導(dǎo)電聚苯胺 - 羰基鐵粉復(fù)合吸波材料 - 毛衛(wèi)民-

1、文章編號:100023851(20050120011204收稿日期:2004202213;收修改稿日期:2004209228基金項目:北京市科委重大項目第三課題(H020*復(fù)合材料學(xué)報第22卷第1期2月2005年A ct a M ateri ae C om p o sit ae Sini c aVol 122No 11February 2005導(dǎo)電聚苯胺/羰基鐵粉復(fù)合吸波材料毛衛(wèi)民1,3,方鯤1,吳其曄2,馮惠平1(11北京科技大學(xué)材料學(xué)系,北京100083;21青島科技大學(xué)高分子材料科學(xué)與工程學(xué)院,青島266042摘要:借助導(dǎo)電聚合物和軟磁金屬良好的電磁波吸收特性,制備了導(dǎo)電聚苯胺/羰基鐵粉

2、復(fù)合材料。實驗中把導(dǎo)電聚苯胺與羰基鐵粉以28的比例制成復(fù)合粉,然后再將復(fù)合粉與聚脲粘和劑以28的比例混合成吸波涂料。檢測結(jié)果顯示,當(dāng)聚苯胺電導(dǎo)率為10-2S/cm 、羰基鐵粉平均顆粒尺寸為12m ,在212GHz 的頻段范圍可獲得優(yōu)于-10dB 的吸波性能。分析表明,這類材料有望發(fā)展成寬頻、強(qiáng)吸收、可人為設(shè)計特殊頻段的優(yōu)良吸波材料。關(guān)鍵詞:吸波材料;導(dǎo)電聚苯胺;羰基鐵粉中圖分類號:TB332文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ACON D UCTIVE POLYANI L INE /IR ON CARBON YL POWDER COMPOSITEMATERIAL FOR WAVE ABSORBINGMAO Weimi

3、n 1,3,FAN G Kun 1,WU Qiye 2,FEN G Huiping 1(11Department of Materials Science ,University of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083,China ;21College of Polymer Science and Engineering ,Qingdao University of Science and Technology ,Qingdao 266042,China Abstract :The conductive polyaniline /ir

4、on carbonyl powder composite material was prepared based on conductive polymer and soft magnetic metals ,which have very good characteristics of electromagnetic wave absorbing.The conduc 2tive polyaniline /iron carbonyl composite powder was prepared under the volume ratio of 28.The composite of wave

5、 ab 2sorbing dope ,which consists of the composite powder and polyurea ,was composed under the volume ratio of 28.It indi 2cates that the wave absorbing property of the composite is better than -10dB in the frequency range of 212GHz ,while the conductivity of polyaniline was 10-2S/cm and the average

6、 size of iron carbonyl powder is 12m.The analy 2sis demonstrates that excellent wave absorbing materials with wide frequency characteristic ,strong wave absorption ability and programmable frequency range could be developed based on this technology.K eyw ords :wave absorbing materials ;conductive po

7、lyaniline ;iron carbonyl powder現(xiàn)代社會中通訊、廣播、電磁醫(yī)療、計算機(jī)技術(shù)的普及應(yīng)用,使電磁波已充滿人類生活、工作的空間。因此電磁波所構(gòu)成的對人的妨害及對相關(guān)設(shè)備的干擾日益受到世界各國的廣泛關(guān)注13,同時為了實現(xiàn)對電磁波防護(hù),吸波材料的研究也得到迅速發(fā)展15。通?？梢岳貌牧系慕殡娦再|(zhì)和軟磁性質(zhì)開發(fā)電磁波吸收材料。理想的吸波材料應(yīng)該兼具很高的相對介電常數(shù)虛部值和相對磁導(dǎo)率虛部值,然而在實際的物質(zhì)中尚不能直接找到這種理想材料6。利用導(dǎo)電聚合物高的相對介電常數(shù)可制成輕質(zhì)吸波材料7,高磁感軟磁金屬具有較高的相對磁導(dǎo)率,也可用作吸波材料8。如果把導(dǎo)電聚合物和高磁感軟磁金屬

8、以適當(dāng)?shù)男问街瞥蓮?fù)合材料,就有可能在一定程度上實現(xiàn)理想吸波材料所具有的吸波特性。本文作者實驗研究了較低成本的導(dǎo)電聚苯胺/羰基鐵粉復(fù)合吸波材料的吸波特性。1材料制備及性能檢測以鹽酸作為摻雜劑,用溶液聚合法制備導(dǎo)電聚苯胺9,控制其電導(dǎo)率在10-6S/cm 至102S/cm 之間。采用四探針法在室溫下測量各導(dǎo)電聚苯胺試樣2GHz 頻率時的電導(dǎo)率虛部。選取電導(dǎo)率為3174×10-5S/cm 的本征態(tài)聚苯胺和電導(dǎo)率為10107S/cm 的摻雜態(tài)聚苯胺,在218GHz 范圍內(nèi)測量其介電常數(shù)虛部。取顆粒尺寸約為3080m 、電導(dǎo)率為10-2S/cm 的導(dǎo)電聚苯胺,與聚脲以2比8的體積比均勻混合,并

9、涂敷于長18cm 、寬18cm 的高純鋁板(Al >99199%,涂后烘干。按照圖1所示的構(gòu)想制備導(dǎo)電聚苯胺/羰基鐵粉復(fù)合材料。把顆粒平均尺寸約為12m 的羰基鐵粉放入含2%3%(體積分?jǐn)?shù)硅烷的乙醇溶液中分散,使鐵粉表面附著一定的、能發(fā)揮偶聯(lián)作用的硅烷后取出并烘干。將經(jīng)處理的鐵粉與電導(dǎo)率為10-2S/cm 的導(dǎo)電聚苯胺顆?；旌喜⒀心?使羰基鐵粉表面因附著一層導(dǎo)電聚苯胺而構(gòu)成復(fù)合粉。復(fù)合粉中導(dǎo)電聚苯胺與羰基鐵粉的體積比約為2比8。將復(fù)合粉與聚脲以2比8的體積比例均勻混合,并涂敷于長18cm 、寬18cm 的高純鋁板并烘干,并經(jīng)航天部207研究所在218GHz 范圍內(nèi)測量羰基鐵粉的磁導(dǎo)率,在

10、212GHz 范圍內(nèi)測量各 試板的吸波性能。圖1導(dǎo)電聚苯胺/羰基鐵粉復(fù)合材料的復(fù)合構(gòu)想Fig 11Construction draft of conductive polyaniline /ironcarbonyl powder composite material2檢測結(jié)果圖2給出了在2GHz 頻率下不同電導(dǎo)率聚苯胺介電常數(shù)虛部的實測數(shù)值。可以看出,隨電導(dǎo)率從10-6水平上升到10,也上升到160以上。圖3顯示了不同檢測頻率下本征態(tài)聚苯胺(=3174×10-5S/cm 和摻雜態(tài)聚苯胺(=10107S/cm 在218GHz 范圍內(nèi)介電常數(shù)虛部的檢測值。結(jié)果表明,摻雜態(tài)聚苯胺在靠近2G

11、Hz 的頻率范圍呈現(xiàn)很高的值,而本征態(tài)聚苯胺的值則整體上都很低。羰基鐵在大于3GHz 頻段范圍有良好的軟磁性能,因此其磁導(dǎo)率虛部值較高8。對218GHz 頻段羰基鐵粉的磁導(dǎo)率測量展示,12m 羰基鐵粉比常規(guī)羰基鐵8的磁導(dǎo)率虛部值更高(圖4 ,因此應(yīng)該有更好的磁滯吸波特性。圖2聚苯胺電導(dǎo)率對介電常數(shù)虛部的影響Fig 12Influence of polyaniline conductivity on the imaginarypart of dielectric constant圖3聚苯胺介電常數(shù)虛部與頻率的關(guān)系Fig 13Relationship between frequency and t

12、he imaginarypart of dielectric constant of polyaniline圖4羰基鐵磁導(dǎo)率虛部與頻率的關(guān)系Fig 14Relationship between frequency and the imaginarypart of permeability of iron carbonyl21復(fù)合材料學(xué)報圖5(a 是電導(dǎo)率為10-2S/cm 的導(dǎo)電聚苯胺/聚脲涂板的吸波檢測結(jié)果,顯示該涂板有良好的吸波性能。在212GHz 的頻率范圍內(nèi)吸波效果均優(yōu)于-7dB ,且在914GHz 附近有一個吸波峰,其吸波效果達(dá)到-30dB 的水平。導(dǎo)電聚苯胺/羰基鐵復(fù)合粉與聚脲再復(fù)

13、合后,所制成的涂板呈現(xiàn)出顯著的寬頻吸波效應(yīng)。由圖5(b 可以看出,在212GHz 的頻率范圍內(nèi)吸波效果均優(yōu)于-10dB ,且不再有顯著的吸波峰,呈現(xiàn)出212GHz 均勻吸波的傾向 。圖5導(dǎo)電聚苯胺和聚苯胺/羰基鐵粉復(fù)合材料的吸波特性Fig 15Wave absorbing property of conductive polyaniline andpolyaniline /iron carbonyl composite material3討論人們早就了解到,理想的吸波材料應(yīng)兼具很高的相對介電常數(shù)虛部值和相對磁導(dǎo)率虛部值,并具有寬頻吸波效應(yīng)6,只是在實際的物質(zhì)中找不到這種材料。本文中采用導(dǎo)電聚合

14、物和高磁感軟磁金屬復(fù)合的構(gòu)想,一定程度上滿足了理想吸波材料的要求。圖5的檢測結(jié)果也顯示,這是一種有探索價值的嘗試;同時也證實了介電與磁滯復(fù)合吸波效應(yīng)確實有利于實現(xiàn)寬頻吸波效應(yīng)。根據(jù)Salisbury 原理,當(dāng)吸波材料的厚度d 與入射電磁波波長的關(guān)系為d =/4時可獲得最高的吸波效應(yīng)10。若吸波材料有較高的相對介電常數(shù)r ,則這一關(guān)系可表達(dá)為6d =/(4r 。圖5所示的吸波峰的位置與導(dǎo)電聚苯胺/聚脲符合材料的厚度大體符合這一關(guān)系。由此可見,提高材料的介電常數(shù)有利于大幅度降低吸波材料的厚度。導(dǎo)電聚苯胺的介電常數(shù)虛部隨電導(dǎo)率的升高而上升(圖2,并可以提高吸波性能。但電磁波與吸波材料作用原理表明,過

15、高的電導(dǎo)率也會導(dǎo)致反射電磁波的提升,進(jìn)而降低材料的吸波效果6。因此,這里也不能一味追求更高的介電常數(shù)。本文中對導(dǎo)電聚合物和高磁感軟磁金屬復(fù)合,以接近理想吸波材料的構(gòu)想作了初步的嘗試?？梢韵胂?復(fù)合粉末的不同尺寸、不同種類的軟磁金屬粉、軟磁金屬與導(dǎo)電聚苯胺的不同配比、復(fù)合粉與粘和劑的不同配比等因素都會造成不同的吸波特性。雖然相關(guān)的系統(tǒng)性研究還有待深入,但這里列出的諸因素都可以人為調(diào)整,因此可以為寬頻段或特殊頻段吸波材料的設(shè)計和制造提供較為方便、靈活的發(fā)展空間。4結(jié)論采用導(dǎo)電聚合物和高磁感軟磁金屬復(fù)合的方法制成的材料比較接近理想吸波材料。這種復(fù)合材料兼顧了介電與磁滯吸波特征,因而能夠獲得良好的寬頻

16、吸波效應(yīng)。導(dǎo)電聚苯胺較高的介電常數(shù)有利于降低吸波材料的厚度,導(dǎo)電聚苯胺/羰基鐵粉/聚脲復(fù)合涂層可以在212GHz 的頻率范圍內(nèi)獲得優(yōu)于-10dB 的吸波效果。借助對復(fù)合粉末的尺寸、軟磁金屬粉種類、復(fù)合材料各組分配比的系統(tǒng)性研究,可望使導(dǎo)電聚合物/高磁感軟磁金屬復(fù)合材料發(fā)展成具有寬頻、強(qiáng)吸收、可人為設(shè)計特殊頻段的優(yōu)良吸波材料。參考文獻(xiàn):1Jose K A ,Neo C P ,Sha Y ,et al .Experimental investigationsof microwave absorber with FSS embedded in carbon fiber com 2posite J .

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