共混法制備納米碳纖維和多孔碳纖維及其吸波性能的研究.pdf

1、武器裝備的隱身技術已經成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中提升防御和打擊能力的重要手段，而吸波隱身材料是隱身技術的關鍵之一。當前碳材料是己發(fā)展的吸波材料中最有前途，綜合性能最好的吸波材料，不僅能夠吸波，并且能夠增強，可以作為結構吸波材料。因此研制不同形態(tài)碳材料，研究其作為吸波劑填充到樹脂中制備出的復合材料的吸波性能具有重要的理論意義和應用價值。
　　 本文選取聚丙烯腈(PAN)作為碳前驅體聚合物，以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為熱分解聚合物，通過將兩

2、者共同溶解于二甲基甲酰胺(DMF)中制備了PAN/PMMA共混溶液。采用濕法成型制備了PAN/PMMA共混纖維，經過預氧化和碳化去除PMMA組分，制得了納米碳纖維和多孔碳纖維。研究了將他們添加至環(huán)氧樹脂中制備的復合材料的吸波性能。主要工作包括以下幾個方面：
　　 采用應變控制動態(tài)流變儀分析了PAN/PMMA共混溶液的動態(tài)流變性能，發(fā)現(xiàn)當PAN分子量不同，即分子量為5萬(PAN5)和分子量為8萬(PAN8)時，共混溶液的logG'

3、與logω的關系呈現(xiàn)不同的變化，即PAN5/PMMA的logG’在低頻率ω范圍表現(xiàn)出比較明顯的偏離logG'∝2logω的關系，而PAN8/PMMA則基本為線性關系，說明PAN5/PMMA共混溶液呈現(xiàn)明顯的非均勻結構。這與對兩者共混溶液穩(wěn)定性觀察所得到的結果一致，PAN5/PMMA溶液靜置12-24小時發(fā)生分層，而PAN8/PMMA共混溶液在相同靜置時間下無明顯分層發(fā)生。
　　 將共混溶液澆鑄成膜，利用SEM觀察了薄膜的斷面形貌

4、。結果表明PAN與PMMA在共混體系中均呈現(xiàn)各自的相態(tài)結構，質量百分比高的組分趨向形成連續(xù)相。當PAN分子量提高時，分散相尺寸明顯減小。
　　 由濕法紡絲成功的制得了質量百分比為3:7和7:3的PAN/PMMA共混纖維。在纖維中，兩相分布有所不同，即當PAN分子量為8萬時，呈現(xiàn)與共混薄膜相同的相態(tài)分布；而當PAN分子量為5萬時，PAN趨向于形成連續(xù)相的結構。紡絲速度和牽伸倍數(shù)能夠控制共混纖維中分散相的尺寸。
　　 將PA

5、N/PMMA共混纖維原絲經預氧化和碳化后，所得碳纖維的形貌與原絲中的PAN相的分散狀態(tài)有關。對PAN為連續(xù)相的原絲，對應得到的是多孔碳纖維，孔徑為2-5um，當PAN為分散相時，則得到納米碳纖維，直徑為80-150nm。
　　 改變碳化的溫度能夠控制所得碳材料的石墨化程度。隨碳化溫度升高，電導率增大，在1000℃時電導率為7.6×101S/cm，1200℃電導率為2.3×102S/cm。
　　 以所得碳材料為吸波劑以2-

6、8wt％的比例與環(huán)氧樹脂混合，制成標準樣片測試了它們在8GHz-12GHz的復介電常數(shù)。隨吸波劑含量增加，介電常數(shù)實部和虛部均隨之增大；損耗角正切也隨吸波劑含量的增加而增大。由此通過理論模擬計算了不同厚度復合材料的電磁波反射率，并以此指導單層結構復合材料的設計和制備。
　　 對吸波劑含量為2-8wt％的單層結構復合材料的吸波性能采用美國安捷倫公司的HP8722ES型矢量網絡分析儀，使用弓形法進行反射率測試的結果表明：一定厚度下(

7、3mm)，復合材料在8-12GHz對電磁波的反射率峰值隨吸波劑含量的增加而變??；吸波劑含量為8wt％時，反射率峰值對應的頻率向低頻移動。實際測試結果與理論模擬結果一致。對比多孔碳纖維和納米碳纖維兩種吸波劑，相同含量下，多孔碳纖維復合材料具有更低的反射率，而且反射峰小于-10dB的頻率范圍更寬。例如：吸波劑含量為8wt％，厚度為3mm的板材，以多孔碳纖維為吸波劑的復合材料最低反射率為-20dB。在8-12GHz均低于-10dB；納米碳纖維