MWCNTS/Fe3O4纳米复合材料多层及大尺度空间吸波研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:WUTEK2008
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烟幕技术是最早被应用在军事隐身领域,随后才发展到雷达隐身技术,包括涂敷型和结构型雷达隐身技术。上述的隐身技术都涉及到吸波材料,因而研究吸波材料如何应用在隐身技术上具有重要的实用价值。新型吸波材料不仅广泛应用在军事隐身、航空航天等军用领域和个体防护、通信等民用领域中,而且还能作为新型烟幕干扰材料应用在烟幕隐身。通过复合材料的协同作用,协调其不同吸收频段、不同吸收损耗机理及不同物理特性等以实现“轻、薄、宽、强”的吸波要求。因此,选择制备简易、廉价的电损耗型的多壁碳纳米管(MWCNTs)和磁损耗型的纳米四氧化三铁(Fe3O4)颗粒制备复合型材料,研究其单层、多层结构及大尺度空间分布时的吸波特性,对其在吸波隐身领域的应用发展起到借鉴作用。目前,国内外的专家学者研究吸波隐身技术仅局限于毫米厚度的涂层吸波和结构吸波,而对于纳米吸波材料在米量级的大尺度空间的吸波暂无研究。本文作为空中动态吸波的初期成果之一,旨在从四个方面对MWCNTs/Fe3O4复合颗粒的吸波特性进行研究,即从微观角度到单层薄板,再到多层薄板,然后到大尺度空间的吸波特性进行研究。首先,将MWCNTs和Fe3O4这两种不同类型的吸波材料用球磨机进行共混复合,制备出MWCNTs/Fe3O4纳米复合材料;并利用XRD、TEM、FT-IR和网络矢量分析仪对球磨混合后的MWNTs/Fe3O4纳米复合材料特性进行表征,建立MWNTs/Fe3O4纳米复合材料的微波衰减模型;并将计算得出反射率的值和自由空间传输模型计算的反射率值进行比较,进一步揭示了 MWNTs/Fe3O4纳米复合颗粒的吸波机理。推导得出的MWNTs/Fe3O4纳米复合材料的微波衰减机理的模型计算的反射率随着频率的增加而逐渐减小;且模型计算的结果与自由空间传输模型计算的结果趋势几乎一致,该研究为我们预测MWNTs/Fe3O4纳米复合材料的微波吸收能力和减少实验盲目性提供了一个很好的方法。接着,将丁晴橡胶粉末(NBR)和球磨后的MWCNTs/Fe3O4纳米复合颗粒进行混合,并用平板硫化机进行制备出MWCNTs/Fe3O4/NBR复合材料薄板;将制得的MWCNTs/Fe3O4纳米混合粉末和MWCNTs/Fe3O4/NBR复合材料薄板用XRD、SEM、TEM、振动样品磁力仪和网络矢量分析仪等仪器进行表征和测试,研究单层MWCNTs/Fe3O4/NBR复合材料薄板的吸波性能。通过计算和实验测量其反射系数的值在-23.28dB~-6.17dB之间,其中低于-10dB的频段为2GHz~6GHz;在2~8GHz频段上,推导的吸波模型计算得出的电磁波衰减值和用自由空间法实验测量的衰减值几乎一致;在8~18GHz频段上,吸波模型计算得出的电磁波衰减值大于用自由空间法实验测量的衰减值。然后,在单层MWCNTs/Fe3O4/NBR复合材料薄板研究的基础上,研究多层MWCNTs/Fe3O4/NBR复合材料薄板存在空气层时的吸波特性。利用COMSOL模拟计算出复合薄板在空间的吸波特性,并利用四端口网络矩阵进行等效计算复合薄板在空间的吸波特性,再用自由空间法实测其反射衰减损耗,并将三种方法计算得到的结果进行对比分析。数值模拟、四端口网络矩阵等效和自由空间法测量的反射损耗衰减值的结果趋势几乎一致;且三种结果均显示在频段6~14GHz,其反射损耗的值均小于-10dB,即达到吸收电磁波的90%;与单层薄板吸波的研究结果对比展示了多层吸波结构的设计促使电磁波尽可能的进入吸波层而吸收损耗,且改善吸波效果和扩宽频段。最后,考虑到MWNTs/Fe3O4纳米复合颗粒在厘米波频段具有较好的吸波效果,将其作为新型烟幕剂,散布在米量级的大尺度空间,建立一种纳米颗粒大尺度(米量级厚度)空间分布的吸波模型。运用7Kg、13Kg、100Kg云爆装置将MWCNTs/Fe3O4纳米颗粒分布在空间,并研究电磁波通过此3m、5m和11m三种大尺度空间的吸波特性;用COMSOL进行数值模拟,计算其反射率R,并与传输模型计算得到的反射率R’比较分析;通过与厚度为2.71mm的单层MWCNTs/Fe3O4/NBR薄板及厚度为28.13mm的多层薄板的反射系数的值对比分析,揭示了 MWCNTs/Fe3O4颗粒在大尺度空间的吸波机理。
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