石墨／碳化硅／铁氧体涂层复合材料性能研究

刘元军，赵晓明，拓 晓

（天津工业大学纺织学部，天津300387）



石墨／碳化硅／铁氧体涂层复合材料性能研究

刘元军，赵晓明，拓 晓

（天津工业大学纺织学部，天津300387）

摘 要：为了开发具备良好介电性能和力学性能的多功能吸波复合材料，以涤纶针织物为基布，以环氧树脂为基体，在基布上进行石墨／碳化硅／铁氧体三层复合涂层整理，制备1.5 mm涂层厚度的柔性纺织涂层复合材料.采用介电谱仪研究了吸波剂的含量对吸波涂层材料介电常数和损耗角正切的影响.鉴于该材料多用于工程领域，采用万能材料实验机测试了该复合材料的拉伸、弯曲、剪切等力学性能.结果表明，该复合材料在低频段具备良好的介电性能，且具备一定的力学性能.

关键词：涤纶；三层涂层；吸波材料；介电常数；力学性能

随着电子技术的飞速发展，人类本身随时受到电磁污染的伤害，电磁波看不见也摸不着，特别是长期在铁路、电信、电力等部门工作的人更容易受到电磁辐射的危害，甚至还会产生累积效应，诱发癌症等病变.另外，电磁辐射的另一个严重危害是产生电磁干扰，使精密的电子设备失灵，事故轻则造成财产损失，重则机毁人亡［1－3］.基于人类本身的身体健康和电子设备的可靠运行考虑，开发出性能优良的电磁防护材料就显得尤为重要.电磁防护材料不仅需要电磁屏蔽材料，也需要性能良好的吸波材料.本文的研究目的是为最终开发出较为实用的吸波复合材料做基础性的研究.

鉴于对涂敷型吸波材料的综合要求，即“宽、薄、轻、强”，在兼顾涂敷型吸波复合材料的涂层厚度要薄、质量轻以及吸收强的同时，还要保证材料的较宽吸波频带，而单一涂层单一吸波剂很难实现这一要求，难以提高复合材料的电磁波吸收率［4－7］.综上考虑，本文特选用磁损耗率较大的铁氧体作为底层吸波剂［8－9］，选用电阻率可调的介电损耗型吸波材料碳化硅作为中层吸波剂［10］，选用价格低廉、密度较小的石墨作为表层吸波剂［11－12］.

本文首次以涤纶针织物为基布，以环氧树脂为基体，以铁氧体、碳化硅和石墨分别作为底层、中层和表层吸波剂，制备柔性纺织涂层复合材料.重点研究该复合材料的介电性能，初步探讨其力学性能，期望开发出一种新型的具备良好介电性能和力学性能的多功能复合材料.

1 实 验

1．1 主要材料和试剂
纯涤纶针织物（组织结构为2＋2罗纹，纱线细度为59 tex，度目值为75的纬编针织物），海安县利来雅纺织有限公司提供；铁氧体粉末，天津市天磁磁材有限公司提供；碳化硅粉末，安阳市凯瑞冶金炉料有限公司提供；石墨粉，天津市登科化学试剂有限公司提供；无水乙醇，天津市风船化学试剂科技有限公司提供；E44型环氧树脂，中国石化集团资产经营管理有限公司提供；650聚酰胺树脂，杭州五会港胶粘剂有限公司提供.
1．2 主要实验仪器
BDS50型介电谱仪（德国Novocontorl Gmbh公司）；LTE－S87609型涂层机（瑞士Werner Ma⁃this公司）；JJ－1型电动搅拌器（金坛市中大仪器厂）；CP224C型电子分析天平（上海奥豪斯仪器有限公司）；3369万能材料实验机（美国IN⁃STRON公司）等.
1．3 涂层织物的制备
取适量胶黏剂环氧树脂，称取一定量的稀释剂无水乙醇与环氧树脂混合，用电动搅拌器搅拌30 min使之混合均匀；再将规定质量的吸波剂加入混合物中，用电动搅拌器搅拌15 min并使之混合均匀；最后，将一定量的固化剂聚酰胺树脂加入混合物中，用电动搅拌器搅拌一定时间并保证混合均匀.至此，涂层剂制备完毕.将针织物基布固定在涂层机上，取适量的涂层剂倾倒在织物表面并进行涂层整理；涂层完毕后将涂层织物置于烘箱内，保持温度60℃烘燥3 h.至此，涂层织物的底层涂层（0.5 mm）制备完毕，选用不同的吸波剂制得不同的涂层剂，重复底层涂层操作，可制得涂层织物中层（0.5 mm）和表层涂层（0.5 mm）.三层涂层整理后，复合材料制备完毕.本文选用的石墨／碳化

硅／铁氧体三层复合涂层的示意图如1所示.

图1 吸波涂层织物结构模型

1．4 试指标和方法

1.4.1 吸波性能测试

吸波性能的测试主要是通过测试介电常数，然后间接地评价吸波性能.介电常数的测试根据SJ 20512—1995《微波大损耗固体材料复介电常数和复磁导率测试方法》标准，在BDS50介电谱仪上进行了介电常数测试，测试原理如图2所示.

1.4.2 拉伸性能测试

拉伸性能的测试参照GB 1447—2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法，在Instron万能材料试验机上进行材料的拉伸性能测试［13－17］.复合材料的拉伸性能测试分为纵向拉伸（平行于针刺毡的铺网方向）和横向拉伸（垂直于针刺毡的铺网方向）.每组测试20个样品然后取平均值，通过测试得到复合材料的位移－载荷曲线以及拉伸应力曲线.

1.4.3 弯曲性能测试

弯曲性能的测试参照GB 1449—2005弯曲性能测试方法［18］，在Instron万能材料试验机上进行，测试方法为三点弯曲法.所用试样规格：宽度（15±0.5）mm，厚度（h）为1.5～3.0 mm，跨距根据试样的厚度而定，加载速度为2 mm／min.复合材料的弯曲性能测试分为纵向和横向.每组测试20个样品然后取平均值.弯曲性能测试的三点弯曲测试加载方式如图2所示.

图2 加载方式

1.4.4 剪切性能测试［7－11］

剪切性能的测试参照标准JCT 773—2010短梁法测定层间剪切强度，在Instron万能材料试验机上进行材料的剪切性能测试，测试方法为短梁法.短梁法测试加载方式如图2所示.

所用剪切试样规格如图3所示.长度（L）为（20±1）mm，宽度（b）为（10±0.2）mm，厚度（h）为（2±0.2）mm，跨距为5h±0. 3 mm，加载速度为1 mm／min.分别测试复合材料的纵向剪切强度和横向剪切强度，每组测试20个样品然后取平均值.

图3 剪切试样示意图

2 结果与讨论

2．1 底层铁氧体含量对介电常数的影响

为了探究底层吸波剂铁氧体质量分数对介电常数的影响，以针织物为基布，制备了一系列不同铁氧体质量分数的铁氧体／碳化硅／石墨三层复合涂层针织物，其涂层工艺参数如表1所示.

表1 不同铁氧体质量分数的涂层工艺参数

涂层织物试样的介电常数的实部和虚部曲线以及损耗角正切曲线分别如图4、图5和图6所示.

图4 铁氧体质量分数对介电常数实部的影响

图5 铁氧体质量分数对介电常数虚部的影响

图6 铁氧体质量分数对损耗角正切的影响

由图4可知：在低频段，铁氧体质量分数为48%和60%涂层织物的实部较大，但在较宽的频段内，实部最大的是铁氧体质量分数为60%的涂层织物；在高频段，6种不同铁氧体质量分数的涂层织物的实部曲线近似重合，铁氧体含量的不同对涂层织物介电常数的实部影响较小.由图5可知：在低频段，介电常数的虚部由大到小依次为底层铁氧体质量分数为60%、48%、36%、24%、0，而当底层铁氧体质量分数为12%时，虚部曲线有整体向低频方向移动的趋势；在高频段，6种不同铁氧体含量的涂层织物的虚部曲线重合，铁氧体含量的不同对涂层织物介电常数的虚部影响可以忽略.由图6可知：在低频段，损耗角正切由大到小依次是底层铁氧体质量分数为60%、48%、36%、24%、0，当底层铁氧体质量分数为12%时，损耗角正切曲线有向低频方向移动的趋势；在高频段，6种不同铁氧体质量分数涂层织物的损耗角正切曲线相互重合，底层铁氧体质量分数的不同对损耗角正切的影响可以忽略.综上所述，当涂层厚度一定时，随着底层铁氧体质量分数的增加，涂层织物的虚部和损耗角正切均在增大.

2．2 中层碳化硅含量对介电常数的影响

为了探究中层碳化硅质量分数对介电常数的影响，以针织物为基布，制备了一系列不同碳化硅质量分数的铁氧体／碳化硅／石墨三层复合涂层针织物，其涂层工艺参数如表2所示.

表2 不同碳化硅质量分数涂层工艺参数

碳化硅质量分数对介电常数实部、介电常数虚部、损耗角正切的影响曲线分别见图7、图8和图9.

由图7可知：在低频段，介电常数的实部由大到小依次是碳化硅质量分数为36%、60%、48%、0、24%、12%；在高频段，6种不同碳化硅含量涂层织物的实部曲线近似重合，介电常数的实部几乎不受碳化硅含量的影响.由图8可知：在低频段，碳化硅质量分数为36%的涂层织物具有最大的介电常数虚部；在高频段，碳化硅质量分数为36%和48%的涂层织物的虚部相互重合，而碳化硅质量分数为60%、24%、0、12%的涂层织物的虚部相互重合，并且前者明显大于后者.由图9可知：在低频段，损耗角正切最大的是碳化硅质量分数为36%的涂层织物；在高频段，6种不同碳化硅质量分数涂层织物的损耗角正切曲线近似重合，碳化硅含量对损耗角正切的影响可以忽略.

图7 碳化硅质量分数对介电常数实部的影响

图8 碳化硅质量分数对介电常数虚部的影响

图9 碳化硅质量分数对损耗角正切的影响

2．3 表层石墨含量对介电常数的影响

为了探究表层石墨质量分数对介电常数的影响，以为基布，制备了一系列不同表层石墨质量分数的铁氧体／碳化硅／石墨三层复合涂层针织物，其涂层工艺参数如表3所示.

表3 不同石墨质量分数的涂层工艺参数

表层石墨质量分数对介电常数实部、介电常数虚部和损耗角正切的影响分别见图10、图11和图12.由图10～图12可以看出：在低频段，表层石墨质量分数为24%的涂层织物的实部、虚部和损耗角正切明显最大；在高频段，6种不同表层石墨质量分数的涂层织物的实部曲线、虚部曲线、损耗角正切曲线都近似重合，并且表层石墨质量分数对介电常数的实部和虚部以及损耗角正切的影响可以忽略.

图10 表层石墨质量分数对介电常数实部的影响

图11 表层石墨质量分数对介电常数虚部的影响

图12 表层石墨质量分数对损耗角正切的影响

2．4 三层复合吸波涂层针织物机械性能的研究

2.4.1 涂层针织物拉伸性能的研究

参照GB 1447—2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法，在Instron万能材料试验机上进行材料的拉伸性能测试，得到复合材料的位移－载荷曲线见图13.由图13可知：初始模量为585.7 MPa，说明该涂层织物在小变形条件时较为挺括.随着形变的增大，拉伸应力呈波动式的增大，这可能是因为涂层以及织物断裂的不同时性造成的.当拉伸位移为12. 8 mm时，涂层织物达到最大载荷954.0 N，同时涂层织物达到最大应力972.9 gf／tex.当涂层织物到达最大位移14.7 mm时，涂层织物发生完全断裂，断裂伸长率为14.7%.

图13 位移－载荷曲线

2.4.2 涂层针织物剪切性能的研究

参照标准JCT 773—2010短梁法测定层间剪切强度，在Instron万能材料试验机上进行测试，测试方法为短梁法，得到的涂层织物剪切位移－载荷曲线见图14.由图14可知：在剪切位移小于0.7 mm范围内时，涂层织物的载荷不受剪切位移的影响，其值为0；在此之后，随着位移的增加，载荷也在增大，当位移增大到1.8 mm时，剪切强力达到最大，其值为31.4 N，可知最大剪切应力为12.5 MPa，最大剪切应变为8.5%.

图14 涂层织物剪切位移－载荷曲线

2.4.3 涂层针织物弯曲性能的研究

参照GB 1449—2005弯曲性能测试方法，在Instron万能材料试验机上测试，测试方法为三点弯曲法，每组测试20个样品然后取平均值，得到涂层织物的弯曲应变－弯曲应力曲线见图15.由图15可知：涂层织物的弯曲应变在1%之内，弯曲应力不受其影响，其值为0；随着弯曲应变的增加，弯曲应力随之增大；当弯曲应变增加到11.2%时，弯曲应力达到最大24.0 MPa，此时最大弯曲位移为8.4 mm，最大弯曲强力为31.9 N.

图15 涂层织物的弯曲应变－弯曲应力曲线

3 结 论

1）首次以涤纶针织物为基布，以环氧树脂为基体，在基布上进行石墨／碳化硅／铁氧体三层涂层整理，成功制备了1.5 mm涂层厚度的柔性纺织涂层复合材料.在低频段，该材料介电性能良好，三层吸波剂含量均对涂层复合材料的实部、虚部和损耗角正切影响较大；在高频段，三层吸波剂含量对涂层织物的介电性能影响较小，其实部曲线、虚部曲线、损耗角正切曲线近似重合.

2）通过对该复合材料的拉伸、剪切及弯曲性能测试表明，此种材料具备一定的力学性能.该研究弥补了同类型复合材料的空白，为开发多功能复合材料奠定了基础，有望发展成为一种新型的复合材料.

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（编辑 程利冬）

Study on the property of graphite／silicon carbide／ferrite composite coating materials

LIU Yuanjun，ZHAO Xiaoming，TUO Xiao
（Cellege of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Abstract：In order to develop multifunctional absorbing composite materials with good dielectric properties and mechanical properties，the knitted polyester fabric was used as a basic structure material and a three⁃layer composite coating finishing was applied to the structure material by using graphite，silicon carbide，and ferrite absorbing materials with epoxy resin as matrix. The blended composite fabric with epoxy resin as matrix was prepared and the thickness of coatings was 1.5 mm. The impact on dielectric constant and loss tangent of absorbing material coating of absorbing agent content was studied by using dielectric spectrometer. Since the materials are usually used in engineering field，some mechanical properties such as tensile，bending，shear were tested and discussed by using universal power machine. The results showed that the composite material with good dielectric properties at low frequencies had a certain mechanical properties. This study laid a foundation for the development of multi⁃functional flexible composites.

Keywords：polyester；three⁃layer coating；absorbing materials；dielectric constant；mechanical properties

通信作者：赵晓明，E⁃mail：texzhao＠163.com.

作者简介：刘元军（1986—），女，博士.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51206122）；天津应用基础与前沿技术研究计划项目（13JCQNJC03000）；2015年天津工业大学研究生科技创新活动计划资助项目（15101）.

收稿日期：2015－03－30.

doi：10.11951／j.issn.1005－0299.20160115

中图分类号：TB322

文献标志码：A

文章编号：1005－0299（2016）01－0090－07