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三層涂層柔性復(fù)合材料介電性能探索

時(shí)間:2020-07-30 18:10:11 材料畢業(yè)論文 我要投稿

三層涂層柔性復(fù)合材料介電性能探索

  為了開發(fā)具備良好介電性能和力學(xué)性能的多功能吸波復(fù)合材料,以滌綸針織物為基布,以環(huán)氧樹脂為基體,在基布上進(jìn)行石墨/碳化硅/鐵氧體三層復(fù)合涂層整理,制備1.5 mm涂層厚度的柔性紡織涂層復(fù)合材料.下面是小編搜集整理的相關(guān)內(nèi)容的論文,歡迎大家閱讀參考。

  摘要:研究了鐵氧體含量、碳化硅含量、石墨含量對三層涂層復(fù)合材料介電常數(shù)的影響,在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上制備了介電性能最佳的涂層復(fù)合材料,并測試了該復(fù)合材料的剪切、拉伸、彎曲性能。結(jié)果表明:鐵氧體含量為60%,碳化硅含量為36%,石墨含量為24%時(shí),鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料的介電性能良好;該復(fù)合材料具備良好的剪切、拉伸、彎曲性能。

  關(guān)鍵詞:聚酯纖維;介電常數(shù);三層涂層;復(fù)合材料

  引言;

  隨著現(xiàn)代科技不斷進(jìn)步,電磁波輻射的危害日益增大,例如飛機(jī)因受到電磁波影響無法起飛而誤點(diǎn);移動(dòng)電話等通訊設(shè)備影響醫(yī)院某些電子診療儀器正常工作等[1-3]。因此,治理電磁波污染刻不容緩,制備抵御或減少電磁輻射的材料,已成為當(dāng)今科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題[4-5]。本課題研究目的是為最終開發(fā)出較為實(shí)用的吸波涂層復(fù)合材料做最基礎(chǔ)性研究。本課題選用磁損耗率較大的鐵氧體作為底層吸波劑[6],選用電阻率可調(diào)的介電損耗型吸波材料碳化硅作為中層吸波劑[7],選用密度較小的電阻型吸波材料石墨作為表層吸波劑[8-12]。選用聚酯纖維針織物為基布,以E44型環(huán)氧樹脂為基體,以650聚酰胺樹脂為固化劑,以乙醇為稀釋劑,制備底層、中層、表層吸波劑分別是鐵氧體、碳化硅、石墨的三層涂層復(fù)合材料。重點(diǎn)研究鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料的介電性能,初步探討了其力學(xué)力學(xué)性能。

  一、實(shí)驗(yàn)材料及方法

  1.1實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

  聚酯纖維針織物,E44型環(huán)氧樹脂,650聚酰胺樹脂,石墨粉末,碳化硅粉末,鐵氧體粉末,無水乙醇。BDS50型介電譜儀;LTE-S87609型涂層機(jī);3369萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)等。

  1.2涂層織物的`制備

  1)取適量無水乙醇與E44型環(huán)氧樹脂均勻混合;2)將鐵氧體粉末加入上述環(huán)氧樹脂混合物中均勻混合;3)將一定量650聚酰胺樹脂加入上述混合物中攪拌至均勻,底層鐵氧體涂層劑制備完畢;4)將基布(聚酯纖維針織物)固定在涂層機(jī)上,取適量鐵氧體涂層劑進(jìn)行涂層整理;5)60℃真空烘燥3h,復(fù)合材料的底層鐵氧體涂層(0.5mm)制備完畢;6)重復(fù)底層涂層操作步驟,可制得復(fù)合材料的中層碳化硅涂層(0.5mm)和表層石墨涂層(0.5mm)。該復(fù)合材料示意圖如圖1所示。

  1.3測試指標(biāo)和方法

  1.3.1介電性能根據(jù)SJ20512-1995《微波大損耗固體材料復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率測試方法》標(biāo)準(zhǔn),在BDS50介電譜儀上(電極片直徑R=20mm、溫度620~22℃、濕度64%~66%RH)測試鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部、虛部和損耗角正切,測試原理如圖2所示。

  1.3.2剪切性能根據(jù)JCT773-2010短梁法,在Instron萬能材料試驗(yàn)機(jī)上測試鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度,每組測試20個(gè)樣品然后計(jì)算其平均值[13-16]。復(fù)合材料規(guī)格長度L為(20±1)mm,厚度h為(2±0.2)mm,寬度b為(10±0.2)mm,加載速度為1mm/min,跨距為5h±0.3mm,剪切試樣如圖3所示。

  1.3.3拉伸性能和彎曲性能根據(jù)GB1447-2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法,在Instron萬能材料試驗(yàn)機(jī)上測試鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料的拉伸性能,每組測試20個(gè)樣品然后計(jì)算其平均值。根據(jù)GB1449-2005《彎曲性能測試方法》,采用三點(diǎn)彎曲法在Instron萬能材料試驗(yàn)機(jī)上測試鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料的彎曲性能,每組測試20個(gè)樣品然后計(jì)算其平均值。

  二、結(jié)果與討論

  2.1底層吸波劑含量對涂層復(fù)合材料介電常數(shù)的影響

  為了探討鐵氧體含量對鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料介電常數(shù)影響,制備了一系列涂層復(fù)合材料,其工藝參數(shù)如表1所示。圖4為不同鐵氧體含量的復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切曲線。鐵氧體吸波機(jī)理屬于磁損耗型,主要是通過磁滯損耗、鐵磁共振、渦流損耗吸收電磁波,最終將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能。介電常數(shù)是外電場頻率的函數(shù),實(shí)部代表樣品在外加電場作用下的極化程度,其值越大則樣品極化能力越強(qiáng)。由圖4(a)可知:在較低頻率范圍內(nèi),鐵氧體含量為48%和60%的復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部數(shù)值高于另外4組;在較高頻率范圍內(nèi),6組復(fù)合材料的實(shí)部曲線近似重合,鐵氧體含量對介電常數(shù)實(shí)部影響較小。虛部代表樣品在外加電場作用下電偶極矩產(chǎn)生重排引起能量損耗的量度,其值越大則對電磁波損耗能力越強(qiáng)。由圖4(b)可知:在較低頻率范圍內(nèi),鐵氧體含量60%的復(fù)合材料介電常數(shù)虛部數(shù)值明顯高于另外5組,介電常數(shù)虛部由大到小依次是底層鐵氧體含量為60%、48%、36%、24%;在較高頻率范圍內(nèi),虛部曲線均近似重合。損耗角正切表征樣品的吸波衰減能力,其值越大則吸波性能越好。由圖4(c)可知:在較低頻率范圍內(nèi),鐵氧體含量60%的復(fù)合材料的損耗角正切數(shù)值明顯高于另外5組,損耗角正切由大到小依次是底層鐵氧體含量為60%、48%、36%、24%;在較高頻率范圍內(nèi),復(fù)合材料損耗角正切曲線相互重合。即當(dāng)涂層厚度一定時(shí),隨鐵氧體含量增加,復(fù)合材料的介電常數(shù)虛部數(shù)值和損耗角正切數(shù)值均增大。綜上所述,鐵氧體含量為60%的三層涂層復(fù)合材料介電性能最佳。

  2.2中層吸波劑含量對涂層復(fù)合材料介電常數(shù)的影響

  為了探討碳化硅含量對鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料介電常數(shù)影響,制備了一系列涂層復(fù)合材料,其工藝參數(shù)如表2所示。圖5為不同碳化硅含量的復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切曲線。碳化硅吸波機(jī)理屬于介電損耗型,主要是通過介質(zhì)的極化弛豫損耗吸收電磁波。由圖5(a)可知:在較低頻率范圍內(nèi),碳化硅含量為36%和60%的涂層復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部數(shù)值明顯高于另外4組,碳化硅含量為36%的介電常數(shù)實(shí)部數(shù)值是另外4組的近4倍,碳化硅含量為60%的復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部數(shù)值是另外4組的近兩倍;在較高頻率范圍內(nèi),三層涂層復(fù)合材料實(shí)部曲線均近似重合。由圖5(b)可知:在較低頻率范圍內(nèi),碳化硅含量為36%的涂層復(fù)合材料介電常數(shù)虛部數(shù)值最高,其次是碳化硅含量為60%的實(shí)驗(yàn)組;在較高頻率范圍內(nèi),復(fù)合材料虛部曲線相互重合。由圖5(c)可知:在較低頻率范圍內(nèi),碳化硅含量為36%的涂層復(fù)合材料損耗角正切最大;在較高頻率范圍內(nèi),不同碳化硅含量的復(fù)合材料損耗角正切曲線近似重合。即當(dāng)涂層厚度一定時(shí),隨碳化硅含量增加,介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切數(shù)值均增大,碳化硅含量為36%的涂層復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切數(shù)值達(dá)到最大,碳化硅含量超過36%時(shí)介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切數(shù)值明顯下降。綜上所述,碳化硅含量為36%的三層涂層復(fù)合材料介電性能最佳。

  2.3表層吸波劑含量對涂層復(fù)合材料介電常數(shù)的影響

  為了探究石墨含量對鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料介電常數(shù)影響,制備了一系列涂層復(fù)合材料,其工藝參數(shù)如表3所示。圖6為不同石墨含量的復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部、虛部以及損耗角正切曲線。石墨是導(dǎo)電型吸波材料,吸波機(jī)理屬于電損耗型,當(dāng)樣品受到外界磁場感應(yīng)時(shí),在樣品內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流又產(chǎn)生與外界磁場方向相反的磁場,從而與外界磁場相抵消,達(dá)到對外界電磁場的屏蔽作用。由圖6(a)可知:在較低頻率范圍內(nèi),石墨含量為24%的涂層復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部數(shù)值明顯高于另外5組,其介電常數(shù)實(shí)部數(shù)值是另外5組的近4倍;在較高頻率范圍內(nèi),三層涂層復(fù)合材料實(shí)部曲線均近似重合。由圖6(b)可知:在較低頻率范圍內(nèi),石墨含量為24%的涂層復(fù)合材料介電常數(shù)虛部數(shù)值最高;在較高頻率范圍內(nèi),復(fù)合材料虛部曲線相互重合。由圖6(c)可知:在較低頻率范圍內(nèi),石墨含量為24%的涂層復(fù)合材料損耗角正切最大;在較高頻率范圍內(nèi),不同石墨含量的復(fù)合材料損耗角正切曲線近似重合。即當(dāng)涂層厚度一定時(shí),石墨含量為24%的涂層復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切數(shù)值均最大,石墨含量超過24%時(shí)介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切數(shù)值大幅下降。綜上所述,石墨含量為24%的三層涂層復(fù)合材料介電性能最佳。

  2.4三層涂層復(fù)合材料力學(xué)性能研究

  為了探究鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料的力學(xué)性能(剪切、拉伸、彎曲),制備了介電性能最佳的1.5mm涂層厚度的復(fù)合材料(三層厚度均為0.5mm),其工藝參數(shù)如表4所示。圖7為鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料的剪切、拉伸、彎曲性能曲線。由圖7(a)剪切位移-載荷曲線可知:隨剪切位移增加,載荷增大,當(dāng)位移增大到1.8mm時(shí),三層涂層復(fù)合材料剪切強(qiáng)力達(dá)到最大值31.4N,可知最大剪切應(yīng)力為12.5MPa,最大剪切應(yīng)變?yōu)?.5%。由圖7(b)拉伸位移-載荷曲線可知:三層涂層復(fù)合材料初始模量為586MPa,隨形變增大,復(fù)合材料拉伸應(yīng)力呈波動(dòng)式增大,這可能是因?yàn)殍F氧體/碳化硅/石墨涂層與滌綸針織物斷裂不同造成。當(dāng)拉伸位移為13mm時(shí),涂層復(fù)合材料達(dá)到最大載荷954N,同時(shí)達(dá)到最大應(yīng)力973gf/tex。當(dāng)達(dá)到最大位移14.7mm時(shí),涂層復(fù)合材料整體發(fā)生完全斷裂,斷裂伸長率為14.7%。由圖7(c)彎曲應(yīng)變-應(yīng)力曲線可知:彎曲應(yīng)變小于1%時(shí),彎曲應(yīng)力值為0。隨著彎曲應(yīng)變增加,三層涂層復(fù)合材料彎曲應(yīng)力隨之增大。當(dāng)彎曲應(yīng)變增加到11%時(shí),彎曲應(yīng)力達(dá)到最大值24MPa,此時(shí)鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料的最大彎曲位移為8.4mm,最大彎曲強(qiáng)力為32N。

  三、 結(jié)論

  1)當(dāng)涂層厚度一定時(shí),隨鐵氧體含量增加,三層涂層復(fù)合材料的介電常數(shù)虛部數(shù)值和損耗角正切數(shù)值均增大,鐵氧體含量為60%的復(fù)合材料介電性能最佳;

  2)當(dāng)涂層厚度一定時(shí),隨碳化硅含量增加,介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切數(shù)值均增大,碳化硅含量為36%的涂層復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切數(shù)值達(dá)到最大,碳化硅含量超過36%時(shí)介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切數(shù)值明顯下降,即碳化硅含量為36%的三層涂層復(fù)合材料介電性能最佳;

  3)當(dāng)涂層厚度一定時(shí),石墨含量為24%的涂層復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切數(shù)值均最大,石墨含量超過24%時(shí)介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切數(shù)值大幅下降,即石墨含量為24%的三層涂層復(fù)合材料介電性能最佳;4)鐵氧體/碳化硅/石墨三層涂層復(fù)合材料具備良好的剪切、拉伸、彎曲性能。剪切強(qiáng)力和剪切應(yīng)力最大值分別為31.4N、12.5MPa,最大剪切應(yīng)變?yōu)?.5%。當(dāng)達(dá)到最大位移14.7mm時(shí),涂層復(fù)合材料整體發(fā)生完全斷裂,斷裂伸長率為14.7%。復(fù)合材料最大彎曲位移為8.4mm,最大彎曲強(qiáng)力為32N。

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