碳纤维的应用研究
日期：2018-12-20 10:21
碳纤维( carbon fiber)对吸波结构具有特殊意义。碳纤维电阻率较低,是雷达波的强反射体,必须经过特殊处理,调节其电阻率才能使其具有吸波性能,只有经过特殊处理的碳纤维才能吸收雷达波。碳纤维的吸波性与碳化温度有关。随着碳化温度的升高,碳纤维电导率逐步增大,易作为吸波材料的导电性反射材料和增强体,但低温处理的碳纤维,由于其晶化程度低,结构更加疏松散乱,是电磁波的吸收体。有人把在500~1000℃烧成的聚丙烯腈碳纤维与环氧树脂复合,以此作为中间层制得结构型吸波材料,测得其反射衰减大于20dB的频带是8~12GHz。通过改变碳纤维原料、截面形状以及表面改性都有望获得理想的吸波性能,例如,美国“潘兴”弹道导弹头部玻璃钢的增强体为黏胶基碳纤维。
有很多方法可以使碳纤维具有吸收雷达波的适宜的电阻率。国外对碳纤维做了大量改良工作,如改变碳纤维的横截面形状和大小,制备出棱角、方形角形、三叶形等多种横截面的纤维。它们比圆形截面纤维具有更高的韧性和强度,与基体树脂的复合也更优良。B2等隐身飞机上使用的碳纤维为特殊截面,它们与玻璃纤维、PEK树脂纤维混杂编织成三向织物,可获得如同微波暗室结构而cl具有优良的吸透波性能碳纤维表面改性方法包括:在碳纤维表面沉积一层有微小空穴的碳粒或碳膜,表面喷涂一层金属镍等均可改善其电磁性能,使碳纤维具有一定的吸波性能。
碳纤维进行表面改性,在碳纤维表面掺入一层吸波介质,或在其表面涂覆掺有电磁损耗物质的树脂,沉淀一层微小孔穴的碳粉,喷涂镍或经氟化物处理都能大大提高碳纤维的吸波性能。研究表明,在碳纤维/树脂基吸波结构材料中,碳纤维的体积分数应在30%~70%,最好为编织体;树脂基体最好为不饱和聚酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯等热固性或热塑性树脂,其中以环氧树脂与碳纤维的结合最好,且在某些特定条件下具有很好的宽频吸收曲线。此外,还可对纤维进行表面处理,例如在碳纤维表面镀镍可提高复合材料吸波性能;用红外线辐射加热法制备的金属包裹的碳纤维树脂基复合吸波材料是一种薄、轻型的吸波材料,通过对纤维进行表面处理,改善碳纤维的电磁特性,以利于吸波结构。
碳纤维进行表面改性,在碳纤维表面掺入一层吸波介质,或在其表面涂覆掺有电磁损耗物质的树脂,沉淀一层微小孔穴的碳粉,喷涂镍或经氟化物处理都能大大提高碳纤维的吸波性能。研究表明,在碳纤维/树脂基吸波结构材料中,碳纤维的体积分数应在30%~70%,最好为编织体;树脂基体最好为不饱和聚酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯等热固性或热塑性树脂,其中以环氧树脂与碳纤维的结合最好,且在某些特定条件下具有很好的宽频吸收曲线。此外,还可对纤维进行表面处理,例如在碳纤维表面镀镍可提高复合材料吸波性能;用红外线辐射加热法制备的金属包裹的碳纤维树脂基复合吸波材料是一种薄、轻型的吸波材料,通过对纤维进行表面处理,改善碳纤维的电磁特性,以利于吸波结构。
研究表明,在碳纤维复合材料中,当电场方向与纤维方向垂直时,碳纤维是雷达波的反射材料(抗干扰材料):当电场方向与纤维方向平行时,碳纤维能吸收雷达波。为了使雷达隐身涂料充分发挥效能,吸波纤维(导电载体)的尺寸应与雷达工作波长相匹配,其次涂层宜为多层,每层中纤维应平行,而上下层纤维应互为垂直,而且纤维中心之间最佳距离为0.5~2.0倍波长,即入射波长与纤维中心距离相等或接近,使得雷达波反射不回去。研究结果表明:微量碳纤维/树脂复合吸波材料中,碳纤维的间距、含量对吸波性能有重要影响。其中碳纤维垂直排布吸波材料的吸波性能优于平行、正交排布方式,它在12~18GHz内有较好的反射衰减碳纤维间距为4mm,纤维规格为1000根/束时最大吸收峰达-20dB,有效频带宽度约为8GHz。等幅同相天线阵模型和碳纤维垂直排布衍射模型分别可以较好地模拟碳纤维平行排布和垂直排布吸波材料结构。
在微波吸收复合材料中,加入导电短纤维或金属丝,能引起吸波特性的变化,如果设计得当能获得具有良好吸波性能的材料,例如在含铁氧体损耗介质的环氧树脂基体中,加入平均长度为3m的镀镍碳纤维,可以大大提高其吸波性能,导电短纤维在吸波材料中起半波谐振子的作用,在导电短纤维近区存在似稳感应场,此感应场激起耗散电流,在铁氧体的作用下,耗散电流被衰减,从而电磁波能量转换为其他形式的能量,主要为热能。这些导电短纤维加入到吸波复合材料中后,均可改变材料的介电性能,增大等效介电常数的虚部,通过改变纤维的尺寸大小、含量和复合材料的厚度,可以得到各种不同性能的复合材料。此外,碳纤维表面还可以包覆镀聚苯胺,或将碳纤维做成中空状纤维,以改善碳纤维的电磁性能参数。
碳纤维与玻璃纤维、SiC纤维混合使用吸波性能较好,能在宽频范围内有效衰减雷达波。碳/碳复合材料也可以制成吸波材料,美国威廉斯国际公司研制的碳/碳复合材料适用于高温部位,能很好地抑制红外辐射并吸收雷达波,还可制成机翼前缘、机头和机尾。特殊碳纤维增强的碳/热塑性树脂基复合材料具有极好的吸波性能,能够使频率为0.1MH2~50GHz的脉冲大幅度衰减,现在已用于先进战斗机(ATF)的机身和机翼,其型号为APC。另外APC2是 CalionG40-700碳纤维与PEEK复丝混杂纱单向增强品种,特别适宜制造直升机旋翼和导弹壳体,美国隐身直升机LHX已经采用此种复合材料。
国内研究人员采用热压法制备出微量碳纤维、碳化硅纤维和黏胶基活性碳毡作为吸波剂的系列纤维/环氧树脂复合吸波材料,系统地研究了碳纤维平行、正交、垂直等不同排布方式对吸波材料吸波性能的影响和碳毡容性、感性电路模拟吸波材料的吸波特性。在此基础上把垂直排布碳纤维和感性排布碳毡复合混杂设计制备碳纤维(毡)/树脂混杂复合材料,并且可以运用弓形法测试其吸波性能和力学性能。黏胶基活性碳毡感性排布吸波材料的网格大小和毡条宽度对吸波性能有重要影响,容性吸波材料的碳毡贴片大小及贴片间距对其吸波性能影响显著。该吸波材料在9~11GHz内出现-30B以下的最大反射衰减峰。综合碳纤维垂直排布和黏胶基活性碳纤维毡感性排布在不同频段各有优异吸收,把黏胶基活性炭毡(毡条宽5mm,间距为10mm)和碳纤维垂直排布(间距8mm,100根/束)分块混杂后制备的树脂基吸波材料在10-18GHz都有大于一20dB的反射衰减;炭毡(毡条宽5mm,间距为20mm)和垂直排布碳纤维(间距4mm1000根/束)穿插排布获得均匀混杂吸波材料在8~18GHz内均有-10dB以下的反射衰减。国内还研究了一种短切碳纤维(T300)与吸波剂和树脂的吸波涂层材料,选择合适的碳纤维长度及其相对应的最佳填充量,使涂层对电磁波具有较大的衰减作用,吸收频带变宽,同时又有一定的减重效果,提高了材料的力学性能。
总之,SiC纤维和碳纤维是最常见的纤维吸波剂。SiC纤维复合材料耐高温性能非常突出,力学性能、强度、韧性也十分优异;相比之下,碳纤维复合材密度小、耐油性好,且也有很高的强度和模量。碳纤维的电阻率很低,SiC纤维的电阻率很高,两者吸波效果均不佳。将C、SiC以不同比例复合,通过人工设计,控制其电阻率,便可制成耐高温、抗氧化、具有优异力学性能和良好吸波性能的SC/C复合纤维。日本开发出一种用碳纤维增强的超轻质改性高聚物来代替传统的有机材料;制成在30MHz以上的频段吸波性能良好的阻燃性雷达波吸收材料。而碳纤维/环氧树脂复合材料被用作美军高性能战斗机的吸波表层,既有利于电磁能和静载荷的耗散,又能增强材料的力学性能。近年来国内外对纤维类结构型吸波高聚物的研究取得了一定进展,在复合材料结构上,发展出纺丝混杂、多层、多层夹茫等新型结构,例如,把在500~100℃烧成的聚丙烯腈碳纤维与环氧树脂复合作为结构型吸波材料的中间层,在整个X波段有大于20dB的反射衰减。
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