，1996，(3)：19—23.

[7]孙润军.纺织品抗静电、防电磁辐射机理及评价方法的研究[D].上海：东华大学, 2005.

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

陕西省大学生创新训练项目(1570)；陕西省自然科学基础研究计划(2016JM5078)

贠凯迪(1994—)，男，陕西西安人 ，硕士研究生。

TS101.3+2

A

1009-3028(2016)05-0005-04