纳米吸波材料作为隐身材料的研究
日期：2018-11-19 10:14
碳纳米管在航空领域的应用
纳米颗粒尺寸为1~100m,纳米颗粒除了具备上述纳米材料的共性外,其优异的吸波性能还来源于:①随着颗粒的细化,颗粒的表面效应变得突出,纳米颗粒的界面极化和多重散射成为重要的吸波机制;②纳米颗粒量子尺寸效应使纳米颗粒的电子能级发生分裂,其间隔正处于微波能量范围(10-5~10-eV),从而导致新的吸波通道。纳米涂料指的是将纳米颗粒用于涂料当中获得具有某些特殊功能的涂料。一方面纳米涂料在常规的力学性能如附着力、抗冲击、柔韧性方面会得到提高;另一方面有可能提高涂料的耐老化、耐腐蚀、抗辐射性能。此外,纳米涂料还可能呈现出某些特殊功能,如自清洁、抗静电、隐形吸波、阻燃等性能。目前用于涂料的纳米颗粒有三类是金属氧化物;如TiO2、ZnO2、Al2O3、Fe2O3等;二是纳米金属粉末,如A、T、Cr、Nd、Mo等:三是无机盐类,如CaCO3以及层状硅酸盐等,如一维的纳米级黏土。
纳米粉体独特的结构使其自身具有量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和界面效应等,将其作为填料制备的电磁屏蔽涂料具有频带宽、兼容性好、面密度低涂层薄的特点。纳米金属粉体吸波复合材料具有微波磁导率较高、温度稳定性好(居里温度高达770K)。磁性纳米颗粒、纳米颗粒膜和多层膜是纳米材料用作隐身材料的主要形式。磁性纳米颗粒具有较高的矫顽力,具有铁磁性的金属纳米颗粒与电磁波有强烈的相互作用,可引起大的磁滞损耗,增加了对电磁波的吸收。美国研制出的“超黑粉”纳米吸波材料,对雷达波的吸收率大于99%。法国研制的金属纳米微屑作填充剂的吸波材料在50MHz-50GHx都有良好的吸波性能。纳米软磁金属及合金具有较大的饱和磁感,高的磁滞损耗、高的矫顽力而造成涡流损耗高、居里点及使用温度高、吸波频率宽等性能。研究表明,纳米颗粒对微波吸收能力较非纳米级粒子强得多,许多纳米物质如纳米氧化铝、氧化钛、氧化硅、碳化硅等对红外有很强的吸收,而且有微波红外吸收兼容、宽频带吸收、反射率很低的性质。纳米物质的高效吸波性能也将有利于减轻材料的质量。
有研究者通过实验对纳米材料Fe3O4/SiC的相对复磁导率P、相对复介电常数E、磁损耗正切和电损耗正切在不同频率范围内进行了测试,结果表明Fe3O4样品在1.4GHz附近有较强的磁损耗,在12GHz和14.6GHz附近出现了较强的介电损耗,SiC样品在10GHz和15GHz附近出现了较强的介电损耗。通过对满足一定条件的单、双层吸波材料在频率8~18GHz范围内吸波效能的优化设计与仿真,发现Fe3O4的吸波效能主要表现在Ku波段(12~18GHz),而SiC的吸波效能主要表现在X波段(8~12GHz),其中单层反射损耗最低达约25dB,反射损耗低于一10dB的带宽接近5GHz,双层反射损耗最低峰值约53dB,反射损耗低于-10dB的频带宽度约为4GHz。针对优化结果结合实验条件制备了相应的单、双层纳米吸波涂层,并利用微波暗室对实验涂层样品进行了吸波效果测量,结果表明所研制的双层吸波材料具有更好的吸波性能。
对于装备表面的吸波涂层而言,除了要有吸波效应外,还必须具备足够的力学性能。用刚性纳米颗粒对力学性能有一定脆性的聚合物增韧是改善聚合物力学性能的另一种可行性方法。随着无机颗粒微细化技术和颗粒表面处理技术的发展,塑料的增韧改性彻底冲破了以往在塑料中加入橡胶类弹性体的做法,而弹性体韧性往往是以牺牲材料宝贵的刚性、尺寸稳定性、耐热性为代价的。从复合材料的观点出发,若颗粒刚硬且与基体树脂结合良好,刚性无机颗粒也能承受拉伸应力,起到增韧增强作用。对于超微无机颗粒增韧改性机理一般认为:①刚性无机颗粒的存在产生应力集中效应,易引发周围树脂产生微开裂,吸收一定的变形功;②刚性颗粒的存在使基体树脂裂纹扩展受阻和钝化,最终终止裂纹不致发展为破坏性开裂:③随着填料的微细化,颗粒的比表面积增大,因而填料与基体接触面积增大,材料受冲击时,由于刚性纳米颗粒与基体树脂的泊松比不同,会产生更多的微开裂,吸收更多的冲击能并阻止材料的断裂。但若填料用量过大,颗粒过于接近,微裂纹易发展成宏观开裂,体系性能变差。
采用纳米刚性颗粒填充高聚物树脂,不仅会使材料韧性、强度方面得到提高,而且其性能价格比也将是其他材料不能比拟的。另外由于某些工程塑料价格较高,人们希望尽量利用加工及生产过程中的二次料,但热塑性树脂经二次加工后各种性能均会有不同程度的下降,利用刚性纳米颗粒对废料进行一定的改性后可有效提高热塑性工程塑料的废料利用率和降低成本,从而可缓解资源短缺以及环境污染等问题。以CaCO3、SiO2等为代表的高聚物/刚性纳米颗粒复合材料已经获得了广泛的生产和应用。
此外,金属氧化物纳米粉同高聚物复合往往具备常规材料没有的特性。如果用这些纳米材料与高聚物复合将会得到具有一些特异功能的高分子复合材料,将其用于各种高技术产业将会有广阔的发展空间。金属纳米粉体对电磁波有特殊的吸收作用。铁、钴、氧化锌粉末及碳包金属粉末可作为军用高性能毫米波隐身材料、可见光红外线隐身材料和结构式隐身材料,以及手机辐射隐蔽材料。另外,铁,钴、镍纳米粉有相当好的磁性能;铜纳米粉末的导电性优良;氧化锌纳米粉体具有优良的抗菌性能。用它们与高聚物复合将可以给高聚物树脂带来许多新的0功能,使其能更广泛地应用于军事、航空航天、电子等高业的技术进步和升级换代,服务于社会的进步与发展。
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