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《武汉理工大学》 2017年
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PMMA基物理约束微发泡纳米复合材料的结构控制及电磁性能

袁欢  
【摘要】:电磁波吸收材料对电磁波的有良好的吸收作用,广泛应用于工业电子封装、军事雷达通讯、军事伪装以及人体电磁防护等领域。以聚合物为基体,纳米导电相为添加相的微发泡纳米复合材料,具有质量轻、比强度高、化学稳定性良好等优点而被广泛的研究。目前对微发泡纳米复合材料的电磁性能的研究较少,微发泡纳米复合材料独特的泡孔结构对其电磁性能的影响也很少有文献报道。本文以PMMA作为聚合物基体,采用物理约束超临界二氧化碳(SCCO_2)发泡技术制备了PMMA基微发泡纳米复合材料,并控制了微发泡纳米复合材料的宏观尺寸和微观结构,然后进一步研究了PMMA基微发泡纳米复合材料的电磁性能。首先,研究了PMMA基纳米复合材料的超临界二氧化碳(SCCO_2)发泡行为。SCCO_2在聚合物基体中的扩散属于非稳态扩散,符合菲克第二扩散定律。利用非稳态扩散,降低扩散时间,制备了PMMA基泡孔梯度微发泡材料;当扩散时间足够长时,制备了泡孔均匀的微发泡材料。在聚合物基体中加入纳米粒子,在SCCO_2发泡过程中发生异相成核作用,可以使微发泡材料的泡孔密度提高1~2个数量级,泡孔密度由10~8 cells/cm~3提高至10~100 cells/cm~3。异相成核作用与纳米粒子的粒径相关,纳米粒子的粒径高于临界成核尺寸时,才能发生异相成核作用。当发泡压力为20 MPa时,2 nm的纳米粒子即可作为异相成核剂,使SCCO_2发泡过程中发生异相成核作用,显著提高微发泡材料的泡孔密度。提出了物理约束SCCO_2发泡技术,通过物理约束模具及其厚度的设计,实现了对微发泡材料宏观尺寸的控制,制备出表面平整的PMMA基微发泡材料;并且当发泡温度小于110 ~oC时,物理约束对微发泡微发泡材料的泡孔结构没有影响。其次,采用物理约束SCCO_2发泡技术,制备出泡孔直径为2~12μm,泡孔密度大于10~9 cells/cm~3、体积密度为0.33~0.72 g/cm~3的CNTs/PMMA物理约束微发泡纳米复合材料。发泡温度和CNTs的含量是控制微发泡纳米复合材料的泡孔结构的重要因素。本研究的最佳发泡温度为80~oC,在该温度下发泡所制备出来的微发泡纳米复合材料的泡孔直径小且分布均匀,泡孔密度达到10~(10)cells/cm~3。发泡温度决定了聚合物基体的熔体强度和CO_2在聚合物基体中的吸附量,发泡温度太低(50~oC),聚合物基体的熔体强度高,泡孔的生长困难,导致微发泡纳米复合材料的泡孔密度降低;而发泡温度太高(110 ~oC),CO_2在聚合物中的吸附量降低,泡孔生长容易,导致微发泡纳米复合材料的泡孔直径增大,泡孔密度降低。随着CNTs含量的增大,微发泡纳米复合材料的泡孔直径逐渐减小,泡孔密度逐渐增加。本研究的最佳CNTs含量为6~8 wt.%,该含量的微发泡纳米复合材料的泡孔直径为3μm,泡孔密度为10~(10)cells/cm~3。CNTs含量的增大会增加发泡过程中的异相成核点的数量,并且CNTs相互搭接所形成的网状结构会约束泡孔的生长,所以高CNTs含量(6~8 wt.%)的CNTs/PMMA物理约束微发泡纳米复合材料具有更小的泡孔直径和更高的泡孔密度。再次,本文进一步研究了CNTs/PMMA物理约束微发泡纳米复合材料在X波段(8.2~12.4 GHz)的电磁性能。CNTs/PMMA物理约束微发泡纳米复合材料的介电常数为2.2~22,介电损耗为0.1~10。泡孔的引入显著降低了材料的介电常数,提高其与电磁波的阻抗匹配特性。通过控制泡孔结构,CNTs/PMMA物理约束微发泡纳米复合材料有良好的介电损耗。因此,微发泡纳米复合材料具有良好的电磁波吸收性能,其吸收频带宽度最大为2.7 GHz,最小反射系数为-27 dB,吸收效率达到99.8%。材料厚度、CNTs的含量和泡孔结构是影响微发泡纳米复合材料电磁波吸收性能的重要因素。材料厚度影响入射电磁波与电磁波吸收材料的阻抗匹配特性,当材料的厚度大于其表面深度时,阻抗不匹配,电磁波无法入射,导致材料的电磁波吸收性能降低。CNTs的含量直接影响材料的导电特性,CNTs的含量较低时,低于4 wt.%,材料的导电特性差,介电损耗低,无法对入射电磁波进行有效的损耗,导致电磁波吸收性能降低;而CNTs的含量较高时,超过8 wt.%,介电常数增大,材料表面对电磁波的反射作用增加,电磁波无法入射到材料内部,导致电磁波吸收性能降低。当CNTs的含量在微发泡纳米复合材料的渗流阈值(1.6~2.2 vol%)附近时,微发泡纳米复合材料具有良好的电磁波吸收性能。微发泡纳米复合材料的泡孔尺寸小且分布均匀,泡孔密度很高,CNTs在孔壁结构中均匀分散时,其具有良好的电磁波吸收性能。当微发泡纳米复合材料的体积密度为0.37 g/cm~3,材料的比吸收效能在X波段全频段吸收,且最小的比反射系数为-50 dB.cm~3/g。泡孔结构影响CNTs在微发泡纳米复合材料中的分散方式,并且不同的泡孔结构使微发泡纳米复合材料的体积密度显著降低,提高了比吸收效能。最后,采用有限元模拟计算的方式,设计了CNTs/PMMA物理约束多层梯度微发泡纳米复合材料,进一步提高了微发泡纳米复合材料的电磁波吸收性能。根据材料对电磁波的吸收原理,设计多层梯度微发泡纳米复合材料的表面CNTs含量低(4~6 wt.%),使其具有低介电常数,提高电磁波的入射量;内部CNTs含量高(8 wt.%),使其具有高介电损耗,提高电磁波的损耗量,最终达到提高材料电磁波吸收性能的目的。根据设计结果,采用叠层熔融热压结合一体化物理约束SCCO_2发泡的方法制备了CNTs/PMMA多层梯度微发泡纳米复合材料,多层梯度材料的上层CNTs含量为6 wt.%,厚度为1.2 mm,下层CNTs含量为8 wt.%,厚度为0.9 mm,总厚度为2.1 mm。多层梯度微发泡纳米复合材料表面平整,其界面处连接紧密且平整。该多层梯度微发泡纳米复合材料的电磁波吸收性能比相同总厚度下CNTs含量为6 wt.%的单层微发泡纳米复合材料更好,其电磁波吸收频带宽度为3.5 GHz(8.9~12.4 GHz),电磁波吸收效率为99%。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB33

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