短切碳纤维和炭黑的介电性能研究

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介电常数控制是介电型吸收剂研究的重点和难点,而介电常数频散效应的控制是宽频带吸收所必须追求的目标。碳纤维和炭黑是一种介电型吸波材料,介电常数可以连续调节、具有良好雷达波吸收特性。但迄今为止,人们对短切碳纤维和炭黑对复合材料的电磁特性变化规律、特点等缺乏统一、清楚的认识。 本文将不同长度的碳纤维和炭黑与不同基体以不同质量比分别制备出一系列试样,研究了纤维长度、含量和炭黑含量对复介电参数和频响特性的影响规律以及对其影响机制进行了分析比较。研究发现,碳纤维长度和含量和炭黑含量对复合材料的复介电参数影响很大,主要结果如下: 随着碳纤维含量的增大,复介电参数的最大值向短长度纤维复合材料方向偏移:0.5wt%时为5mm,1wt%为4mm,1.5wt%时为3~4mm,2wt%和3wt%时为3mm,并且在每种含量下,碳纤维复合材料都具有一定的频响特性; 通过对0.5~7mm长纤维复介电参数的数据分析,相同长度下的复合材料的复介电参数值随纤维含量增加都是先增加后降低,即存在一个峰值;并且当碳纤维长度≤4mm时,峰值处对应含量推测大于3wt%,5mm和7mm纤维峰值在0.7wt%附近; 研究发现,Csf复合材料复介电常数的实测平均值与纤维含量之间有非常好的拟合关系,长度为0.5mm~4mm的碳纤维复合材料的ε′和ε″与碳纤维含量之间符合二次多项式(ε′、ε″=am2+bm+c)关系; 有效媒质公式不能准确给出炭黑与基体组成的复合材料的复介电常数值,ε′和ε″与炭黑含量之间符合Lortentz函数(ε′、ε″=ε0+2a/π·b/(4(m-c)2+b2))关系; 随着炭黑含量的增加,频响效果越来越好,当炭黑含量增加到实验条件的25wt%时,实部介电参数值和频响量变化大小开始降低,而虚部介电参数值和频响量变化持续增加; 复介电常数的增大不仅和导电网络结构的形成有关,还与材料的形态密切相关。纤维类材料,由于电流沿纤维长度方向可产生较大的导电率,因而复介电常数升高;而炭黑则是依靠纳米粒子的本身属性,特别是量子尺寸效应使炭黑的电子能级发生分裂,分裂的能级间隔正处于微波的能量范围内(10-2~10-5eV),导致了新的损耗机制。
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