多孔碳纤维的吸波性能及吸波机理研究

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信息化战争迫切需要增强武器装备的雷达隐身水平。新型多孔碳纤维因为拥有发达的孔隙结构，并且具有导电性、耐高温以及高强度等一系列性能。因此研究其复合吸波材料性能具有了重要价值。
　　本文以聚丙烯腈（PAN）为碳前躯体，以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为热解聚合物（其中 PMMA含量为30%），通过溶液共混的方法制得PAN/PMMA共混溶液。通过湿法纺丝和静电纺丝制备PAN/PMMA共混纤维，对该共混纤维预氧化和炭化后获得了多孔碳纤维（PCF）和纳米多孔碳纤维（n-PCF）。通过改变 PMMA含量和炭化温度来调控PCF和n-PCF中的孔体积和碳纤维的石墨化程度。
　　以PCF和n-PCF为吸波剂，与环氧树脂结合，制备出吸波复合材料小样。利用矢量网络分析仪测试了吸波复合材料的电磁参数，再由电磁参数计算出复合材料对电磁波的反射损耗。研究了作为吸波剂的多孔碳纤维中的孔体积、孔尺寸、纤维直径以及炭化温度对吸波复合材料的吸波性能的影响。在此基础上研究了吸波机理。主要研究如下：
　　以常规湿法纺丝得到的PAN/PMMA共混纤维为原丝，经炭化后得到的碳纤维（PCF）直径为10-20μm。其中孔尺寸为0.5-1.5μm。而由静电纺丝制得的 PAN/PMMA共混纤维原丝制得的多孔碳纤维（n-PCF）直径为100-200nm，其中孔尺寸10-20nm。PCF和 n-PCF中孔体积随原丝中PMMA含量的增大而增大。PCF和n-PCF的石墨化程度随着炭化温度的升高而完整，n-PCF具有较完整的石墨化结构。
　　当以4%PCF为吸波剂加入当环氧树脂中制成吸波复合材料，复合材料的介电常数实部和虚部均随原丝中 PMMA含量(孔体积)的增加而变大。通过模拟计算出吸波材料对电磁波的吸波性能，吸波性能均随着PCF中孔体积的增加而增加，表现为孔体积大的PCF为吸波剂的复合材料拥有更低的反射损耗，当PCF-30为吸波剂时，最低反射率为-27.5dB，小于-10dB的有效频宽为1.8GHz。
　　当以4%n-PCF为吸波剂时，其复合材料的吸波性能表现出与PCF为吸波剂时类似的规律。但含n-PCF的复合材料具有更优良的吸波性能，即更低的反射损耗。当 n-PCF-30为吸波剂时，复合材料的最低反射率为-29.7dB。
　　当以不同炭化温度的PCF和n-PCF为吸波剂时，复合材料的吸波性能表现出随着炭化温度升高而变得优异。炭化温度为1400℃时获得的PCF和n-PCF均比1000℃时获得的样品吸波性能优良。
　　对比 PCF，n-PCF以及 PCF孔破坏后前后的吸波性能的差异，可以说明孔的存在确实对吸波做出了很大贡献，而且孔体积、孔尺寸也是影响吸波性能的重要因素。推断孔尺寸的分布可以成为调控吸波频率的一种手段。
　　本论文对发展一种轻质高效的吸波复合材料有重要的参考价值。

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作者
党柯;
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作者单位

东华大学;

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授予单位东华大学;
学科材料工程
授予学位硕士
导师姓名李光;
年度 2017
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类功能材料;
关键词
多孔碳纤维; 吸波性能; 复合材料; 反射损耗; 吸波机理;

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