多孔碳纖維的制備表征及其作為吸波劑的應(yīng)用研究.pdf

1、目前隨著科技的發(fā)展，隱身技術(shù)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的作用日益重要，而作為隱身技術(shù)核心的吸波材料越來越受到大家的關(guān)注。新型多孔碳纖維（PCFs）憑借其發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)，適宜的導(dǎo)電性能以及耐高溫等性能滿足了未來對于吸波材料的較高要求，因此研究其復(fù)合材料吸波性能具有重要價值。本文基于此開展了多孔碳纖維的制備及其吸波性能的應(yīng)用研究。
　　本論文采用一種新穎簡單的制備多孔碳纖維的方法——聚合物共混技術(shù)，成功地制備出多孔碳纖維。將得到的多孔碳纖維與環(huán)氧樹

2、脂進行復(fù)合制備了多孔碳纖維/環(huán)氧樹脂吸波樣品。通過調(diào)整碳化工藝和制備配方等途徑獲得了不同的多孔碳纖維，探究碳化溫度、碳纖維中孔體積含量、碳纖維長度、磁性粒子表面包覆對樣品的吸波性能的影響。課題工作主要包括以下幾個方面：
　　以聚丙烯腈(PAN)作為碳前驅(qū)體聚合物(CPP)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為熱解聚合物(TDP)，將它們按照 PAN/PMMA=70/30、80/20、90/10、100/0四種質(zhì)量共混比例分別溶解于 N

3、,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，通過濕法紡絲的方法來制備不同共混比例纖維原絲，然后進行預(yù)氧化、碳化后除去PMMA組分即制得多孔碳纖維。利用丙酮對共混纖維原絲截面進行刻蝕處理，通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)，稀有的PMMA組份分散存在于PAN基體中，并且隨著PMMA含量的增加，截面上孔隙數(shù)量逐漸增多。對由不同共混比例纖維原絲制備而來的碳纖維進行液氮淬斷處理，利用SEM觀察后發(fā)現(xiàn)碳纖維中孔的數(shù)量及體積與PMMA含量變化規(guī)律一致。
　　選取PAN/

4、PMMA=70/30的共混纖維預(yù)氧絲，對其分別進行不同碳化溫度（1000℃、1200℃、1400℃）處理，并利用 X射線衍射技術(shù)、拉曼光譜研究碳化溫度對碳纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：碳化溫度的提高能夠使得碳纖維內(nèi)部石墨化程度增加，促進無定形態(tài)碳向三維有序石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，石墨晶相結(jié)構(gòu)趨于完善，導(dǎo)電率升高，當(dāng)碳化溫度達到1400℃時，多孔碳纖維導(dǎo)電率能達到339 S/cm。
　　選取由不同共混比例原絲（70/30、80/20、100

5、/0）制得的多孔碳纖維，將其按照6wt％的比例與環(huán)氧樹脂進行復(fù)合制備吸波樣品，探究不同吸波劑對于樣品吸波性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著原絲中PMMA含量的增加，復(fù)合材料樣品的吸波能力逐漸增強。當(dāng)由共混比例PAN/PMMA=70/30的原絲制得的多孔碳纖維作為吸波劑時，樣品吸波能力最強，最低反射率達到-24.5dB，有效頻寬達到1.9GHz。這主要是由于PMMA含量的增加導(dǎo)致最終得到的多孔碳纖維內(nèi)部的孔洞逐漸增多，增加了電磁波進入到樣品內(nèi)部后

6、的反射和散射次數(shù)，增大了電磁波的耗散，提高了樣品的吸波能力。選取由共混比例為70/30的原絲在不同碳化溫度下制得的多孔碳纖維作為吸波劑時，按照同樣的方法制備吸波樣品，探究不同碳化溫度對樣品的吸波性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)碳化溫度為1200℃時，樣品具有最好的吸波性能。此時作為吸波劑的多孔碳纖維的電導(dǎo)率比較適中，既不會因為電導(dǎo)率太高導(dǎo)致樣品與空氣的阻抗匹配程度下降，電磁波反射加大；也不會因為電導(dǎo)率太低導(dǎo)致難以產(chǎn)生有效的電磁波損耗。選取由共混

7、比例為70/30的原絲制得的不同長度的多孔碳纖維作為吸波劑，當(dāng)纖維長度在0.2mm左右即手工研磨時，樣品具有最好的吸波性能。纖維長度過長如0.5mm左右時，多孔碳纖維在環(huán)氧樹脂里的分散不均，導(dǎo)致纖維之間搭接現(xiàn)象較為突出；而長度過短如0.03mm左右時，多孔碳纖維則失去了纖維獨有的長徑比和多孔結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，導(dǎo)致復(fù)介電常數(shù)實部虛部都大幅度降低。
　　磁性四氧化三鐵（Fe3O4）作為一種磁損耗材料可以通過對多孔碳纖維磁化改性的方法，彌補多孔

8、碳纖維吸波劑單一的電損耗吸波能力，調(diào)節(jié)吸波復(fù)合材料內(nèi)部的電磁參數(shù)，增強電磁波的吸收率，拓寬吸收頻帶。實驗中選取由共混比例PAN/PMMA=70/30的原絲制得的多孔碳纖維，利用濕化學(xué)方法將磁性四氧化三鐵粒子包覆在多孔碳纖維表面，最后將包覆后的纖維與石蠟混合從而制備吸波樣品。通過SEM，XRD，電磁參數(shù)等測試來表征纖維表面形態(tài)及復(fù)合材料的吸波性能。結(jié)果表明，實驗成功地將磁性四氧化三鐵粒子包覆在纖維表面，并且相較于單一多孔碳纖維組分吸波材料