铁氧体/碳化硅涂层复合材料的介电性能研究*

刘元军，赵晓明，拓　晓

(天津工业大学 纺织学部，天津 300387)



铁氧体/碳化硅涂层复合材料的介电性能研究*

刘元军，赵晓明，拓晓

(天津工业大学 纺织学部，天津 300387)

摘要：在涤纶基布上进行铁氧体/碳化硅双层复合涂层整理，制备1.0 mm涂层厚度的柔性纺织涂层复合材料。研究了铁氧体和碳化硅含量对复合材料介电性能的影响，并测试了该复合材料的力学性能。结果表明，该柔性涂层复合材料在低频范围内具备良好的介电性能，且具备一定的力学性能。

关键词：机织物；铁氧体；碳化硅；涂层；介电性能

0引言

涂敷型吸波材料是将吸收剂与粘合剂混合后涂在目标表面形成吸波涂层，使材料具有一定的吸波效果，其以涂覆方便灵活、可调节性高、吸收性能好等优点受到世界各国的重视[1-3]。目前单一吸波剂很难同时满足“薄、轻、宽、强”的要求，因此需要将多种吸波材料进行复合以获得最佳效果，将不同损耗机制、不同吸收频带的材料进行多元复合，可方便地调节复合物的电磁参数以达到阻抗匹配要求，而且能够减轻质量，有望成为今后吸波材料研究与发展的一个重点方向。本文利用吸波涂层表层和底层两列反射波的相干即振幅相等、相位相反进行干涉抵消来设计吸波涂层。当电磁波垂直入射到吸波涂层表面时，一部分被反射出去，称之为第一反射波。其余部分透入涂层，在自由空间与涂层的界面和涂层与金属的界面之间进行来回反射。在反射波每次返回自由空间与涂层的界面时，都有一部分波会穿出此界面，返回到自由空间。这部分波叠加以后形成第二反射波。如果第一反射波与第二反射波处于同一偏振面上，且相位差为180°，则会发生干涉，使总的反射波能量发生急剧衰减[4-8]。本文特选用磁损耗率较大的铁氧体作为底层吸波剂[9-11]，选用电阻率可调的介电损耗型吸波材料碳化硅作为表层吸波剂[12]。本文以环氧树脂为基体，以铁氧体、碳化硅分别作为底层、表层吸波剂，制备柔性纺织双层涂层复合材料，期望开发一种具备良好介电、力学性能的多功能涂层复合材料。

1实验

1.1主要材料和试剂

涤纶机织物，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；650聚酰胺树脂，杭州五会港胶粘剂有限公司提供；E44型环氧树脂，中国石化集团资产经营管理有限公司提供。

1.2材料制备工艺

(1) 称量一定量的稀释剂无水乙醇与适量环氧树脂混合并搅拌均匀。

(2) 将一定质量的铁氧体粉末加入(1)中搅拌至均匀。

(3) 将固化剂聚酰胺树脂加入(2)中，搅拌均匀，底层铁氧体涂层剂制备完毕。

(4) 将基布固定在LTE-S87609型涂层机上，取适量铁氧体涂层剂进行涂层整理；保持温度60 ℃烘燥3 h。至此，底层铁氧体涂层(0.5 mm)制备完毕。

(5) 重复(4)操作，可制得表层碳化硅涂层(0.5 mm)。铁氧体/碳化硅双层涂层复合材料结构模型如图1所示。

图1　铁氧体/碳化硅涂层复合材料结构模型

Fig 1 Structure model of ferrite and silicon carbide coating composite materials

1.3测试指标和方法

1.3.1介电常数测试

铁氧体/碳化硅双层涂层复合材料介电常数的测试根据SJ20512-1995《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[4-8]，在BDS50介电谱仪(德国Novocontorl Gmbh公司)上测试。

1.3.2损耗角正切测试

采用BDS50型介电谱仪测试铁氧体/碳化硅双层涂层复合材料的损耗角正切 tanδ。

1.3.3弯曲性能测试

铁氧体/碳化硅双层涂层复合材料弯曲性能的测试参照GB1449-2005弯曲性能测试方法[13-15]，在Instron万能材料试验机上进行测试，测试方法为三点弯曲法。加载方式如图2所示。

图2　加载方式

1.3.4剪切性能测试

铁氧体/碳化硅双层涂层复合材料剪切性能的测试参照标准JCT773-2010短梁法测定层间剪切强度，在Instron万能材料试验机上进行，测试方法为短梁法[16-17]。剪切试样如图3所示。

图3　剪切试样示意图

1.3.5拉伸性能测试

拉伸性能的测试参照GB1447-2005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[16-17]。

2结果与讨论

2.1底层铁氧体含量对介电性能的影响

为探究铁氧体含量对介电性能的影响，制备了6组不同铁氧体含量的铁氧体/碳化硅双层涂层复合材料，试样参数如表1所示。

表1　工艺参数表

介电常数和损耗角正切可以间接地评价吸波性能；介电常数是外电场频率的函数，实部代表材料在外加电场作用下发生极化的程度，其值越大则材料的极化能力越强；虚部代表材料在外加电场作用下的电偶极矩产生重排引起能量损耗的量度，其值越大则对电磁波的损耗能力越强；损耗角正切表征材料的吸波衰减能力，其值越大则吸波性能就越好。由图4-6可知随频率增大，铁氧体/碳化硅双层涂层复合材料的介电常数实部、虚部、损耗角正切均减小。铁氧体属于磁损耗型吸波材料，主要是通过磁滞损耗、铁磁共振和涡流损耗等吸收电磁波能量，并将电磁能转化为热能达到吸波目的。随着铁氧体含量增多，涂层中铁氧体颗粒数目增加，对电磁波有效吸收增加。

图4　铁氧体含量介电常数实部的影响

Fig 4 The influence of the content of ferrite on permittivity’s real part of dielectric constant

图5　铁氧体含量介电常数虚部的影响

Fig 5 The influence of the content of ferrite on permittivity’s imaginary part of dielectric constant

图6　铁氧体含量对损耗角正切的影响

Fig 6 The influence of the content of ferrite on loss tangent

从图4中可以看出，随铁氧体含量增加，铁氧体/碳化硅双层涂层复合材料介电常数实部呈现出波动性增大的趋势，其中铁氧体含量为60%时介电常数实部最大，其极化能力最强；随铁氧体含量增加，介电常数虚部出现波动性变化，在低频段(f<103Hz)，铁氧体含量为10%时介电常数虚部最大，其损耗能力最强；当f>103Hz时, 铁氧体含量为60%的复合材料介电常数虚部最大，其损耗能力最强；铁氧体含量为10%实验组的损耗角正切值明显高于另外5组。

2.2表层碳化硅含量对介电性能的影响

为探究表层碳化硅含量对介电性能的影响，制备了6组不同碳化硅含量的铁氧体/碳化硅双层涂层复合材料，试样参数如表2所示。

表2　工艺参数表

由图7-9可知随频率增大，铁氧体/碳化硅双层涂层复合材料实部、虚部、损耗角正切均减小。碳化硅属于介电损耗型吸波材料，主要是通过介质的极化弛豫损耗吸收电磁波。当涂层厚度一定时，随着碳化硅含量增多，涂层中碳化硅颗粒数目增加，对电磁波有效吸收增加。

图7　碳化硅含量对介电常数实部的影响

Fig 7 The influence of the content of silicon carbide on permittivity’s real part of dielectric constant

图8　碳化硅含量对介电常数虚部的影响

Fig 8 The influence of the content of silicon carbide on permittivity’s imaginary part of dielectric constant

从图7中可以看出，随着碳化硅含量增加，铁氧体/碳化硅双层涂层复合材料的介电常数实部呈现出波动性增大的趋势，其中碳化硅含量为48%时介电常数实部最大，其极化能力最强；介电常数虚部和损耗角正切均呈现波动性变化，f<105Hz时，碳化硅含量为60% 的介电常数实部、虚部、损耗角正切最大；105Hz

图9　碳化硅含量对损耗角正切的影响

Fig 9 The influence of the content of silicon carbide on loss tangent

2.3双层涂层复合材料力学性能的研究

从图10可以看出随着弯曲应变增加，铁氧体/碳化硅双层涂层复合材料弯曲应力增大，最大弯曲强力和强度分别为38.5 N、28.9 MPa。随着形变增大，弯曲应力呈波动式增大，这可能是由涂层与涤纶机织物基布断裂的不同时性造成。图11为剪切位移-载荷曲线。

图10　弯曲位移-载荷曲线

图11　剪切位移-载荷曲线

从图11可以看出，随着剪切应变增加，铁氧体/碳化硅双层涂层复合材料剪切应力增大，当位移增大到1.1 mm时，出现波动，可能是因为载荷施加过程中涂层断裂而基布未断裂，当载荷继续施加，载荷由基布承担；当位移增大到1.8 mm时，剪切强力达到最大，最大剪切强力和剪切强度分别为95.2 N、38.1 MPa。从图12可以看出铁氧体/碳化硅双层涂层复合材料初始模量较大，说明该复合材料在较小变形条件时较为挺括。随着拉伸应变增加，拉伸应力随之增大，最大拉伸强力和拉伸强度分别为619 N、12.38 MPa。

图12　拉伸位移-载荷曲线

3结论

在涤纶基布上进行铁氧体/碳化硅双层涂层整理，制备了1.0 mm涂层厚度的柔性纺织双层涂层复合材料。在低频段，该材料介电性能良好，铁氧体、碳化硅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，铁氧体、碳化硅含量对涂层复合材料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。通过对该复合材料的弯曲、剪切、拉伸测试表明，此种双层涂层复合材料具备一定的力学性能。

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文章编号：1001-9731(2016)07-07140-05

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51206122)；2015年天津工业大学研究生科技创新活动资助项目(15101)

作者简介：刘元军(1986-)，女，山东青岛人，博士，师承赵晓明教授，从事复合材料介电性能研究。

中图分类号：TG132.2

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.026

Study on the dielectric properties of the ferrite and silicon carbide coating composite materials

LIU Yuanjun, ZHAO Xiaoming, TUO Xiao

(Cellege of Textiles, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

Abstract：The polyester was used as a basic structure material and coating finishing was applied to the structure material by using ferrite and silicon carbide absorbing materials. The composite materials was prepared and the thickness of coatings was 1.0 mm. The influence of the content of ferrite and silicon carbide on dielectric constant were discussed. Then mechanical properties were tested. The results showed that the composite material with good dielectric properties at low frequencies had a certain mechanical properties.

Key words：woven fabric；ferrite；silicon carbide；coating；dielectric constant

收到初稿日期：2015-06-18 收到修改稿日期：2015-09-16 通讯作者：赵晓明，E-mail: texzhao@163.com