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镀镍碳纤维-芳纶纤维增强复合材料性能研究

更新时间:2009-03-28

现代战场环境随着各类攻击、探测手段的发展变得越来越恶劣,武器装备不仅面临全天候、全方位侦察监视的威胁,同时还要防止系统内部电子设备电磁信息的泄露。新型复合材料设备舱是作为整车系统的控制系统和电子设备主要依附空间,其性能直接决定整车系统在未来战场的生存能力和作战使用效能,同时也是敌方侦察和打击的重点目标,必须在保障发射车系统机动性的前提下,具备优良的电磁防护能力。这就要求舱体既要防止电磁信息的泄露,又要具有一定的隐身性能。实验制备了一种高屏效、强吸收的复合材料,以满足现代舱体对多功能蒙皮材料的要求。

1 实验部分

1.1 主要材料

 

表1 主要试验材料

  

材料规格厂家环氧树脂F-46无锡树脂厂BF3·乙胺分析纯美国Atotch公司偶联剂KH-550天津化学试剂有限公司丙酮化学纯天津化学试剂有限公司镀镍碳纤维布12K,300g宜兴华恒芳纶纤维200g宜兴华恒碳纳米管—清华大学

1.2 实验仪器及测试设备

试件制备:热压罐RYG-54。屏蔽效能测试:函数发生器22350A,频谱分析仪MS2726C,双脊喇叭天线SAS。吸波性能测试:矢量网络分析仪YS-25。密度测试:密度电子天平SCT-233。拉伸强度测试:微机控制电子万能试验机SCT-57。

1.3 纤维预浸料制备

将用量为6wt%的碳纳米管加到环氧树脂F-46中,75℃下揽拌混合均匀并脱气泡,然后再添加30%固化剂BF3·乙胺和5%丙酮,搅拌均匀并脱气泡,制得蒙脱土/环氧浸渍液。将经过偶联剂处理的玻璃纤维布和芳纶纤维布,分别浸入碳纳米管/环氧浸渍液,得到玻璃纤维预浸料和芳纶纤维预浸料,纤维的含量为35%。

将环氧树脂F-46添加30%固化剂BF3·乙胺和5%丙酮,75℃下搅拌混合均匀并脱气泡,制得环氧浸渍液。将经过偶联剂处理的碳纤维布和镀镍碳纤维布,分别浸入环氧浸渍液,得到碳纤维预浸料和镀镍碳纤维预浸料,纤维的含量为35%。

1.4 层合板制备

用热压罐工艺制备复合材料板材,板材尺寸为1000mm×800mm。

 

表2 实验方案

  

样品编号尺寸反射层厚度吸波层厚度1#1000mm×800mm×4mm镀镍碳纤维预浸料2mm芳纶纤维预浸料2mm2#1000mm×800mm×4mm镀镍碳纤维预浸料2mm玻璃纤维预浸料2mm3#1000mm×800mm×4mm碳纤维预浸料2mm芳纶纤维预浸料2mm4#1000mm×800mm×4mm碳纤维预浸料2mm玻璃纤维预浸料2mm

  

图1 热压罐封装示意图

  

图2 热压罐工艺曲线

2 测试

2.1 反射率

从图2可以看出,镀镍碳纤维-芳纶纤维样板的反射率在8.1-12.4GHz,在10.6GHz时,峰值达到15.59dB。与玻璃纤维相比,芳纶纤维的电性能与空气介质更匹配,增加了入射电磁波的比例,使更多的电磁波通过吸波体,提高了复合材料的吸波性能。用镀镍碳纤维代替碳纤维后,吸波复合材料的反射面导电性增强,对样品的反射率有所增加。

  

图3 不同样板反射率测试

依据标准GJB 2038A—2011分别裁切反射率测试样品4块,样品尺寸180mm×180mm,分别测试其反射率,结果如图3所示。

2.2 屏蔽效能

依据标准制备拉伸强度测试样品4组,每组5个,样品尺寸为200mm×20mm,并分别测试其拉伸强度取平均值,结果如表4。

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图4 不同样板屏蔽效能测试

(1)从表5可以看出,在常见的透波性能较好的增强纤维中,芳纶纤维是一种高强度、高模量、低密度的有机纤维,它的强度比玻璃纤维高,质量比玻璃纤维轻,热膨胀系数低,抗疲劳性好,具有一定的竞争能力。与树脂结合可以得到低密度、高强度、良好透波性能的复合材料。

2.3 密度

依据标准GB/T 1463—2005制备密度测试样品4块,样品尺寸10mm×10mm,分别测试其密度,结果见表3。

 

表3 不同样板密度测试

  

样品编号组成密度(g/cm3)1#镀镍碳纤维-芳纶纤维1.512#镀镍碳纤维-玻璃纤维1.703#碳纤维-芳纶纤维1.484#碳纤维-玻璃纤维1.67

By changing the carrier concentration, the plasma frequency changes, thereby changing the dielectric constant. The complex refractive index is given by:

2.4 拉伸强度

依据标准GB/T 12190—2006制备屏蔽效能测试样品4块,样品尺寸为200mm×200mm,分别测试其屏蔽效能,结果如图4所示。

 

表4 不同样板拉伸强度测试

  

样品编号组成拉伸强度(MPa)1#镀镍碳纤维-芳纶纤维5422#镀镍碳纤维-玻璃纤维5393#碳纤维-芳纶纤维5854#碳纤维-玻璃纤维573

芳纶纤维的力学性能接近玻璃纤维,碳纤维经过表面金属强化后对其力学性能影响不大。复合材料拉伸强度可达585MPa。

对于建筑符号的讨论常常提到历时性与共时性。语言学家费尔迪南·德·索绪尔认为语言随着时空的变化是存在动态关系与静态关系的[6],建筑语言也存在这样的历时性与共时性。历时性指的是系统随着时间流逝而发生的变化;共时性指的是在某个特定时间系统内部各因素之间的关系。

用芳纶纤维代替玻璃纤维可以显著降低材料的密度,对设备的减重效果比较明显。

3 讨论

通过表面金属强化可以大幅提高碳纤维的导电性,用镀镍碳纤维/环氧树脂作为屏蔽层制备的复合材料,屏效在10GHz时达到98dB。

 

表5 常用透波型增强纤维的物理性能和点性能

  

测试项目Kevlar玻纤石英尼龙密度(g/cm3)1.402.072.651.15拉伸强度(MPa)3820380048003100介电常数4.106.103.803.03损耗角正切0.00400.02000.00010.020价格适中较低高适中

(2)结构型吸波材料除了要具备良好的吸波性能之外,还要有比较好的力学性能。现在广泛使用的大多数颗粒型吸收剂,加入到复合材料中后,材料的整体力学性能会有所降低,而且增加了复合材料的密度,不适合用于制备轻型结构型吸波材料。而碳纳米管虽然吸波性能有限,但是它的介电常数可调、密度小、添加量少,而且对复合材料的力学性能有所增强,可以广泛用于轻质吸波复合材料。

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(3)碳纤维是一种高性能的增强纤维,具有明显的各向异性,沿纤维轴向轻度高,模量高。碳纤维不但具有比金属钛和钢更高的强度,且模量超过所有金属、有机高分子和无机陶瓷纤维。同时碳纤维有优异的电、热传导性,阻燃性能良好,热膨胀系数极低,并且还有低辐射线吸收性、非磁性和极好的振动阻尼性、抗疲劳和抗蠕变性能。碳纤维本身就是良导体,电阻率一般在1Ω·cm左右。为了进一步提高碳纤维屏蔽纸的屏蔽性能,使之应用于屏蔽要求更严格的场合,可以通过表面金属强化来进一步提高碳纤维的导电性。研究表明,镀镍碳纤维体积电阻率可达到10-4Ω·cm,是理想的电磁屏蔽填充物,而且其具有抗氧化和抗腐蚀性能好等优点。

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4 结论

本文用碳纳米管作为吸波材料,用镀镍碳纤维/芳纶纤维作为增强纤维,与环氧树脂复合制备了一种高强度、高屏效的轻质吸波复合材料,并测试了其屏蔽效能、反射率、密度及拉伸强度。结果表明,镀镍碳纤维/芳纶纤维增强复合材料可以作为设备舱的蒙皮材料,既能防止内部电子设备的电磁信息泄露,又具有较好的隐身效果,可以躲避敌方雷达的探测,有效提高了武器装备在战场上的生存能力。

参考文献

[1] 张国兵,佟洁,电力电子装置的EMC设计[J].认证与电磁兼容卷,2006(12):24-27.

[2] 钱振宇,史建华.开关电源的电磁兼容性设计、测试和典型案例[M]. 北京:电子工业出版社,2011.

[3] 李哗.对位芳纶的发展现状、技术分析及展望[J].合成纤维,2009,9(2):1-5.

[4] Ghezzi F, Magni S, Milani M, Tatti F. Carbon Fiber Composite Targets for Nuclear Fusion Technology: A Focused Ion Beam/Scanning Electron Microscope Investigation[J]. Scanning, 2007, 29(6): 254-260.

[5] 闫丽丽, 乔妙杰, 雷忆三, 等.化学镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料电磁屏蔽性能[J].复合材料学报,2013, 30(2):44-49.

[6] 张积桥,杨玉国,朱红.碱性条件下碳纤维镀镍[J].表面技术,2007,37(2).

 
张建东,王富强,苏青林,刘鹏,刘艳
《高科技纤维与应用》2018年第02期文献
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