碳微/纳米纤维复合微波吸收材料的研究进展

随着电子信息技术的蓬勃发展,电磁干扰及电磁污染已成为亟须解决的问题,因此电磁波吸收材料引起研究人员的关注.铁基复合材料和陶瓷基复合材料作为传统吸波材料存在密度大、吸收性能差、吸收频宽窄等缺点,极大地限制了其在电磁波吸收领域的应用.碳基复合材料因具有密度低、电导率高等优点,在吸波材料中脱颖而出.其中石墨烯、碳纳米管复合材料呈现出优异的吸波性能,但石墨烯、碳纳米管的合成方法繁琐、制备成本高,严重阻碍了其工业化应用.碳纤维具有可规模化生产、热稳定性高、分散性好的优势.碳纤维是一种电阻率相对低(<10-3Ω·m)的介电损耗吸波材料.单一碳纤维因为介电常数高,不能直接用于吸波领域,所以对其进行改性,调控电磁特性,使其具有优异的电磁波吸收性能.近年来,颗粒、涂层改性碳纤维复合吸波材料的相关研究取得了一定的成果,但与石墨烯、碳纳米管复合材料相比,在吸波性能方面仍然有一定的差距.因此,需进一步提升碳纤维复合材料的吸波性能,研究工艺简单、低成本的制备方法,以利于工业化应用.本文介绍了吸波材料的电磁波吸收理论,并综述了近年来碳纳米纤维、碳微米纤维、碳螺旋纤维复合材料的吸波机理和吸波性能的研究进展,对碳纤维复合吸波材料的发展趋势进行了展望.     

新型吸波碳纤维的研究进展

碳纤维吸波材料是一类多功能复合材料,具有承载和减小雷达反射截面的双重功能,是一种非常有发展前途的吸波材料.分别详细介绍了螺旋碳纤维、改性碳纤维、异形碳纤维和纳米碳纤维等新型碳纤维的制备、吸波机理及吸波性能,并对其最新研究现状进行了评述.     

结构吸波纤维及其复合材料的研究进展

结构吸波纤维及其复合材料具有吸波性能好、质量轻、可承载等优点,已成为结构吸波材料的重要发展方向,对隐身武器的设计和制造具有重要意义.综述了结构吸波纤维及其复合材料的最新研究成果,探讨了碳纤维、碳化硅纤维、玻璃纤维增强吸波材料以及几种其它类型的结构型吸波材料,展望了结构吸波纤维及其复合材料的发展趋势.     

制备工艺对活性碳纤维微观结构和吸波性能的影响

以粘胶纤维为原料,通过碳化、活化处理工艺制备活性碳纤维,采用XRD对其微观结构进行表征,并对其吸波性能进行测试,分析了纤维的微观结构与吸波性能的关系。结果表明,制备工艺对活性碳纤维的微观结构和吸波性能有较大影响。在其它工艺参数保持不变的条件下,随碳化温度的升高,活性碳纤维的石墨化程度和吸波性能均先提高后降低;随活化时间的延长,活性碳纤维内部结构趋向不规整化,对电磁波的损耗能力增强。在活化时间为18min、活化温度为900℃、碳化时间为60min、碳化温度为425℃条件下制备的活性碳纤维的吸波性能最佳,含0.6%(质量分数)纤维的树脂基复合材料在6.3～13.4GHz频率范围内对电磁波有-10dB以下的吸收,在8.5GHz时取得的最大反射衰减为-27.3dB。     

活性碳纤维结构对电路屏复合材料吸波性能影响研究

采用二次活化活性碳纤维(activated carbon fiber,ACF)设计交错结构频率选择表面(FSS),并制备了吸波复合材料,采用SEM对碳纤维表面微观形貌进行观察,采用矢量网络分析仪对其微波反射和吸收性能进行了测试。结果表明,随着活化温度的升高,ACF的比表面积及孔径逐渐增大,孔深也逐渐增加。吸波性能随着活化温度的升高呈先增大后降低的趋势,当活化温度为750℃时的电路屏制备的复合材料吸波效果最好:在5.2~9.9 GHz有-10 d B以下的反射,最低反射衰减为-21.1 d B;ACF内部π电子的极化弛豫及纤维微观形貌对电磁波的散射损耗能够提高ACF电路屏复合材料吸波性能。     

铁纳米粒子/碳纤维/环氧树脂基复合材料的制备和吸波性能

用直流电弧等离子体法制备Fe纳米粒子,用作微波吸收剂。用γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)对Fe纳米粒子的表面改性,然后按不同比例与环氧树脂均匀混合。在混合物中添加碳纤维后制备出Fe纳米粒子/碳纤维/环氧树脂基功能/结构一体化吸波复合材料,研究了吸收剂的添加量和浓度梯度、碳纤维以及平板结构等因素对其在2-18 GHz范围内吸波性能的影响。结果表明,碳纤维促进了结构体内电磁波的多重反射与吸收,在低频段出现反射损耗峰并提高吸波性能;随着Fe纳米粒子含量的提高吸波能力逐渐增强,吸收峰向低频移动;在环氧树脂的固化过程重力导致Fe纳米粒子浓度呈梯度分布,使平板状复合材料正、反两面的吸波性能出现差异,吸收剂浓度的梯度分布有利于电磁波的进入和吸收。     

碳纤维/铁硅铝复合材料的低频吸波性能

为获得吸波性能良好的吸波材料,将电阻型吸波剂碳纤维和磁损耗型吸波剂FeSiAl片状磁粉复合,以石蜡为基体,利用模压法制备出复合材料。采用激光粒度分析仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对单一吸波剂进行了测试分析。结果发现,片状FeSiAl磁粉的粒度在数十到几百微米之间;碳纤维表面留有活性物质,截面处能看到皮芯结构;XRD衍射图谱中,FeSiAl呈现出bcc结构。对复合吸波材料的电磁参数进行测量对比,结果表明,FeSiAl片状磁粉在1~3GHz内的最佳反射率达到-40.7dB,有效吸收频带宽度约为0.5GHz;当加入长度等于4mm,含量为0.4%(质量分数)的碳纤维时,碳纤维/铁硅铝复合材料吸波性能最佳,其反射率为-49.6dB,有效吸收频带宽度为1.0GHz;FeSiAl片状磁粉平行于吸波片表面排列时,材料的反射率减小,吸波性能增强。     

碳纤维吸波材料的研究进展

通过对碳纤维在复合材料中吸波性能的研究,得出通过控制碳纤维的长度和含量,以及采用化学掺杂或异型截面是得到频带宽、厚度薄、质量轻、吸收强结构吸波材料的有效方法,同时大力开展螺旋碳纤维和碳纳米管的研究是加快进展的新方向.     

镍铁纤维的形态结构及性能研究

采用圆铜管包覆拉拔镍铁合金丝后经电解化学处理制备出了单丝长度38～40mm,直径约10μm吸波镍铁纤维束丝。采用扫描电镜、X射线衍射、振动样品磁强计(VSM)及纺织纤维性能测试仪器对纤维的形貌、组分、磁性能及可纺性能进行了表征分析。实验结果表明此镍铁纤维截面呈不规则异形,纵向光滑有多道沟槽、无卷曲,长径比达3800以上,此结构有利于增强其可纺性能和吸波性能。纤维镍、铁总含量高达90%以上,比饱和磁化强度达63.45A.m2/kg,初始磁导率达2035H/m,远高于常规铁氧体吸波材料;其拉伸、弯曲、摩擦等可纺性能与不锈钢纤维、棉纤维做了对比,预测了镍铁纤维可用于纺织加工开发柔性吸波织物。     

具有雷达吸波功能的碳化硅纤维的制备

以聚碳硅烷为原料,通过熔融纺丝、不熔化处理和烧成、制备出异形截面碳化硅纤维,这种纤维与环氧树脂复合成结构吸波材料,具有良好的雷达吸波性能。     

碳纤维电泳沉积碳纳米管对界面性能的影响

采用碳纳米管电泳沉积到碳纤维表面,达到改性碳纤维复合材料界面性能的目的.将羧基化的碳纳米管在十六烷基三甲基溴化铵的分散作用下制备成不同浓度的水溶液,在电场作用下,将碳纳米管电泳沉积到碳纤维表面.通过扫描电子显微镜、X-射线光电子能谱以及动态接触角对处理前后的碳纤维的表面形貌、表面元素及浸润性进行表征.研究结果表明,经过电泳沉积碳纳米管后,碳纤维的表面粗糙度、表面极性官能团含量及表面能都有较大提高,纤维的浸润性得到提高.对复合材料的界面性能分析表明,复合材料的界面性能在经过处理后有很大提高,当碳纳米管的质量浓度为0.1%,界面剪切强度提高了72.93%.     

国产T800碳纤维用氰酸酯树脂开发及其复合材料性能

基于飞行器减重对耐高温结构复合材料的应用背景,为了拓展国产T800碳纤维增强氰酸酯复合材料体系的应用,通过对国产T800碳纤维表面上浆剂的分析,开展适于国产T800碳纤维的氰酸酯树脂基体配方设计,研究国产T800碳纤维/氰酸酯复合材料的力学性能和耐热性能,分析树脂基体对复合材料界面性能的影响。结果表明:国产T800碳纤维表面上浆剂中含有环氧基团。配方优化后的氰酸酯树脂与国产T800碳纤维复合后,复合材料的室温-湿态力学性能保持率大于74.8%,200℃力学性能保持率大于57%,玻璃化转变温度为226℃,具有优异的热机械性能和界面性能。     

纺丝工艺对T800碳纤维及其复合材料性能的影响

采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱仪(XPS)和表面接触角测量仪分别对湿法纺丝(T800HB)与干喷湿纺(T800SC)两种纺丝工艺制备的T800碳纤维表面状态进行表征和分析,采用万能材料试验机对二者的复丝、NOL环及单向板的力学性能进行对比研究。结果表明:湿法纺丝的T800HB碳纤维具有更粗糙的表面,而干喷湿纺T800SC碳纤维具有更高的表面活性,“化学活性”和“机械啮合”的共同作用使得两种碳纤维复合材料具有相近的层间剪切强度。但当复合材料发生破坏时,T800HB碳纤维与树脂间“机械啮合”的主导作用更显著,纤维/树脂结合更紧密,使得其复合材料的断裂呈脆性破坏模式,而T800SC碳纤维与树脂结合则稍弱,呈一定程度的韧性破坏模式。T800SC碳纤维比T800HB碳纤维具有更高的复丝拉伸强度,因而相应地,T800SC碳纤维复合材料NOL环和单向板均有更高的拉伸强度。因此,综合两种不同纺丝工艺碳纤维及其复合材料的力学性能和破坏形貌,相比于T800HB,T800SC碳纤维更适合作为缠绕成型复合材料的增强材料。     

碳纤维/环氧树脂复合材料高速冲击性能

采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备碳纤维/环氧树脂复合材料,通过空气炮冲击实验研究树脂韧性和碳纤维类型对复合材料抗高速冲击性能的影响,并对高速冲击后的试样进行压缩性能测试,研究高速冲击损伤对复合材料剩余压缩性能的影响。结果表明:树脂的韧性可以降低复合材料遭受高速冲击时的内部损伤程度,大幅提高复合材料的抗高速冲击性能和冲击后剩余压缩性能;T700S碳纤维增强复合材料抗高速冲击性能优于T800H碳纤维增强复合材料;复合材料的破坏模式与冲击速率有关,冲击速率较低时,复合材料弹击面出现圆形凹坑,背弹面出现鼓包;冲击速率较高时,复合材料弹击面出现圆形通孔,背弹面出现沿纤维方向撕裂断口。     

碳纤维复丝压缩性能测试方法

为准确测试碳纤维(CF)的压缩性能,针对浸胶固化的碳纤维复丝,设计了制样方法和测试夹具,建立了碳纤维复丝压缩性能测试方法。采用所建立方法对东丽T700SC等碳纤维进行压缩性能测试,研究了制样条件、测试条件及材料种类对碳纤维复丝压缩强度及破坏模式的影响,考察因素主要包括复丝胶含量、复丝浸胶固化的张力、预加载、测试段长度及树脂基体和纤维种类。结果表明:所建立的方法操作简单,测试结果分散性小;除预加载以外,所考察因素对测试过程及结果具有明显影响;当试样含胶量为30%~35%(树脂质量百分含量)、复丝浸胶的张力为10~15N、测试段长度为1.5mm时,环氧树脂浸渍固化的T700SC碳纤维复丝压缩强度测试结果最高,优化的测试条件对所考察的其他种类碳纤维复丝的压缩强度测试也适用;树脂的种类对复丝压缩强度有显著影响。     

上浆剂对国产T700级碳纤维复合材料界面性能的影响

采用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等测试方法表征了上浆/未上浆国产T700级(MT700)碳纤维的表面特性,并通过单丝断裂实验测试了单丝复合体系微观界面剪切强度(IFSS),在此基础上研究了碳纤维表面特性对单丝复合体系微观界面性能及其耐湿热性能的影响.研究表明:MT700碳纤维表面上浆剂改善了纤维/基体微观界面强度及其耐湿热性能;湿热环境对复合材料的微观界面性能影响显著,尤其是造成纤维/基体间的化学键合作用破坏,去湿后部分界面性能可恢复.     

不同热氧环境对T800碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响EI北大核心CSCD

不同热氧环境(70,130,190℃)对碳纤维复合材料的性能有着重要的影响。分析了不同热氧环境下T800碳纤维/环氧树脂复合材料的失重特性,并对比了老化前后的表面形貌、红外光谱、动态力学性能和层间剪切性能。结果表明:在热氧老化初始阶段,质损率急速上升,老化温度越高质量损失越快;试样表面形貌随热氧温度的升高其破坏程度逐渐加剧,在190℃老化后,纤维表面树脂脱落严重,纤维与纤维之间出现裂缝空隙,无树脂填充,在此老化温度下,试样发生了不可逆化学变化;试样的玻璃化转变温度会随老化温度的升高而变大,但内耗呈现先降低后增大再降低的趋势,在70,130,190℃热氧老化后试样剪切强度分别提高6.0%,13.7%和2.1%。相关实验结果和实验现象可为后续研究新型国产T800碳纤维/环氧复合材料提供数据参考。     

新型水性上浆剂对碳纤维及其复合材料界面性能的影响

使用新型水性上浆剂O3PPA对碳纤维表面进行改性处理,使用聚己内酰胺树脂为基体制备碳纤维/聚己内酰胺树脂复合材料,使用X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电镜(SEM)、纤维强伸度仪(XQ-1A)、万能材料试验机等手段表征改性后的碳纤维和碳纤维/聚己内酰胺树脂复合材料。结果表明,O3PPA的最佳上浆质量分数和吸附量分别为1%和5 mg/g。经O3PPA处理的碳纤维单丝的断裂强度提高了12%,碳纤维短丝在聚己内酰胺树脂中的分散性明显提高。而经O3PPA处理的碳纤维/聚己内酰胺树脂复合材料,其弯曲强度和层间剪切强度比未处理分别提高了35%和46%。     

The Ni-plated carbon fiber as a tracer for observation of the fiber orientation in the carbon fiber reinforced plastic with X-ray CT

Microfocus X-ray computed tomography (XCT) is effective to evaluate the 3-dimensional (3D) structure (position and orientation) of the fillers in the composites. However, the observation of the carbon fiber (CF) in resin by XCT is not easy due to the small difference between X-ray attenuation coefficient of CF and that of resin. We conducted XCT scanning of carbon fiber reinforced plastics (CFRPs) containing Ni-plated CF. The fiber orientation can be clearly observed in CT images due to a large X-ray attenuation coefficient of Ni-plating. Ni-plated CF essentially showed the same fiber orientation as that of normal CF. We also carried out the 3D characterization of the fiber orientation in an injection-molded dumbbell specimen with weld line. The fibers around the weld line are oriented perpendicular to the longitudinal direction of the specimen.     

基于锥形量热法的典型碳纤维/环氧复合材料燃烧特性

采用锥形量热仪实验研究环氧树脂基体、T300碳纤维/环氧复合材料及T300碳纤维/环氧-泡沫层合板(上下层为T300碳纤维/环氧复合材料,中间层为4mm厚的Divinycell H60泡沫芯材)在不同火灾环境下的燃烧性能。对比分析其点燃时间、热释放速率、总烟气释放量和CO生成速率等燃烧特性参数的变化规律。利用SEM测试T300碳纤维/环氧复合材料燃烧前、后表面形貌图像和环氧树脂基体和T300碳纤维/环氧复合材料燃烧形成炭层的形貌图像,分析碳纤维在碳纤维/环氧复合材料热解、燃烧过程中的影响作用。结果表明,随热辐射强度的增加,三种实验样品的平均点燃时间均缩短,热释放速率峰值和300s内热释放速率均值均增大,峰值出现时间提前,燃烧后残余率均降低。碳纤维对环氧树脂热解和燃烧起到抑制作用,其点燃、放热及达到热释放速率峰值的时间延后,T300碳纤维/环氧-泡沫层合板中泡沫芯材的燃点较低,使其平均点燃时间、热释放速率峰值出现时间及CO开始释放时间提前。T300碳纤维/环氧复合材料和T300碳纤维/环氧-泡沫层合板燃烧后均出现明显的分层现象,力学性能丧失,整体结构被破坏。碳纤维的存在能够有效抑制碳纤维/环氧复合材料的热解及燃烧,并能有效抑制在燃烧过程中产生融滴、喷溅和大量黑烟。