【摘 要】
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现代战争中装备隐身的问题日益突出,除战机和潜艇等常规隐身装备外,越来越多海洋应用装备对隐身需求与日俱增,发展兼具隐身防腐性能的功能涂料具有重要意义。现阶段,舰船上采用的方法为在基体上依次涂覆防腐底漆和多道吸波厚涂料。这种体系设计,在海洋环境中长期服役会使得吸收剂失效,进而导致吸波性能下降;同时多层异相结构导致涂层层间匹配性差、缺陷较多,涂层过早失效。本文基于“吸波-防腐功能一体化”的思想,通过在基
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现代战争中装备隐身的问题日益突出,除战机和潜艇等常规隐身装备外,越来越多海洋应用装备对隐身需求与日俱增,发展兼具隐身防腐性能的功能涂料具有重要意义。现阶段,舰船上采用的方法为在基体上依次涂覆防腐底漆和多道吸波厚涂料。这种体系设计,在海洋环境中长期服役会使得吸收剂失效,进而导致吸波性能下降;同时多层异相结构导致涂层层间匹配性差、缺陷较多,涂层过早失效。本文基于“吸波-防腐功能一体化”的思想,通过在基础铁氧体(Fe3O4)上复合具有阻隔性能的片状还原氧化石墨烯(RGO)和具有介电性能及界面改善功能的导电聚合物(聚苯胺/聚吡咯)(PANI/PPy),实现填料的多功能化。通过优化复合工艺、调节组份比例和聚合物导电性能,制备出兼具吸波和防腐功能的主体吸收剂,最后以该吸收剂为主体填料制备具有防腐和吸波功能有机涂层,实现同一体系下的多功能复合。本研究首先通过共沉淀法制备RGO/Fe3O4前驱体,然后运用原位聚合法制备RGO/Fe3O4/PANI(PPy)多功能吸收剂,通过调节组份比例和掺杂质子酸的浓度获取面密度小、吸收频带宽、吸收强度高的多功能吸收剂填料。利用XRD、FTIR、SEM和TEM等表征手段对复合材料的组份、微观形貌和结构进行测试分析。结果表明:实验成功合成了 RGO/Fe3O4/PANI(PPy)复合吸收剂,并且氧化石墨被较好还原。借助原位聚合反应使导电聚合物与二元吸收剂形成较好的包覆结构,RGO的π-π键使两者形成化学键合。聚合物改善了吸收剂填料/基料树脂的界面状态,能够促进填料在涂层中的分散,从而进一步提高涂层的致密性。利用矢量网络分析仪对复合材料的吸波性能进行筛选。研究结果表明:随着RGO/Fe3O4复合吸收剂中Fe3O4相对含量的增加,其吸收强度也逐渐增加。综合考虑微波吸收性能与面密度等条件,确定二元前驱体的复合比例为1:4。该比例吸收剂的最大反射损耗的值为-62 dB(3.65 mm),-10 dB频宽为1.5 GHz。接枝导电聚合物后,RGO/Fe3O4/PANI在比例为1:4:0.5及盐酸掺杂浓度为0.5 mol/L时吸波性能最优,其最大反射损耗的值为-47.6 dB(10.8 GHz),-10dB以下的频宽为4.1 GHz(2.85 mm)。在组份比例为1:4:0.5、酸浓度为0.5 mol/L时,RGO/Fe3O4/PPy填料的微波吸收性能最优,其在2.32 mm厚的-10 dB以下的频宽为1.2 GHz,最大反射损耗的值为-46.4 dB。通过在RGO/Fe3O4表面包覆导电聚合物,不仅可增加界面极化,促进电磁波在复合材料的多级反射;同时其易调节的介电性能,可改善三元复合吸收剂的阻抗匹配,提高吸收效果,并且实现轻质化目的。进一步针对采用 RGO/Fe3O4(1:4)和 RGO/Fe3O4/PANI(1:4:0.5、HCl 浓度为 0.5 mol/L)作为主体填料而制备的环氧防腐涂层的防腐-吸波性能研究。涂层以双酚A及双酚F混合树脂为基料,二甲苯为稀释剂,聚酰胺为固化剂,对制备的多功能吸收剂添加量为60 wt%,厚度为2mm的涂层,使用弓形架测试系统测试涂层的反射吸收性能。结果表明:当入射角为90度时,RGO/Fe3O4涂层最大吸收为-12.6dB,-10dB以下的频宽为3.5 GHz,而RGO/Fe3O4/PANI涂层的最大吸收为-27.2 dB,-10 dB以下频宽为4.2 GHz,RGO/Fe3O4/PANI涂层具有更好的吸收效果。利用沉降、电化学阻抗谱(EIS)、中性盐雾、质量法综合考察涂层的防腐性能。结果如下:不同浸泡时间的阻抗特征模值|Z|0.01Hz结果表明,RGO/Fe3O4/PANI涂层的整体耐蚀性能优于RGO/Fe3O4涂层。耐中性盐雾结果也从另一方面证实了 RGO/Fe3O4/PANI涂层性能较为优异,RGO/Fe3O4/PANI涂层在40天时仍未有明显鼓泡现象,而RGO/Fe3O4涂层在23天即出现明显鼓泡。进一步分析其性能优异的原因发现,沉降实验中RGO/Fe3O4/PANI填料在涂层体系中的分散性优于RGO/Fe3O4,导电聚合物的包覆改善了填料/基料界面。水传输过程研究也发现,RGO/Fe3O4/PANI涂层的饱和吸水率为1.4%,低于RGO/Fe3O4涂层的1.7%,说明三元复合涂层具有更高的致密性,同时RGO/Fe3O4/PANI涂层达到饱和的时间更长,说明功能填料中片状RGO和PANI的掺杂有效的起到了阻滞的作用。本研究成功制备出了具备防腐吸波功能的复合填料,并添加到模型涂层体系中取得了较好效果,为研究实现高效吸波和强防腐复合涂层提供了一定的基础。
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