碳纤维芳纶纸基复合材料的制备及其电磁参数调控技术研究.docxVIP

摘要

本研究采用芳纶纤维和碳纤维作为原料，通过斜网成形技术制备了一种电磁参数可以灵活设计的纸基复合材料。通过浆网速比调控碳纤维的分布，实现对纸基复合材料纵向和横向的电磁参数的调控。结果表明，浆网速比为0.5时，纸基复合材料的抗张指数纵横向比为2.2，8~12GHz频率下纸基复合材料的介电常数实部纵横向比为2.1~2.2；浆网速比为1.2时，纸基复合材料的抗张指数纵横向比为1.5，8~12GHz频率下纸基复合材料的介电常数实部纵横向比为1.5~1.6。仿真计算和工程化实验结果表明，控制浆网速比是调控碳纤维/芳纶纸基复合材料电磁参数的重要方法。

芳纶纸基材料是指芳纶短切纤维和芳纶浆粕按一定比例混合分散，通过湿法成形技术制备而成，在航空航天领域大量使用的一种轻质蜂窝夹芯结构用纸基材料。胡健等人提出通过在造纸过程中添加具有特殊电磁性质的功能纤维，如碳纤维，可以制备电磁功能可灵活设计的芳纶纸基复合材料，用于蜂窝夹层结构材料；并探究了碳纤维长度、直径、电导率及纸张紧度等因素对碳纤维/芳纶纸基复合材料电磁性能的影响，较传统浸渍型电磁蜂窝材料显著降低了纸张密度，表现出较优异的电磁性能。程芳静等人选用碳纤维、碳化硅纤维和碳纳米管作为吸波剂，对比了不同吸波剂及其用量对纸基吸波材料电磁参数及吸波性能的影响。蒋海洋等人选用碳纤维和芳纶纤维制备导电纸，探究了碳纤维含量、长度与材料导电逾渗阈值的相关性，但关于斜网成形技术对碳纤维/芳纶纸基复合材料电磁性能的调控尚需深入系统研究。

针对含碳纤维、芳纶纤维的芳纶纸基复合材料，需采用斜网成形技术，使其成形浓度接近或小于临界浓度，同时在流送和成形的过程中，给予纤维悬浮液合适的湍流强度和湍流规模，确保纤维悬浮液的均匀分散和成形。在机制纸纸幅成形的过程中，流体动力影响了纤维的定向排列分布，其重要因素之一是浆网速比，浆网速比形成剪切区域，使纤维旋转沿纸机方向排列。本研究利用电磁仿真计算研究了碳纤维取向对碳纤维/芳纶纸基复合材料电磁参数的影响；并利用斜网成形技术制备碳纤维/芳纶纸基复合材料，其中机制纸基材料在沿纸机运行方向（纵向，MD）、横幅方向（横向，CD）存在各向异性；研究了斜网成形技术中浆网速比对碳纤维/芳纶纸基复合材料电磁参数的影响，以实现对碳纤维/芳纶纸基复合材料电磁参数取向性的调控。

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1.1?实验原料及设备

1.1.1?实验原料

间位芳纶浆粕（长度1.2mm、宽度23μm），间位芳纶纤维（长度6mm、直径13μm），碳纤维（长度3mm、直径7μm），均购自江苏恒神股份有限公司。

1.1.2实验设备

本研究所用主要设备具体见表1。

1.2实验方法

1.2.1电磁仿真计算

1.2.1.1碳纤维网络结构的构建

利用计算机三维建模软件建立了不同取向分布的碳纤维网络仿真模型[8]。间位芳纶纤维和间位芳纶浆粕在微波频段介电常数与碳纤维相比很小，为电磁波透波材料。显著影响碳纤维/芳纶纸基复合材料介电常数及损耗的因素之一为碳纤维及其形成的网络结构。因此在仿真模拟计算过程中，仅选取纸基材料中的碳纤维网络计算以简化模型。在碳纤维网络仿真模型中，使用由若干层互相平行的二维纤维网络叠加组成的多层结构，模拟碳纤维在碳纤维/芳纶纸基复合材料中的分布。每一层二维纤维网络均是基于泊松分布的随机算法生成，碳纤维的中心位置均依据泊松分布的统计规律随机分布。碳纤维的长度、直径与模型的定量、厚度同实际情况保持一致，图1为取向碳纤维网络仿真模型示意图。本研究按如下定义碳纤维的取向角分布：平行于X轴正向的方向定义为0°，纤维轴与X轴正向的夹角定义为纤维取向角φ，碳纤维仅在规定的取向角分布范围内随机分布。

1.2.1.2碳纤维网络电磁参数的仿真计算

利用HFSS（HighFrequencyStructureSimulator）软件计算碳纤维网格仿真模型的散射参数。图2为HFSS中取向碳纤维网络的仿真模型示意图，设置碳纤维电阻率为1.5×10?5Ω·m，仿真模型浸没在矩形空气盒中。空气盒的每2个相对的侧面均定义为一对周期边界条件。在2个相对的顶面上，Floquet端口激励用于产生2个瞬态电磁波，其波矢沿Z方向，电场方向平行于X轴（即碳纤维网格定义的0°方向），从端口到碳纤维网络模型顶部的距离大于波长的1/4。最后，根据等效介质理论和等效电路模型，由散射参数得出取向碳纤维网络模型的电磁参数。

1.2.2碳纤维/芳纶纸基复合材料的制备

碳纤维/芳纶纸基复合材料的制备流程包括备浆、混浆、流送、成形、压榨、干燥、卷取。间位芳纶纤维、间位芳纶浆粕和碳纤维的质量比为65∶35∶3，分别经水力碎浆机碎解，导入成浆池，调节浆浓，冲浆上网成形。图3为斜网成形器示意图，Vs代表浆速，Vw代表网速。不同浆网速比制备的碳纤维/芳纶纸基复合材料如表