赵晓明，　刘元军

(天津工业大学 纺织学部，天津 300387)



双层涂层复合材料的介电性能

赵晓明，刘元军

(天津工业大学 纺织学部，天津 300387)

在涤纶基布上分别进行铁氧体/碳化硅、碳化硅/石墨双层复合涂层整理，制备两种双层涂层柔性复合材料。分别研究吸波剂含量对复合材料介电常数实部、虚部、损耗角正切的影响。鉴于该材料多用于工程领域，测试了该复合材料的机械性能。结果表明，该复合材料在低频范围内具备良好的介电性能，且具备一定的力学性能。

铁氧体；碳化硅；石墨；涂层；复合材料；介电性能

采用有机/无机纳米复合技术可调节复合材料电磁参数，满足阻抗匹配特性，并且能够明显减轻重量，有望成为今后吸波材料研究与发展的重点方向[1-2]。介电常数和损耗角正切可以间接地评价吸波性能[3-4]。介电常数是外电场频率的函数，实部代表材料在外加电场作用下发生极化的程度，其值越大则材料的极化能力越强[5-6]；虚部代表材料在外加电场作用下的电偶极矩产生重排引起能量损耗的量度，其值越大则对电磁波的损耗能力越强；损耗角正切表征材料的吸波衰减能力，其值越大则吸波性能就越好[7-8]。本研究通过调整吸波剂含量改变阻抗特性以获得较大的介电常数实部、虚部和损耗角正切；一方面选用磁损耗率较大的铁氧体作为底层吸波剂[9-12]，选用电阻率可调的介电损耗型吸波材料碳化硅作为表层吸波剂[13-14]；另一方面，选用碳化硅作为底层吸波剂，选用价格低廉、密度较小的石墨作为表层吸波剂[15-16]。以涤纶机织物为基布，以铁氧体、碳化硅分别作为底层、表层吸波剂，制备铁氧体/碳化硅双层涂层柔性复合材料；以碳化硅、石墨分别作为底层、表层吸波剂制备碳化硅/石墨双层涂层柔性复合材料。重点研究涂层厚度为1.0 mm的双层涂层柔性复合材料的介电性能，探讨其机械性能，期望开发一种新型具备良好介电性能和力学性能的多功能双层涂层柔性复合材料。

1　实验

1.1实验材料

涤纶机织物；铁氧体粉末；石墨粉末；碳化硅粉末；E44型环氧树脂；650聚酰胺树脂。

1.2实验方法

1.2.1复合物配方方案

(1)无水乙醇质量为E44型环氧树脂质量的10%。

(2)固化剂650聚酰胺树脂与E44型环氧树脂质量比为1∶1。

(3)吸波剂(分别为铁氧体粉末，石墨粉末，碳化硅粉末)质量分数为复合物总质量的12%，24%，36%，48%，60%。

1.2.2制备工艺

(1)分别将一定质量分数的吸波剂(铁氧体粉末，石墨粉末，碳化硅粉末)加入无水乙醇与环氧树脂的混合物中搅拌至均匀，制成待涂浆料备用。

(2)将固化剂聚酰胺树脂加入(1)的各待涂浆料中，搅拌均匀。

(3)取适量(2)的浆料倾倒在织物表面并进行涂层整理，然后60 ℃烘燥3 h，底层涂层制备完毕；重复上述操作，制备表层涂层。

双层涂层柔性复合材料结构模型如图1所示。

图1　复合材料结构模型Fig.1　Stucture model of composite material

1.2.3介电性能测试

在BDS50介电谱仪上，根据SJ20512—1995《微波大损耗固体材料复介电常数和复磁导率测试方法》，测试铁氧体/碳化硅、碳化硅/石墨双层涂层柔性复合材料的介电常数和损耗角正切[17-18]。

1.2.4机械性能测试

在Instron万能材料试验机上，分别根据GB1449—2005弯曲性能测试方法、JCT773—2010短梁法测定层间剪切强度测试方法、GB1447—2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法，测试铁氧体/碳化硅、碳化硅/石墨双层涂层柔性复合材料的弯曲性能[19-20]、剪切性能[20-21]、拉伸性能[20-23]。

2　结果与讨论

2.1底层吸波剂含量对介电性能的影响

为了研究底层吸波剂含量对铁氧体/碳化硅、碳化硅/石墨双层涂层柔性复合材料介电性能的影响，分别制备了一系列铁氧体/碳化硅、碳化硅/石墨双层涂层柔性复合材料，复合材料涂层组成如表1和表2所示。

图2至图4为底层吸波剂含量对复合材料介电常数实部、虚部、损耗角正切的影响。由图2至图4可知，随频率增大，两种双层涂层柔性复合材料的介电常数实部、虚部、损耗角正切均减小。铁氧体属于磁损耗型吸波材料，主要通过磁滞损耗、铁磁共振和涡流损耗等吸收电磁波，并将其转化为热能。碳化硅属于介电损耗型吸波材料，主要是通过介质的极化弛豫损耗吸收电磁波。从图2(a)中可以看出，随底层铁氧体含量增加，介电常数实部呈现出波动性增大的趋势，底层铁氧体含量为60%时铁氧体/碳化硅柔性复合材料的极化能力最强；从图2(b)中可以看出，当涂层厚度一定时，随着底层碳化硅含量增多，涂层中碳化硅颗粒数目增加，对电磁波有效吸收增加。随着底层碳化硅含量增加，介电常数呈现出波动性变化趋势，其中底层碳化硅含量为24%时，碳化硅/石墨柔性复合材料的介电常数实部最大，其极化能力最强；当f>103Hz时, 底层铁氧体含量为60%的铁氧体/碳化硅柔性复合材料介电常数虚部最大，其损耗能力最强。在f>10 Hz频率范围内，底层碳化硅含量为24%时， 碳化硅/石墨柔性复合材料介电常数虚部最大，其损耗能力最大。

表1　铁氧体/碳化硅双层涂层的组成(质量分数/%， 表中为吸波剂含量，余量为环氧树脂混合物)Table 1　Composition of ferrite/silicon carbide coating (mass fraction/%, content of microwave absorbent in epoxy matrix)

表2　碳化硅/石墨双层涂层的组成(质量分数/%， 表中为吸波剂含量，余量为环氧树脂混合物)Table 2　Composition of silicon carbide/graphite coating (mass fraction/%, content of microwave absorbent in epoxy matrix)

2.2表层吸波剂含量对介电性能的影响

为了研究表层吸波剂含量对铁氧体/碳化硅、碳化硅/石墨双层涂层柔性复合材料介电性能的影响，分别制备了一系列铁氧体/碳化硅、碳化硅/石墨双层涂层柔性复合材料，复合材料涂层组成如表3和表4所示。

图5至图7为表层吸波剂含量对复合材料介电常数实部、虚部、损耗角正切的影响。从图5可以看出，随着频率增大，铁氧体/碳化硅、碳化硅/石墨双层涂层柔性复合材料的介电常数实部均减小，其极化能力下降。碳化硅属于介电损耗型吸波材料，其吸波机理主要是通过介质的极化弛豫损耗吸收电磁波；石墨属于电损耗型吸波材料，其吸波机理是当材料受到外界磁场感应时，导电型吸波材料在导体内产生感应电流，感应电流又产生与外界磁场方向相反的磁场，从而与外界磁场相抵消，达到对外界电磁场的屏蔽作用。从图5至图7可以看出，表层碳化硅含量为48%时，铁氧体/碳化硅双层涂层柔性复合材料的介电常数实部最大，其极化能力最强；f<105Hz时，表层碳化硅含量为60% 的柔性复合材料介电常数实部、虚部、损耗角正切最大。随着石墨含量增加，涂层织物介电常数呈现出波动性变化的趋势；在10 Hz

图2　底层吸波剂含量对介电常数实部的影响 (a)铁氧体；(b)碳化硅Fig.2　Influence of the content of primer absorbent on real part of dielectric constant (a)ferrite; (b)silicon carbide

图3　底层吸波剂含量对介电常数虚部的影响 (a)铁氧体；(b)碳化硅Fig.3　Influence of the content of primer absorbent on imaginary part of dielectric constant(a)ferrite ; (b)silicon carbide

图4　底层吸波剂含量对损耗角正切的影响 (a)铁氧体；(b)碳化硅Fig.4　Influence of the content of primer absorbent on loss tanδ (a)ferrite; (b)silicon carbide

2.3双层涂层复合材料机械性能的研究

铁氧体/碳化硅、碳化硅/石墨双层涂层柔性复合材料的弯曲性能、剪切性能、拉伸性能，如图8至图10所示。

表3　铁氧体/碳化硅双层涂层的组成(质量分数/%， 表中为吸波剂含量，余量为环氧树脂混合物)Table 3　Composition of ferrite/silicon carbide coating (mass fraction/%, content of microwave absorbent in epoxy matrix)

表4　碳化硅/石墨双层涂层的组成(质量分数/%， 表中为吸波剂含量，余量为环氧树脂混合物)Table 3　Composition of silicon carbide/graphite coating (mass fraction/%, content of microwave absorbent in epoxy matrix)

图5　表层吸波剂含量对介电常数实部的影响 (a)石墨；(b)碳化硅Fig.5　Influence of the content of top coating absorbent on real part of dielectric constant(a)graphite；(b)silicon carbide

图6　表层吸波剂含量对介电常数虚部的影响 (a)石墨；(b)碳化硅Fig.6　Influence of the content of top coating absorbent on imaginary part of dielectric constant(a)graphite；(b)silicon carbide

图7　表层吸波剂含量对介电常数损耗角正切的影响 (a)石墨吸波剂；(b)碳化硅吸波剂Fig.7　Influence of the content of top coating absorbing agent on loss tanδ(a)graphite；(b)silicon carbide

从图8可以看出，随着弯曲应变增加，铁氧体/碳化硅、碳化硅/石墨双层涂层柔性复合材料弯曲应力增大；铁氧体/碳化硅双层涂层柔性复合材料的最大弯曲强力和强度分别为38.5 N，28.9 MPa；碳化硅/石墨双层涂层柔性复合材料的最大弯曲强力和强度分别为48.3 N，48.3 MPa。随形变增大，两种复合材料的弯曲应力均呈波动式增大，这可能是涂层与基布断裂的不同时性造成。从图9可以看出随着剪切应变增加，铁氧体/碳化硅、碳化硅/石墨双层涂层柔性复合材料剪切应力增大；当位移增大到1.8 mm时，铁氧体/碳化硅双层涂层柔性复合材料的剪切强力达到最大，最大剪切强力和剪切强度分别为95.2 N，38.1 MPa；当位移增大到1.4 mm时，碳化硅/石墨双层涂层柔性复合材料的载荷出现波动，可能是因为载荷施加过程中涂层断裂而涤纶机织物基布未断裂，当载荷继续施加，载荷由基布承担；当位移增大到1.8 mm时，剪切强力达到最大，碳化硅/石墨双层涂层柔性复合材料的最大剪切强力和剪切强度分别为57.5 N，23.0 MPa。从图10可以看出两种复合材料的初始模量均较大；随着拉伸应变增加，拉伸应力均随之增大，铁氧体/碳化硅双层涂层柔性复合材料的最大拉伸强力和拉伸强度分别为619 N，12.38 MPa；碳化硅/石墨双层涂层柔性复合材料的最大拉伸强力和拉伸强度分别为618 N，12.36 MPa。

图8　弯曲位移-载荷曲线Fig.8　Bending displacement-loading curves

图9　剪切位移-载荷曲线Fig.9　Shearing displacement-loading curves

图10　拉伸位移-载荷曲线Fig.10　Tensiling displacement-loading curves

3　结论

(1)在低频段，铁氧体/碳化硅、碳化硅/石墨双层涂层柔性复合材料介电性能良好，吸波剂含量均对涂层复合材料的实部、虚部和损耗角正切影响较大；在高频段，吸波剂含量均对涂层复合材料的介电性能影响较小，其实部曲线、虚部曲线、损耗角正切曲线近似重合。

(2)复合材料具备一定的力学性能，铁氧体/碳化硅双层涂层柔性复合材料的最大弯曲强力和强度分别为38.5 N，28.9 MPa；最大剪切强力和剪切强度分别为95.2 N，38.1 MPa；最大拉伸强力和拉伸强度分别为619 N，12.38 MPa。碳化硅/石墨双层涂层柔性复合材料的最大弯曲强力和强度分别为48.3 N，48.3 MPa；最大剪切强力和剪切强度分别为57.5 N，23.0 MPa；最大拉伸强力和拉伸强度分别为618 N，12.36 MPa。

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(责任编辑：徐永祥)

Dielectric Properties of Double Layer Coating Composite Materials

ZHAO Xiaoming，LIU Yuanjun

(College of Textiles, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

Two kinds of flexible composite were prepared by applying double layer coating ,which consists of epoxy and ferrite/silicon carbide and silicon carbide/graphite as absorbing materials, on the polyester woven fabric. The influence of the content of absorbing reagent on permittivity’s real part of dielectric constant, permittivity’s imaginary part and loss tangent of dielectric constant of the composites were discussed. Since the material is usually used in the engineering field, so the mechanical properties were tested. The results show that the composites have good dielectric properties and certain mechanical properties at low frequencies.

ferrite；silicon carbide；graphite；coating；composite；dielectric constant

2015-06-26；

2015-09-11

国家自然科学基金项目(51206122)；天津应用基础与前沿技术研究计划项目(13JCQNJC03000)；2015年天津工业大学研究生科技创新活动计划资助项目(15101)

赵晓明(1963—)，男，博士，教授，主要从事吸波涂层材料的制备及其介电性能研究，(E-mail)texzhao@163.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.2.002

TG132.2

A

1005-5053(2016)02-0007-07