吸波材料在軍用及民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,已經(jīng)成為各國軍事裝備隱身和民用防電磁輻射領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對吸波材料的要求越來越高,其中,制備輕質(zhì)雷達(dá)波吸收劑及其吸波材料已成為隱身技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。

        本文基于此背景開展了輕質(zhì)纖維吸收劑及其吸波材料的研究工作。先進(jìn)院科技從吸波材料組成入手,分析了吸波材料輕質(zhì)化的方法,對輕質(zhì)吸收劑的形狀和材料體系進(jìn)行選擇,首次選取聚丙烯腈（PAN）基中空多孔炭纖維（HPCFs）作為主體吸收劑來進(jìn)行輕質(zhì)吸波材料的研制。以中空多孔PAN原絲為原料,研究了預(yù)氧化和炭化工藝條件對HPCFs微觀形貌的影響。

        結(jié)果表明,在研究范圍內(nèi),預(yù)氧化和炭化溫度及時間對原纖維及預(yù)氧化纖維微觀形貌影響較小,升溫速率對纖維微觀形貌影響較大,升溫速率高,纖維向內(nèi)發(fā)生變形,導(dǎo)致HPCFs微孔之間過渡層斷裂,形成“空洞”,減少微孔數(shù)目。研究了預(yù)氧化和炭化工藝對HPCFs元素組成的影響。預(yù)氧化溫度及時間增加,引入的氧含量增加,預(yù)氧化程度提高,在相同條件下炭化所得到HPCFs的碳含量隨預(yù)氧化溫度和時間的增加而降低,氮含量則提高。

        HPCFs中碳含量隨炭化溫度的升高而增加,氮含量降低,與預(yù)氧化過程一致,燒成纖維中還含有一定量的氧。系統(tǒng)研究了預(yù)氧化和炭化工藝條件對HPCFs體電導(dǎo)率和HPCFs/石蠟復(fù)合材料介電常數(shù)的影響。預(yù)氧化溫度、時間及升溫速率對HPCFs體電導(dǎo)率和HPCFs/石蠟復(fù)合材料介電常數(shù)有較大影響,預(yù)氧化溫度升高、時間延長、升溫速率提高均可降低纖維的體電導(dǎo)率,并使HPCFs/石蠟復(fù)合材料介電常數(shù)的實(shí)部與虛部降低,尤其是可以使介電常數(shù)的虛部顯著降低。

        炭化溫度是調(diào)節(jié)HPCFs體電導(dǎo)率的主要手段,在550-950℃溫度區(qū)間炭化,可以實(shí)現(xiàn)HPCFs體電導(dǎo)率在10-3-103Ω-1·m-1之間變化。炭化時間使HPCFs體電導(dǎo)率微升,炭化升溫速率對其影響較小。HPCFs/石蠟復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部與虛部隨炭化溫度升高而增加,尤其是介電常數(shù)的虛部顯著增加。調(diào)節(jié)預(yù)氧化和炭化條件可制備出體電導(dǎo)率和介電常數(shù)可調(diào)的HPCFs。

        HPCFs預(yù)氧化和炭化過程表明,預(yù)氧化溫度、時間及升溫速率是調(diào)節(jié)HPCFs元素含量及介電性能的重要手段。炭化溫度是調(diào)節(jié)的主要手段,炭化時間與升溫速率效果次之。HPCFs組成、結(jié)構(gòu)及介電性能的關(guān)系表明:纖維體電導(dǎo)率的變化導(dǎo)致以纖維為主體的吸波材料介電常數(shù)的變化,纖維體電導(dǎo)率的變化由碳含量與微孔結(jié)構(gòu)共同引起,但碳含量的變化起主要作用,微孔作用較小。

        在所研究的范圍內(nèi),預(yù)氧化溫度對預(yù)氧化纖維的表觀密度影響較大,炭化溫度在550℃到950℃變化時,HPCFs表觀密度在0.55-0.79g/cm3之間變化,預(yù)氧化和炭化溫度在一定范圍內(nèi)可微調(diào)HPCFs的表觀密度。對以HPCFs為主體的吸波材料成型工藝進(jìn)行探索,采用模壓法制備了p≤1g/cm3的輕質(zhì)HPCFs吸波材料。考察了HPCFs體積分?jǐn)?shù)、長徑比和吸波材料厚度對HPCFs吸波材料介電常數(shù)和反射率的影響。

        HPCFs吸波材料的ε′和ε″,髓HPCFs體積分?jǐn)?shù)和長徑比的增加而增大,當(dāng)增加到一定值時,增加趨勢減弱。提高HPCFs體積分?jǐn)?shù)和長徑比、增加吸波材料厚度,HPCFs吸波材料反射率峰位向低頻移動,低頻吸波性能改善。將HPCFs與實(shí)心炭纖維作雷達(dá)波吸收劑時的吸波性能進(jìn)行了對比。在相同的條件下所得HPCFs中的碳含量低于相應(yīng)實(shí)心炭纖維中的碳含量,單根纖維的體電導(dǎo)率數(shù)值相差一個數(shù)量級左右。

        以850℃和950℃時炭化的實(shí)心纖維作吸收劑的吸波材料低于-10dB的反射率帶寬均為OGHz,以850℃和950℃時炭化的中空多孔纖維作吸收劑的吸波材料低于-10dB的反射率帶寬分別為3.05GHz和2.62GHz,較之于實(shí)心纖維吸波性能得到了提高。從多層吸波材料結(jié)構(gòu)設(shè)計角度出發(fā),對以HPCFs為主體吸收劑的吸波材料寬頻化進(jìn)行探索。

        利用阻抗匹配原理和分層設(shè)計,對不同炭化溫度下制備的纖維吸收劑進(jìn)行分層設(shè)計,結(jié)果表明三層優(yōu)化設(shè)計后的吸波材料在2-18GHz頻率范圍內(nèi),d=3mm時,更低反射率為-15.33dB,對應(yīng)的頻率為7.60GHz,其反射率≤-5dB的帶寬為12.36GHz。與單層HPCFs雷達(dá)吸波材料相比,反射率≤-5dB的帶寬增加,反射率峰值較單層吸波材料的更低。

        以HPCFs為主要吸收劑,分別添加以炭黑、炭纖維為吸收劑的匹配層,制備了雙層輕質(zhì)吸波材料,并考察了其吸波性能。結(jié)果表明,以HPCFs為吸收劑的吸波材料在3.04mm時,更低反射率為-9.25dB,低于-8dB反射率帶寬為2.15GHz,添加炭黑和炭纖維匹配層后低于-8dB反射率帶寬分別為10.60GHz和10.26GHz?？疾炝祟l率選擇表面（FSS）對HPCFs吸波材料吸波性能的影響。

        添加FSS可以改善和提高HPCFs吸波材料的吸波性能,FSS的位置、尺寸大小對吸波性能影響較大,調(diào)節(jié)FSS的位置、尺寸大小可以制備在厚度為3.0mm,密度為1.0g/cm3時,反射率低于-10dB的帶寬為11.18GHz的HPCFs吸波材料。上述研究表明,HPCFs可作為一種輕質(zhì)的雷達(dá)波吸收劑來使用,結(jié)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計可制備出輕質(zhì)、寬頻的吸波材料。