【摘 要】
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电磁吸波材料和结构在电磁防护、雷达隐身、通讯系统等军民两用领域有重要应用价值。理想的电磁吸波体不仅要满足宽频吸波和强吸收的性能要求,还应具有柔性贴面、抗冲击、可拉伸、轻质量等实际应用需求。目前单一磁性颗粒（如铁、钴、镍等）虽具有磁损耗强、成本低等优点,但其密度大、易腐蚀、阻抗匹配差、有效吸频窄等缺点严重制约在电磁屏蔽吸波领域中的广泛应用;而结合一/二维碳纳米材料（如碳纳米管、石墨烯等）,以热塑/固
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电磁吸波材料和结构在电磁防护、雷达隐身、通讯系统等军民两用领域有重要应用价值。理想的电磁吸波体不仅要满足宽频吸波和强吸收的性能要求,还应具有柔性贴面、抗冲击、可拉伸、轻质量等实际应用需求。目前单一磁性颗粒（如铁、钴、镍等）虽具有磁损耗强、成本低等优点,但其密度大、易腐蚀、阻抗匹配差、有效吸频窄等缺点严重制约在电磁屏蔽吸波领域中的广泛应用;而结合一/二维碳纳米材料（如碳纳米管、石墨烯等）,以热塑/固性聚合物为基体通过简易成形加工制备兼顾介电和磁损耗的新型电磁吸波复合材料已受到广泛关注。本文针对电磁防护/力学承载一体化设计和制备问题,讨论了多层结构在TM极化波斜入射下电磁反射率的电动力学理论模型;以溶剂热法合成的蝌蚪状碳纳米管/四氧化三铁（CNTs@Fe3O4）和珊瑚状碳纳米管/石墨烯纳米片/四氧化三铁（CNTs@GN@Fe3O4）纳米颗粒为前驱体,复合自发泡聚氨酯制备了一系列的多层磁性泡沫（CNTs@Fe3O4/PU或CNTs@GN@Fe3O4/PU）,系统研究了颗粒形貌、泡孔尺寸、多层结构、表面-界面、温度变化等对其静磁性能、电导率、吸波性能及拉伸力学特性的影响规律。具体研究内容如下:1、通过溶剂热法合成了蝌蚪状CNTs@Fe3O4磁性纳米颗粒,并进一步将其分散在单组分湿气固化聚氨酯中进行自发泡,得到CNTs@Fe3O4/PU复合磁性泡沫。90CNTs@Fe3O4/PU复合磁性泡沫的电导率达到了12.86S/cm,远大于Fe3O4/PU的电导率,说明CNTs对复合材料电导率的提升具有明显的效果。90CNTs@Fe3O4/PU复合磁性泡沫的拉伸强度为3.5MPa,是纯PU的1.48倍,但是CNTs的掺杂会降低泡沫的抗形变能力。70CNTs@Fe3O4/PU在2.0mm厚度下的RLmin值达到-42.63d B,有效吸收频宽为4.91GHz。通过温度调节,发现该磁性泡沫具有温控性,并且可以有效改善材料的吸波性能,如70CNTs@Fe3O4/PU在313K时,其匹配厚度2.0mm的RLmin达到-55.65d B,性能比常温下提高了27.9%。2、通过溶剂热法合成了珊瑚状CNTs@GN@Fe3O4纳米复合材料。50C2G1的样品在2.28mm厚度时,RLmin值可以达到-59.44d B,有效吸收频宽为6.09GHz（8.36GHz-14.45GHz）,近乎完美的实现了对X波段的全覆盖吸收。GN的引入一方面使得磁性泡沫的电阻对于基体的形变更加敏感,另一方面增大了材料的拉伸性能。同时升高温度可以明显增大磁性泡沫的吸波强度并减小匹配厚度,70C1G2在333K时在14.31GHz处产生的RLmin值为-55.69d B,最小匹配厚度减小为1.5mm。3、采用LBL分层浇筑的方法制备了一系列的双/三层结构磁性泡沫,通过对泡沫形貌、电磁参数、吸波性能的分析,发现多层结构对磁性泡沫的电磁吸波性能有重要影响。研究结果表明,与第二层填料组分相同的单层泡沫相比,双层结构可以有效提升微波吸收强度,例如相较于单层的50C1G1的样品,D4的吸波峰值提升了151%。而三层泡沫在3.0mm厚度上展现出的电磁吸波性能更加优异,主要表现在,S2、S3、S4和S5的RLmin值在-52d B～-67d B之间,有效吸收频宽均在5.0GHz以上且可以覆盖整个X波段,相较于单/双层泡沫,三层泡沫在拓宽有效吸收频宽上的效果是非常明显的。通过对泡沫断层形貌观测发现,在泡沫的层与层之间会出现几乎没有泡孔的结合带,由于该结合带的存在,多层泡沫的拉伸性能得到了增强,例如S4所需的断裂应力达到了6.58Mpa,最低断裂伸长率也在67%以上,远大于单层泡沫。但是受到该结合带的影响,三层泡沫的吸波性能受温度调控的灵敏度没有单层泡沫明显,主要是由于三层泡沫的泡孔受热膨胀时会受到来自上下两层结合带的阻力,泡孔的形变受到阻碍,使得基体内部填料堆积和导电网络的破坏情况不明显。
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