羰基铁粉的定向排列能降低吸波涂层的匹配厚度

　　随着吸波材料的应用日益广泛，对它的要求也越来越高。目前，吸波材料正朝着“厚度薄，质量轻，吸收频带宽，吸波性能强”的方向发展。研究发现，以聚合物为基体的复合材料的吸波性能除了与吸收剂本身的性质包括物质结构、导电性、导磁性、尺寸、形貌等有关外，同时与吸收剂在基体中的分布状态(随机分布或者定向排列)都有密切的关系。在吸收剂以及基体确定的前提下，对吸收剂在基体中的分布状态进行调节为复合吸波材料的综合性能设计提供了更为广阔的空间。

　　具有定向分布结构的材料在有机电子器件，组织工程等方面具有广泛的应用价值，制备具有定向分布结构的材料已经成为当前材料研究领域的一个热点。

　　采用磁场诱导法制备了定向排列的羰基铁粉/环氧树脂吸波涂层，通过调节羰基铁粉在树脂基体中的分布状态来调节涂层的电磁参数，兼进而通过调节涂层的厚度来调节涂层的吸波性能。羰基铁粉定向排列以后，涂层的磁导率升高，介电常数随着羰基铁粉定向排列的方向不同而表现出各向异性，定向排列的羰基铁粉的法线方向平行于电磁波入射方向时的介电常数高于平行于入射电磁波电场分量时的介电常数。

　　反射率计算结果表明，羰基铁粉的定向排列能降低吸波涂层的匹配厚度，拓宽吸波涂层的吸收带宽。羰基铁粉含量为75wt%，定向排列的羰基铁粉的法线方向平行于入射电磁波的电场分量方向时，涂层在厚度为1.4mm时小于-10dB的带宽能达到12.5GHz。

　　以羰基铁粉为磁损耗吸收剂，分别以碳黑、纳米石墨片、碳纤维为电损耗吸收剂，采用流延法制备了羰基铁粉/碳黑,羰基铁粉/纳米石墨片，羰基铁粉/碳纤维定向排列和随机分布的吸波涂层，观察了涂层的微观结构，测试了涂层的电磁参数，研究了吸收剂在基体中的分布状态、吸收剂的含量、涂层的厚度对涂层电磁参数和吸波性能的影响。

　　对于羰基铁粉/碳黑/环氧树脂涂层，碳黑的加入提高了涂层的介电常数，涂层的磁导率随着碳黑含量的增加而小幅度增加。羰基铁粉的定向排列和碳黑的加入扩宽了涂层的吸收带宽，提高了涂层的吸波性能。对于羰基铁粉/纳米石墨片/环氧树脂涂层，纳米石墨片的加入提高了涂层的介电常数，涂层的磁导率随着纳米石墨片含量的增加而增加。加入纳米石墨片以后，涂层的吸收带宽增加，匹配厚度降低，涂层能在较薄的厚度下获得较理想的吸收带宽。羰基铁粉的定向排列提高了涂层的磁导率和磁损耗，纳米石墨片的定向提高了涂层的电损耗。羰基铁粉和纳米石墨片定向以后的涂层，其介电常数和磁导率进一步增加。将定向的羰基铁粉/纳米石墨片/环氧树脂涂层与随机分布的羰基铁粉/环氧树脂涂层相比，定向的羰基铁粉/纳米石墨片/环氧树脂涂层能在厚度较薄时获得较宽的吸收带宽。对于羰基铁粉/碳纤维/环氧树脂涂层，羰基铁粉的定向提高了涂层的磁损耗，碳纤维的加入提高了涂层的电损耗。涂层的介电性能由于碳纤维的排列方向不同而表现出明显的各向异性，碳纤维排列方向平行于电磁波的电场分量时涂层的介电常数要高于平行于电磁波的磁场分量的介电常数。羰基铁粉定向的涂层能在较薄的厚度时获得较宽的吸收带宽。加入碳纤维后，涂层可以在更薄的厚度下获得更大的带宽，例如,当涂层厚度为1.3mm时，涂层反射率小于-5dB的带宽为13GHz，吸收频率范围为5-18GHz。

　　我们用不同碳纤维排列方向的涂层设计成了双层吸波材料，与单层的涂层相比，双层吸波涂层能够在相同的厚度条件下获得更宽的吸收带宽。通过表面氧化技术(发蓝反应)的方法制备出了四氧化三铁包覆羰基铁粉。由于羰基铁粉表面氧化包覆了一层高电阻率的Fe_3O_4晶体，四氧化三铁包覆羰基铁粉涂层介电常数降低，涂层的磁导率也降低，但仍保持在较高的数值。四氧化三铁包覆羰基铁粉涂层反射率吸收峰的频率相对于原始羰基铁粉涂层来说向高频移动，同时,当涂层厚度在1.0-1.5mm之间时，四氧化三铁包覆羰基铁粉涂层反射率小于-5dB的带宽要比原始羰基铁粉涂层要宽。

　　实验结果证明，在羰基铁粉颗粒表面包覆一层Fe_3O_4晶体能调节涂层的电磁参数，进而改善涂层的阻抗匹配，提高涂层的吸波性能。采用磁场诱导法，实现了四氧化三铁包覆羰基铁粉在基体中的定向排列。研究结果表明，定向排列的四氧化三铁包覆羰基铁粉涂层介电常数和磁导率相对于随机分布涂层都有升高，并且能在更薄的厚度时获得更宽的吸收带宽。