阻抗渐变纳米复合材料制备及电磁波趋深吸收性能研究

It's significant in theoretial investigation and pratical application on the resin composites with dual abilities of the electromagnetic absorption and mechnical strength. In this project, core/shell-type nanoparticles acted as the microwave absorbers, will be dispersed in PBO-C fiber reinforced resincomposites to form a laminate structure with transmission / weak-absorption / strong-absorption layers, which has a gradient impedance change and both functions of microwave absorption and necessary loading capacity. It is emphasized on the electromagnetic properties of these gradually distributed nanoparticles, the synergism between different units, and the intrinsic relations between structures and performances. The activities are mainly devoted to the surface modification and dispersion of nanoparticles, and the interface effects on the selected components. Investigation on correlations among the microstructures, electromagnetic parameters and absorption performance, as well as the dominant mechanism on gradual loss and absorption of electromagnetic wave, will be conducted in this project. Such a plan for the laminate composite absorber, would greatly improve the integrated performances and merits in practical applications by controlling the structures and properties, would result in the reduced weight comparing to that in a conventional shield-coating, and would present abundant experimental data and an effective design principle on such a function/strength integrated composite.

兼具电磁波吸收性能和力学强度的功能/结构一体化树脂基复合材料，具有重要的理论研究和工程应用价值。本项目拟以核/壳型磁性/介电纳米复合粒子作为微波吸收剂，梯度填充到PBO-C纤维增强树脂基体中，形成由透波层、浅吸收层到深吸收层构成的阻抗渐变趋深吸收结构，实现树脂基纳米复合材料的全波段微波吸收功能和承载强度。着重研究梯度分布纳米粒子吸收剂的电磁波响应特性，异类纳米吸收剂的复合及其协同作用，建立复合材料结构与吸波性能的构效关系。解决纳米粒子表面改性及分散、多种单元界面作用及复合过程中的材料科学问题。探索微观结构、电磁参数与吸波性能之间的内在关联，发现电磁波能量趋深吸收及损耗的主导机制。本项目提出的通过异质多层纤维增强复合材料实现阻抗渐变型微波吸收体的设计思想，在结构和性能双向可控的基础上，将大大提升其综合性能和应用价值，降低传统功能涂层的呆重负载，提供功能/结构一体化设计的理论依据和实验基础。

兼具电磁波吸收性能和力学强度的功能/结构一体化树脂基复合材料，具有重要的理论研究和工程应用价值。本项目以核/壳型磁性纳米复合粒子作为微波吸收剂，梯度填充到碳纤维增强树脂基体中，形成由透波层、浅吸收层到深吸收层构成的阻抗渐变趋深吸收结构，实现全波段微波吸收功能和承载能力。.宏量制备Fe基纳米粒子，平均粒径为65.7nm，呈球形，表层有少量氧化物。利用KH-550改性Fe纳米粒子，提高了在树脂基体中的分散性。确定了Fe纳米粒子/碳纤维/环氧树脂复合材料制备的优化工艺在环氧树脂的固化工艺，电磁参数测试结果表明：复合材料中存在空间电荷极化、界面极化以及偶极子取向极化等极化机制，随着Fe纳米粒子体积分数增加，极化导致的介电损耗增大；Fe纳米粒子在微波段存在自然共振，可能存在畴壁共振及交换共振等其它损耗机制。.Fe纳米粒子/碳纤维/环氧树脂复合材料平板样品（20x20 cm2）中，以改性Fe纳米粒子含量（0、20wt.％、30wt.％和40wt.％）、不用取向和含量碳纤维CFs（垂直、平行；1.38wt.％、2.76wt.％和5.52wt.％）为典型研究体系，研究在2~18 GHz范围的吸波性能。研究结果表明，适宜的CFs取向方向，即当CFs排布方向垂直于微波入射方向时，将促进在平板体内微波的反射效率，这种微波多重反射为Fe纳米粒子的进一步吸收提供了更多的吸收几率和效率，纳米复合材料平板的吸波性能得到了进一步提高；Fe纳米粒子在复合材料平板中具有浓度梯度分布特点，使平板材料表现出“上端”、“底部”不同的吸波性能，这种性能与其结构共振、适合的电导状态、界面极化、阻抗匹配等因素相关。本项目对环氧树脂基体中Fe纳米粒子及其分布、CFs及其取向方向对电磁性能的影响，进行了深入研究和讨论。进一步测试了Fe纳米粒子/碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能，结果表明：含30wt.％的Fe纳米粒子、2.76wt.%的CFs（垂直于微波入射方向）的平板样品，其反射损耗为-16.2 dB（6.1 GHz），弯曲强度为77.78 MPa（3.74％变形量）；同样的材料构成和测试方式下（除CFs含量改变为5.52wt.％外），其反射损耗变化为-26.8 dB（4.9 GHz），此时输入阻抗为413 ，弯曲强度为109.21 MPa（4.20％变形量）。