碳纳米管复合材料微波吸收性能的模拟计算及其优化

发布时间：2019-06-24 16:05

【摘要】：吸波涂层能有效地吸收某一频段的电磁辐射,其减少电磁污染的效果优于电磁屏蔽,广泛被应用于国防军事和民用防微波辐射技术。含碳纳米管的复合材料具有吸波频谱范围广、吸收强度大的特点,是当今材料领域研究的热点之一。因此研究含碳纳米管的复合材料在军用技术和民用技术等方面有巨大的应用前景。本论文主要研究碳纳米管复合材料等效电磁参数的理论计算,碳纳米管/环氧树脂复合材料微波吸收性能的模拟计算,阵列式碳纳米管/环氧树脂复合吸波涂层的设计和碳纳米管/磁性氧化物复合材料微波吸收性能的优化与制备。材料的吸波性能以及阻抗特性完全取决于其电磁参数。不同形态、不同型号的碳纳米管的微波吸收性能有一定的差别,主要原因是碳纳米管电磁参数的差异引起的。基于电阻电容网络模型(cuming公式)和碳纳米管的等效电路模型,研究碳纳米管/环氧树脂(碳纳米管/石蜡)等复合材料的等效电磁参数的计算。结果表明,当复合材料中碳纳米管的质量分数较小,碳纳米管管径从10nm增大到50nm时,复介电常数的实部和虚部均有增大的趋势；碳纳米管的管长从5μm增大到65μm时,复合材料复介电常数实部和虚部也有增大的趋势。复介电常数随管径、管长变化的模拟计算值与文献给出的实验结果较为一致；利用所建立的电磁参数公式,对碳纳米管/镍铁氧体复合材料进行模拟计算,结果表明,电磁参数的模拟计算值与实验值的变化规律较为一致。碳纳米管/非导电聚合物是最简单的复合材料之一。因此模拟计算这类复合材料的微波吸收性能较为简单,而且具有代表性。基于电磁波在有耗介质中的传播与吸收规律和等效传输线模型,讨论了微波以任意角度入射时反射率的计算：在等效电磁参数计算模型的基础上,研究涂层的参数(碳纳米管管长、管径、质量分数、涂层厚度)对碳纳米管/环氧树脂涂层吸波性能的影响。结果表明,随碳纳米管质量分数的变化,涂层的微波反射率与实验结果较为一致。利用微波垂直入射时的反射率与碳纳米管质量分数、涂层厚度、以及微波频率的四维切片图,研究了碳纳米管/环氧树脂复合吸波涂层的设计。阵列式碳纳米管的排列和取向较为有规律。因为阵列式碳纳米管/环氧树脂复合材料中,碳纳米管的质量分数较大,所以相邻碳纳米管间的相互影响较为明显。因此,阵列式碳纳米管等效电磁参数的计算不能忽略碳纳米管间的相互作用。基于碳纳米管的等效电路模型、平行载流导线的互抗计算模型和等效传输线理论,研究了微波垂直入射于阵列式碳纳米管/环氧树脂复合涂层的吸波性能及其涂层的设计。结果表明,当碳纳米管间距为200nm,碳纳米管管长为1mm时,微波反射率随涂层厚度的变化规律与文献实验结果较为接近。虽然碳纳米管具有非常强的介电损耗能力,但是其复介电常数实部和虚部均非常大,所以碳纳米管与空气阻抗完全不匹配,这些原因导致单纯碳纳米管的吸波效果较差。在碳纳米管中添加磁性氧化物,如钴铁氧体或镍铁氧体等,可以减小碳纳米管的复介电常数,同时可以增加材料的磁导率,即增强碳纳米管复合材料与空气的阻抗匹配能力。采用溶胶凝胶法制备钴铁氧体和镍铁氧体,然后将碳纳米管与钻铁氧体(镍铁氧体)和石蜡混合,得到了含碳纳米管质量分数分别为10%,20%,30%,40%的碳纳米管/磁性氧化物/石蜡复合材料,并用微波矢量网络分析仪测量所得材料的电磁参数。根据材料的电磁参数,研究了碳纳米管/磁性氧化物复合材料的微波反射率、优化及设计。结果表明,在碳纳米管/钴铁氧体/石蜡中,当碳纳米管的质量分数为20%,涂层厚度为1mm时,复合材料的微波反射率能达到最佳值；对于碳纳米管/镍铁氧体/石蜡复合材料,当复体材料中碳纳米管质量分数为10%时,具有较宽广的微波吸收性能。
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【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;TB33

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