铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料介电性能

赵晓明，刘元军

(天津工业大学 纺织学院，天津 300387)



铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料介电性能

赵晓明，刘元军

(天津工业大学 纺织学院，天津 300387)

选用柔性涤纶针织物为基材，以铁氧体、碳化硅和石墨分别作为底层、中层和表层吸波剂，在基材上进行三层复合涂层整理，制备不同厚度的复合材料。探讨了底层、中层、表层厚度对介电常数实部、虚部和损耗角正切的影响。结果表明：该复合材料在低频段具备良好的介电性能，涂层厚度对介电常数实部、虚部和损耗角正切影响较大；底层铁氧体涂层厚度为0.5mm，中层碳化硅涂层厚度为0.3mm，表层石墨涂层厚度为0.3mm时，铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料的介电常数实部、虚部、损耗角正切最大。

涤纶；铁氧体；碳化硅；石墨；涂层；介电性能

电磁波是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，具有波粒二象性[1-3]。电磁波向空中发射或泄漏的现象叫电磁辐射，过量的电磁辐射会造成电磁污染。电磁波的危害主要分为两类：影响人类身体健康，干扰电子设备可靠运行。因此，吸波材料和屏蔽材料的研究具有重大实用价值[4-6]。电磁波在介质界面处反射和介质内部衰减均与材料介电常数相关[5-7]。介电常数表征介质材料容纳极化电荷的能力，是表征极化性质的宏观物理量，在外电场中材料极化感生的电荷越多其介电常数越大，反之越小，通常将介电常数表示为ε=ε′-jε″，ε′为介电常数的实部，ε″为介电常数虚部，是极化电荷和介电损耗的宏观参数，介电常数实部代表在电场中介质材料能量的存储，虚部表示在电场中能量损失，该能量损失可以理解为材料内部感应电偶极矩产生相对位移所引起的损耗[8-10]。本工作通过改变涂层厚度来改变阻抗特性以获得较大的介电常数实部、虚部和损耗角正切，特选用磁损耗率较大的铁氧体作为涂层复合材料的底层，铁氧体主要通过磁滞损耗、铁磁共振、涡流损耗等吸收电磁波能量，并将电磁能转化为热能[11-14]；选用电阻率可调的介电损耗型材料碳化硅作为涂层复合材料中层，碳化硅主要通过介质的极化弛豫损耗吸收电磁波[15，16]；选用价格低廉、密度较小的石墨作为涂层复合材料表层，石墨受到外界磁场感应，在导体内产生感应电流，感应电流产生与外界磁场方向相反的磁场，从而与外界磁场相抵消，达到对外界电磁场的屏蔽作用[17，18]。本工作选用柔性涤纶纬编针织物为基材，以E44型环氧树脂为基体，以无水乙醇为稀释剂，以650聚酰胺树脂为固化剂，在柔性基材上进行铁氧体/碳化硅/石墨三层复合涂层整理，重点研究了底层、中层、表层涂层厚度对该复合材料介电常数实部、虚部和损耗角正切的影响，期望开发一种新型具备良好介电性能柔性涂层复合材料。

1 实验

1.1 主要材料和试剂

涤纶纬编针织物，E44型环氧树脂，无水乙醇，650聚酰胺树脂，铁氧体粉末，碳化硅粉末，石墨粉末等。

1.2 涂层织物的制备

(1)将铁氧体粉末(质量分数为30%)加入E44型环氧树脂与无水乙醇的混合物中，然后加入一定量固化剂650聚酰胺树脂，并搅拌均匀。

(2)将基材固定在LTE-S8760涂层机上，取适量铁氧体涂层剂进行涂层整理，60℃真空烘燥3h。

(3)重复上述工艺，可制得中层碳化硅涂层和表层石墨涂层。该复合材料结构模型如图1所示。

1：Fundamental fabric;2：Bottom layer coating，3：Middle layer coating;4：Surface layer coating图1 复合材料结构模型Fig.1 Structure model of composite materials

1.3 测试指标和方法

1.3.1 介电常数测试

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，在BDS50介电谱仪上测试铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料的介电常数，使用3号电极片(直径为30 mm)在恒温恒湿(20～22℃、64%～66%RH)条件下测试[18-20]，介电谱仪的测试单元如图2所示。

图2 介电谱仪的测试单元Fig.2 Test cells of dielectric spectrometer

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/石墨三层涂层复合材料的损耗角正切tanδ，tanδ表征着材料的吸波衰减能力，电磁损耗角正切越大，材料的吸波性能就越好。tanδ=tanδe+tanδm=ε″/ε′+μ″/μ′，式中tanδe为电损耗正切，tanδm为磁损耗正切[23,24]。

2 结果与讨论

2.1 底层涂层厚度对介电常数和损耗角正切的影响

为了探究底层铁氧体涂层厚度对介电常数和损耗角正切的影响，以纬编针织物为基材，制备了一系列不同底层涂层厚度的铁氧体/ 碳化硅/石墨复合材料，其涂层厚度工艺参数如表1所示。

表1 不同底层厚度的涂层工艺参数Table 1 Coating process parameters of different bottom layer thickness

图3 底层涂层厚度对介电常数实部(a),虚部(b)和损耗角正切(c)的影响Fig.3 Effect of the thickness of bottom layer coating on permittivity’s real part (a), imaginary part (b) and loss tangent (c)

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。铁氧体属于磁损耗型材料，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。如图3(a)所示：在低频段，介电常数实部由大到小依次是底层铁氧体涂层厚度为0.5,0.3,0.9,0.7mm的复合材料，而当底层涂层厚度为1.1mm时，该复合材料实部曲线向低频方向移动；在高频段，5种不同底层涂层厚度实部曲线近似重合。如图3(b)所示：在低频段，介电常数虚部由大到小依次是底层涂层厚度为0.5,0.3,0.9,0.7,1.1mm的复合材料；在高频段，5种不同底层涂层厚度的虚部曲线近似重合。如3(c)所示：在低频段，底层涂层厚度为0.3mm和0.5mm的涂层铁氧体的损耗角正切交替出现最大值，损耗角正切由大到小依次是底层涂层厚度为0.9,0.7,1.1mm的复合材料；在高频段，5种不同底层涂层厚度的损耗角正切曲线近似重合。底层铁氧体涂层厚度为0.9mm时，复合材料介电常数实部和虚部值均最大。综上所述，在低频段，底层铁氧体涂层厚度为0.5mm时，复合材料的介电常数实部、虚部、损耗角正切值均最大，其介电常数实部数值是其他实验组的近3倍，其损耗角正切值是其他实验组的近2倍。根据以上事实，适当增加涂层厚度有利于其介电常数和损耗角正切的提高；另外根据涂层厚度控制以轻薄为宜的原则，底层铁氧体涂层厚度为0.5mm较好。

2.2 中层涂层厚度对介电常数和损耗角正切的影响

为了探究中层碳化硅涂层厚度对介电常数的影响，以涤纶纬编针织物为基材，制备了一系列不同中层涂层厚度的铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料，其涂层工艺参数如表2所示。

表2 不同中层厚度的涂层工艺参数Table 2 Coating process parameters of different middle layer thickness

图4 中层涂层厚度对介电常数实部(a), 虚部(b)和损耗角正切(c)的影响Fig.4 Effect of the thickness of middle layer coating on permittivity’s real part (a), imaginary part (b) and loss tangent (c)

碳化硅属于介电损耗型材料，主要是通过介质的极化弛豫损耗吸收电磁波。如图4所示：在低频段，当中层碳化硅涂层厚度为0.3mm，铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料的介电常数实部、虚部和损耗角正切值最大。0.5,0.7,0.9,1.1mm涂层厚度的复合材料实部、虚部和损耗角正切曲线近似重合，中层涂层厚度对介电常数的实部、虚部和损耗角正切的影响可以忽略。在高频段，5种不同中层涂层厚度的铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料的实部曲线、虚部曲线和损耗角正切曲线均近似重合，中层涂层厚度对其实部、虚部和损耗角正切的影响可以忽略。根据以上事实，中层涂层厚度应偏低控制，故中层涂层厚度为0.3mm较好。

2.3 表层石墨涂层厚度对介电常数和损耗角正切的影响

为了探究表层石墨涂层厚度对介电常数的影响，以纬编针织物为基材，制备了一系列不同表层涂层厚度的铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料，其涂层工艺参数如表3所示。

表3 不同表层厚度的涂层工艺参数Table 3 Coating process parameters of different surface layer thickness

石墨属于电损耗型材料，当材料受到外界磁场感应时，在导体内产生感应电流，感应电流又产生与外界磁场方向相反的磁场，从而与外界磁场相抵消，达到对外界电磁场的屏蔽作用。由图5所示，在低频段，表层石墨涂层厚度为0.3mm时，铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料的实部、虚部及损耗角正切值最大，其他涂层样品实部曲线、虚部曲线及损耗角正切曲线近似重合，且对实部、虚部及损耗角正切影响较小，特别是在虚部曲线中，其他涂层厚度对介电常数虚部的影响可以忽略；在高频段，5种不同表层涂层厚度的复合材料实部、虚部及损耗角正切相互重合。根据以上事实，表层涂层厚度应偏小控制，故表层涂层厚度为0.3mm较好。

图5 表层涂层厚度对介电常数实部(a), 虚部(b)和损耗角正切(c)的影响Fig.5 Effect of the thickness of surface layer coating on permittivity’s real part (a)， imaginary part (b) and loss tangent (c)

3 结论

(1)选用柔性涤纶纬编针织物为基材，在柔性基材上进行铁氧体/碳化硅/石墨三层复合涂层整理，成功制备了多种涂层厚度的三层涂层复合材料。

(2)在较低频段，该复合材料介电性能良好，三层涂层厚度均对复合材料的实部、虚部和损耗角正切影响较大，底层铁氧体涂层厚度为0.5mm，中层碳化硅涂层厚度为0.3mm，表层石墨涂层厚度为0.3mm时，铁氧体/碳化硅/石墨三层涂层复合材料的介电常数实部、虚部、损耗角正切最大。

(3)在高频段，三层涂层厚度均对介电性能影响较小，其实部曲线、虚部曲线、损耗角正切曲线都近似重合。

[1] 刘元军，赵晓明，李卫斌，等. 吸波材料研究进展[J]. 成都纺织高等专科学校学报，2015，32(3)：23-29.

LIU Y J，ZHAO X M，LI W B，et al. The progress of the research on absorbing material[J]. Journal of Chengdu Textile College，2015，32(3)：23-29.

[2] 刘顾，汪刘应，程建良，等. 碳纳米管吸波材料研究进展[J]. 材料工程，2015，43(1)： 104-112.

LIU G，WANG L Y，CHENG J L，et al. Progress in research on carbon nanotubes microwave absorbers[J]. Journal of Materials Engineering，2015，43(1)：104-112.

[3] XU J，WANG D X，YUAN Y，et al. Polypyrrole-coated cotton fabrics for flexible supercapacitor electrodes prepared using CuO nanoparticles as template[J]. Cellulose，2015，22(2)：1355-1363.

[4] 刘丹莉，刘平安，杨青松，等. 吸波材料的研究现状及其发展趋势[J]. 材料导报，2013，27(9)：74-78.

LIU D L，LIU P A，YANG Q S，et al. Research status and prospect of wave absorbing materials[J]. Materials Review，2013，27 (9)：74-78.

[5] 卢慧芳，朱正吼，徐雪娇. Ni粉体制备及其环氧树脂复合材料吸波性能[J]. 功能材料，2014，45(10)：10128-10132.

LU H F，ZHU Z H，XU X J. Preparation of Ni powder and absorbing properties of Ni powder/epoxy resin absorbing resin[J]. Materials Science and Technology，2014，45(10)：10128-10132.

[6] 徐志洁，杜宝盛，杜胜杰，等. 退火对(NiCo)/TiO2纳米复合材料吸波性能的影响[J]. 功能材料，2014，45(增刊1)：146-150.

XU Z J，DU B S，DU S J，et al. Influence of annealing on the microwave-absorption properties of(NiCo) /TiO2nanocomposites[J]. Journal of Functional Materials，2014，45(Suppl 1)：146-150.

[7] GONG X H，PAIGE D A，SIEGLER M A，et al. Inversion of dielectric properties of the lunar regolith media with temperature profiles using Chang’e microwave radiometer observations[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，2015，12(2)：384-388.

[8] 侯晴，王成钊，陈月光，等. 树脂基Fe-Si-B复合材料的制备及其介电性能[J]. 功能材料，2014，45(23)：23157-23160.

HOU Q，WANG C Z，CHEN Y G，et al. The preparation and dielectrical properties of Fe-Si-B/resin composite[J]. Journal of Functional Materials，2014，45(23)：23157-23160.

[9] 吕纯，吴智，周静，等. PZT薄膜厚度对BMT/PZT复合薄膜结构及介电性能的影响[J]. 功能材料，2014，45(24)：24115-24118.

LV C，WU Z，ZHOU J，et al. Effect of thickness of PZT thin films on the structural and dielectric properties of BMT / PZT multilayered thin films[J]. Journal of Functional Materials，2014，45(24)：24115-24118.

[10] 周亚鹏，周锋子，臧国忠，等. Zn2SnO4掺杂对BaTiO3陶瓷介电性能的影响[J]. 功能材料，2014，45(7)：7039-7041.

ZHOU Y P，ZHOU F Z，ZANG G Z，et al. On the dielectirc properties of Zn2SnO4doped BaTiO3ceramics[J]. Materials Science and Technology，2014，45 (7)：7039-7041.

[11] SHEN J H，C K Y，Li L C，et al. Fabrication and microwave absorbing properties of (z-type barium ferrite/silica)@polypyrrole composites[J]. Journal of Alloys and Compounds，2014，615(6)：488-495.

[12] 迟燕华，吁霁，庄稼，等. MexZn1-xFe2O4复合氧化物的制备及电磁波损耗特性研究[J]. 材料科学与工艺，2005，13(1)：58-61+65.

CHI Y H，YU J，ZHUANG J，et al. Study on electromagnetic characters of MexZn1-xFe2O4nanopowder[J]. Materials Science and Technology，2005，13(1)：58-61.

[13] ZHANG Y B，XU F，TAN G G，et al. Improvement of microwave-absorbing properties of Co(2)Z barium ferrite composite by coating Ag nanoparticles[J]. Journal of Alloys and Compounds，2014，615(5)：749-753.

[14] 王娜，黄英，何倩，等. W型铁氧体BaCoZnRe0.1Fe15.9O27的制备及吸波性能研究[J]. 材料科学与工艺，2013，21 (6)：41-46.

WANG N，HUANG Y，HE Q，et al. Preparation and absorbing properties of W-type ferrites BaCoZnRe0.1Fe15.9O27[J]. Materials Science and Technology，2013，21(6)：41-46.

[15] XU X H，RAO Z G，WU J F，et al. In-situ synthesis and thermal shock resistance of cordierite/silicon carbide composites used for solar absorber coating[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells，2014，130(7)：257-263.

[16] 刘元军，赵晓明，拓晓. 三层涂层柔性复合材料介电性能和力学性能[J]. 材料热处理学报，2016，37(1)：12-17.

LIU Y J，ZHAO X M, TUO X. Dielectric and mechanical properties of the flexible three-layer composite coatings[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment，2016，37(1)：12-17.

[17] 冀志江，韩斌，侯国艳，等. 石墨为吸波剂水泥基膨胀珍珠岩砂浆吸波性能研究[J]. 材料科学与工艺，2011，19(2)：15-18.

JI Z J，HAN B，HOU G Y，et al. Electromagnetic wave absorbing properties of cement-based expanded perlite mortar with graphite[J]. Materials Science and Technology，2011，19(2)：15-18.

[18] PANAITESCU D M，GABOR R A，NICOLAE C A，et al. Influence of melt processing induced orientation on the morphology and mechanical properties of poly(styrene-b-ethylene tylene-b-styrene) block copolymers and their composites with graphite[J]. Materials and Design，2014，64：694-705.

[19] 刘元军，赵晓明，拓晓，等. 聚吡咯吸波材料性能探讨[J]. 成都纺织高等专科学校学报，2015，32(4)：60-64.

LIU Y J，ZHAO X M，TUO X，et al. The discussion of the performance on the polypyrrole absorbing material[J]. Journal of Chengdu Textile College，2015，32(4)：60-64.

[20] 张平，莫尊理，张春，等. 磁响应性TiO2/石墨烯纳米复合材料的合成及光催化性能[J]. 材料工程，2015，43(3)：72-77.

ZHANG P，MO Z L，ZHANG C，et al. Preparation and photocatalytic properties of magnetic responsive TiO2/graphene nanocomposites[J]. Journal of Materials Engineering，2015，43(3)：72-77.

(本文责编：解 宏)

Dielectric Properties of Ferrite/Silicon Carbide/Graphite Three-layer Composite Coating Materials

ZHAO Xiao-ming，LIU Yuan-jun

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

The flexible knitted polyester fabric was used as a base material and a three-layer composite coating was applied to the structure material by using ferrite, silicon carbide, and graphite absorbing materials, and the composites were prepared with different coating thickness. The influences of the thickness of the bottom layer, the middle layer, and the surface layer coating on permittivity’s the real part, the imaginary part and loss tangent were discussed. The results show that the dielectric properties of the composite material are sound at low frequencies. The thickness of the coating has a clear influence on the permittivity’s real part, the imaginary part and the loss tangent of the composite material. When the thickness of the bottom coating layer is 0.5mm, the thickness of the middle coating layer is 0.3mm, and the thickness of the surface coating layer is 0.3mm, the permittivity’s real part, imaginary part, and loss tangent of the ferrite/silicon carbide/graphite coating composite material reaches the maximum value.

polyester;ferrite;silicon carbide;graphite;coating;dielectric constant

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000775

TG132.2

A

1001-4381(2017)01-0033-05

国家自然科学基金项目(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)

2015-06-16；

2016-06-29

赵晓明(1963-)，男，教授，博士，博导，主要从事吸波涂层材料的制备及其介电性能研究，联系地址：天津市宾水西道399号天津工业大学纺织学院F408(300387)，E-mail:texzhao@163.com