取向排布石墨烯调控SiCf/AlPO4复合材料介电性能的机理研究

The high temperature structural microwave-absorbing material is the key materials for weapons equipment to implement the radar stealth, especially for the heat parts. Continuous SiC fibers reinforced aluminum phosphate matrix (SiCf/AlPO4) composite have integrated functions of load bearing，microwave absorbing and thermo-stability, showing wide applications in the field of the high temperature structural microwave-absorbing material. But the improvement of microwave-absorbing property is restricted for SiCf/AlPO4 composite in the low frequency range of 2-8GHz, considering the low dielectric frequency response. A new idea is raised of adjusting the SiCf/AlPO4 composite dielectric and microwave-absorbing property with orientated graphene. The influence of outside DC electric field on the graphene diversion is discussed, the effective parameters are ensured to realize the orientated graphene by outside DC electric field and laminating process, and finally the operational path of graphene orientation being adjusted is build. The rule and mechanism of structural property, graphene content and graphene orientation state on the dielectric frequency response for SiCf/AlPO4 composite in the low frequency range of 2-8GHz are recognized and revealed, achieving an effective method to raise the dielectric frequency response and improve the microwave-absorbing property. The implement of this project would provide theroretical guidances for the broadening of absorbing frequency band in the frequency range of 2-18GHz for high temperature structural microwave-absorbing material.

高温结构吸波材料是实现武器装备高温部位雷达隐身的关键材料。连续SiC纤维增强AlPO4基（SiCf/AlPO4）复合材料兼具承载、吸波与防热性能，在高温结构吸波材料领域应用前景广阔。但SiCf/AlPO4复合材料较小的介电频响特性制约了低频段（2-8GHz）内吸波性能的改善。本项目提出取向排布石墨烯调控SiCf/AlPO4复合材料介电性能和吸波性能的新思路，研究外直流电场对石墨烯转向的影响规律，明确外直流电场+层压工艺实现石墨烯取向排布的有效调控参数，建立石墨烯取向状态可调可控的工艺路线；认识和揭示复合材料的基体组成、致密度、SiC纤维体积分数等结构特性及石墨烯含量、取向状态对低频段内SiCf/AlPO4复合材料介电频响特性的影响规律及机理，获得有效增大低频段内SiCf/AlPO4复合材料介电频响特性和改善吸波性能的方法，为拓宽2-18GHz频段内高温结构吸波材料吸收频段提供理论依据。

在各类航空或航天器中，有不少直接暴露于雷达波中的高温部位，这些部位的隐身急需高温吸波材料。基于此背景，该项目从以下几项研究内容出发，获得了一些重要的结果及关键数据：（1）石墨烯取向排布的影响因素，围绕该内容，项目人员研究了外加直流电场和层压工艺的协同机制，明确了电压大小、层压温度、压力、保温时间等关键参数对石墨烯排布状态的影响效果。摸索发现每一个参数都需要精细控制才能保证石墨烯达到一个特定角度的取向状态，例如转向温度控制在100℃比较合适，基体粘度较低，石墨烯易于转向，保持一段时间后，升温到130℃然后开始施加压力，提升致密度并使基体固化，维持石墨烯的取向状态；（2）结构特性对SiCf/AlPO4复合材料介电性能的影响研究，复合材料的介电性能跟基体和增强体有关，基体的致密度、相结构以及增强体的体积分数都会影响复合材料的介电常数。该体系中，随着填料氧化铝含量的增加，基体致密度增加，相组成也发生了变化（偏磷酸铝含量减少，磷酸铝含量增加），复合材料介电常数值有些许增加，但效果并不明显。随着碳化硅纤维体积分数从30%增加到80%，复合材料介电常数的实部从4.5增加到5.0，虚部从0.1增加到0.4，增加幅度也较低，综上结果说明SiCf/AlPO4复合材料它的吸波特性主要依靠石墨烯；（3）石墨烯取向排布对SiCf/AlPO4复合材料介电性能的影响研究，这一部分是研究的重点和难点，首先明确了随机分布石墨烯对SiCf/AlPO4复合材料介电性能的影响机制，发现电导损耗和极化损耗主导了介电常数的变化，当石墨烯含量较低时，主要是极化损耗起作用，如电子极化，随着石墨烯含量增加到1.5wt.%时，电导损耗的作用不断增加，并开始占主导地位。接着研究了取向石墨烯对SiCf/AlPO4复合材料介电性能的影响机制，不同于随机分布的石墨烯，施加外加电场后的石墨烯排布有一定的趋向性，石墨烯片层之间会形成微型电容器，对电磁波具有一定的损耗储存效果，该机制也决定了取向排布的石墨烯损耗电磁波的能力更强；（4）SiCf/AlPO4复合材料吸波性能优化设计研究，经过前面的研究，确定了相关工艺参数，制备出180*180mm的大板用于测试，经过多次验证和调整，复合材料在2-8GHz频段内的吸波性能得到了极大的优化和提升。本项目执行期间，发表论文2篇，以该项目部分研究结果为支撑，申报一横向项目，进行技术转化。