孙晓刚(南昌大学机电学院,江西,南昌　330029)
1　引言
碳纳米管[1](ＣＮＴ)是最具代表性的纳米材料,其优异的物理[2]、化学和机械性能得到了全球科学家和研究人员的广泛关注并进行了大量的研究。研究表明碳纳米管的拉伸强度的理论计算值高达177ＧＰａ,远高于碳纤维(2～5ＧＰａ)、晶须(20ＧＰａ)和高强度钢(1～2ＧＰａ)[3～8]。碳纳米管还是优良的热传导材料[9],其热传导系数超过3000Ｗ/ｍ·Ｋ。高于天然金刚石和石墨原子基面的热传导系数(2000Ｗ/ｍ·Ｋ)。碳纳米管导电性能优异,是弹道式导体[10、11]和很好的超导材料[12]。碳纳米管可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两种主要类型。单壁碳纳米管(ＳＷＮＴ)由单层石墨卷成柱状无缝管而形成,是单分子材料。多壁碳纳米管(ＭＷＮＴ)可看作由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成。碳纳米管也可分为金属型和半导体型两种类型并具有对称型和螺旋型(手性)两种结构。传统吸波材料主要有:电阻型吸波材料、电介质型吸波材料、磁介质型吸波材料。纳米材料由于具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等独特性能,表现出优良的吸波性能,同时具有质量轻、兼容性好、吸波频带宽等特点,是新一代最具发展潜力的吸波材料。碳纳米管强度高、质量轻、导电、导热性能佳,是理想的吸波材料,其吸波性能的研究已取得积极成果[13、14]。碳纳米管的优越电磁波吸收性能和在军事领域及民用领域里潜在的巨大用途,引起了各国政府和科学家的高度重视。碳纳米管吸波材料对于国家安全、隐形作战装备研制、对于战争中获得制空权、制海权、装甲兵团隐形作战都具有十分重大的意义。碳纳米管聚酯复合吸波材料还可广泛应用于民用领域,减少或者消除电磁波对人体的伤害及电磁干扰。
2　实验
2.1　材料及仪器
碳纳米管由化学气相沉积工艺(ＣＶＤ)制备,铁 镍复合催化剂、反应气体为乙炔、合成温度700～800℃。碳纳米管直径10～30ｎｍ,长度大于1μｍ,纯度大于90%(图1)。环氧树脂为Ｅ 44双酚Ａ型环氧树脂(ＥＰ),兰州蓝星化工有限公司生产。稀释剂为丙酮(化学纯),固化剂采用乙二胺(化学纯)。昆山市超声仪器有限公司产ＫＱ50Ｂ型超声仪。ＴＥＭ为日立公司Ｈ 600(2)型投射电子显微镜(分辨率0 45ｎｍ,加速电压75ｋＶ)。扫描电镜型号:Ｓ 570(分辨率3 5ｎｍ,加速电压0 5～30ｋＶ)日本日立公司制造。采用雷达吸波材料(ＲＡＭ)反射率扫频测量系统ＨＰ8757Ｅ标量网络分析仪检测吸波性能。扫频范围2～18ＧＨｚ,最大衰减为40ｄＢ。
2.2　复合材料制备
由于ＣＶＤ工艺合成的碳纳米管缠结成团,影响在聚合物基体中扩散。碳纳米管预先经扩散处理。处理工艺如下,碳纳米管和适量乙醇混合,球磨30ｍｉｎ,然后超声30ｍｉｎ。过滤后烘干,并再次球磨后备用。在环氧树脂(ＥＰ)中加入适量的有机溶剂丙酮将环氧树脂充分溶解,然后每百克环氧树脂分别加入1ｇ和5ｇ碳纳米管。高速搅拌后超声处理30ｍｉｎ后,加热蒸发过量的有机溶剂后,再加入固化剂乙二胺并搅拌均匀并超声消除气泡后浇铸在180ｍｍ×180ｍｍ见方,厚1.2ｍｍ的铝板上,分别制成厚3ｍｍ吸波层两块和9ｍｍ吸波层一块。图1为碳纳米管/环氧树脂复合吸波材料扫描电镜(ＳＥＭ)照片。

3　结果与讨论
图2为碳纳米管透射电镜(ＴＥＭ)照片,标尺为100ｎｍ,碳纳米管直径约20ｎｍ。碳纳米管吸波样品采用反射率扫频测量系统ＨＰ8757Ｅ标量网络分析仪检测吸波性能。图3为碳纳米管/环氧树脂吸波曲线(ＣＮＴ∶ＥＰ=1∶100,吸波层厚度3ｍｍ)。图4为碳纳米管/环氧树脂吸波曲线(ＣＮＴ∶ＥＰ=1∶100,吸波层厚度9ｍｍ)。图5为碳纳米管/环氧树脂吸波曲线(ＣＮＴ∶ＥＰ=5∶100,吸波层厚度3ｍｍ)。表1为样品吸波性能技术参数。
吸波曲线图和技术数据表显示,碳纳米管具有良好的吸波性能。当碳纳米管和环氧树脂比例为1∶100时,3ｍｍ厚吸波层试样吸波峰出现在14 32ＧＨｚ,吸波峰值Ｒ=-10 01ｄＢ,吸波频带宽度分别为2 16ＧＨｚ(Ｒ<-8ｄＢ)和6 08ＧＨｚ(Ｒ<-5ｄＢ)。当厚度增加到9ｍｍ,在11ＧＨｚ和17 83ＧＨｚ出现双吸波峰,最大吸波峰出现在17 83ＧＨｚ峰值Ｒ=-9 04ｄＢ,带宽约1ＧＨｚ(Ｒ<-8ｄＢ),当反射率Ｒ<-5ｄＢ时带宽达到约5ＧＨｚ,并且吸波峰向高频段偏移。图4显示,在保持吸波层厚度3ｍｍ不变的情况下,将碳纳米管和环氧树脂比例调整为5∶100时,吸波性能发生明显变化,吸波峰移到低频段,波峰出现在7 91ＧＨｚ,峰值加大到Ｒ=-13 89ｄＢ,带宽度分别达到3 19ＧＨｚ(Ｒ<-8ｄＢ)和5 12ＧＨｚ(Ｒ<-5ｄＢ)。


由于小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应共同作用,碳纳米管显示出良好的吸波性能,碳纳米管巨大的比表面积和高比例表面原子,大量的悬挂键,导致界面极化和多重散射,加强了碳纳米管的吸波性能。量子尺寸效应使电子的能级发生分裂,电子分裂后的能级间隔处在微波的能量范围,从而导致新的吸波通道。此外,碳纳米管包含对称和螺旋(手性)两种结构,螺旋(手性)结构材料有利于提高碳纳米管的吸波性能。

4　结论
碳纳米管吸波涂层厚度为3ｍｍ时,100ｇ环氧树脂添加1ｇ碳纳米管,在2～18ＧＨｚ,Ｒ<-8ｄＢ的吸波频带宽度为2.16ＧＨｚ,Ｒ<-5ｄＢ的吸波频带宽度为6 08ＧＨｚ,吸波峰出现在14.32ＧＨｚ,峰值Ｒ=-10 01ｄＢ。厚度不变,100ｇ环氧树脂添加碳纳米管增加到5ｇ,Ｒ<-8ｄＢ的吸波频带宽度为3.19ＧＨｚ,Ｒ<-5ｄＢ的吸波频带宽度为5.12ＧＨｚ,吸波峰出现在7.91ＧＨｚ,峰值Ｒ=-13.89ｄＢ,波峰移到低频段。添加碳纳米管保持1ｇ,吸波涂层f厚度增加到9ｍｍ,在11ＧＨｚ和17.参考文献:z83ＧＨｚ出现双吸波峰,但峰值略有下降。增加碳纳米管的含量可提高复合材料的吸波性能,厚度增加导致双吸波峰出现,有利于增加带宽。
参考文献:(略)