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不同管经碳纳米管电磁特性与吸波性能研究

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而层 AuthOrity卜OF 不同管经碳纳米管电磁特性 与吸波性镌研究 汪刘应’,刘顾’,吴承亮 ,陈桂明’ (1.第二炮兵工程学院五系,陕西西安710025;2.第二炮兵96669,北京100080) 摘要:采用HP一8510B微波矢量网络分析仪测试了3种不同管径碳纳米管(CNTs)的电磁参数,并对 三者的电磁参数进行比较。结果表明CNTs的管径不同,其电磁性能也有所变化,随着CNTs管径 增加,其复介电常数虚部不断增加,在10-18GHz高频段,管径为30-50nm的CNTs介电损耗角正 切较大。根据电磁波传输线理论计算了3种碳纳米管的反射率曲线,厚度为2.0mm时,管径为 30-5()nm的CNTs ̄4J吸波性能最佳,模拟反射率峰值为一26.24dB:管径为20 ̄30nm的CNTs模拟反射 率峰值为一12.52dB:管径50 ̄80nm的CNTs模拟反射率峰值为-24.1dB。 关键词:碳纳米管,l电磁特性;吸波性能 1引言 碳纳米管具有特殊的电磁特性、优异的力 学性能和稳定的物化性质等特点 。 ,使得碳纳 米管的电磁特性明显不同于其他已知的碳结 构材料 。碳纳米管不仅具有较高的介电损耗 角正切,依靠介质的电子极化或界面极化衰 减吸收电磁波,而且由于量子限域效应,电 碳纳米管本身的纯度、管径等特性对其电磁特 性以及吸波效果同样具有重要的意义。因此, 本文对不同管径的碳纳米管的电磁特性进行了 研究,并根据电磁波传输线理论计算了不同管 径的碳纳米管的吸波性能,探讨管径对电磁参 数和吸波性能的影响规律。 2实验方法 2.1实验材料 子在碳纳米管中的运动是沿轴向的,碳纳米 管表现出金属或半导体特性,有利于电磁波 的衰减吸收。 。碳纳米管表现出优良的吸波性 实验所用的碳纳米管是采用催化裂解法 制备的,其主要技术指标如表1所列。 表1 GNTs主要技术指标 能,同时具有频带宽、质量轻、兼容性好等 特点,是新一代最具发展潜力的吸波材料。 国内外有关碳纳米管吸波性能的研究取得 了积极的成果。其中包括碳纳米管与聚合物 等复合材料的电磁特性与吸波性能 , ,以及 对对碳纳米管进行的包覆及填充改性研究 , 。 201 2年第9卷第1期(总第46期) CNTs 外径(nm] 比表面积(m /g) 1 2 3 2O~3O 30~50 5O~80 >1 1 O >60 >40 长度( m) ~2O —20 ~20 面后 Authoritv Forum 2.2样品的制作 将称量好的切片石蜡置于干净的烧杯中, 加热使其融化,然后分别加入不同管径的碳 纳米管,迅速搅拌,使其混合均匀,冷却后 用研钵研磨,再熔融搅拌,如此反复3次;再 加入适量酒精,在高速乳化机下剪切分散, 分散均匀后蒸干研磨成粉末,将粉末填充到 铜质标准法兰中并压实,制成外径为7mm, 内径为3mm,高度在2~5mm之间的圆孔形同 轴样品。 2.3电磁参数测试 将依上述方法制作好的样品放在校准好的 HP一8510B微波矢量网络分析仪上,采用同轴 传输反射法测量不同管径的碳纳米管与石蜡 复合体的电磁参数,测试的频率范围为2~ 18GHz。 3结果和讨论 3.1不同管径碳纳米管与石蜡复合体的电磁参 数 CNTs属于电损耗型吸收剂,其复磁导率 的实部约为1,虚部约为0,大致上可以忽略 CNTs的磁损耗对电磁波的吸收作用。图l是不 同管径CNTs的复介电常数实部,图2是不同管 径CNTs的复介电常数虚部。图3是不同管径 CNTs的损耗角正切。 从图1~3可知,管径为20~30和30~50nm的 CNTs的复介电常数实部相近,均在7.5~11.82_ 间,而管径为50~80nm的CNTs的复介电常数 实部较大,在11.5~l5之问。随CNTs管径增加, CNTs的复介电常数虚部不断增加,而介电损 耗角正切tan5 变化较小。管径为20~30nm的 CNTs的复介电常数虚部在2-37~4.25之间。管 径为30~50nm的CNTs的复介电常数虚部有一 定增加,在3.08~4.5O之间。管径为50~80nm的 CNTs的复介电常数虚部进一步增加,在 3.20~6.02之间。在10~l8GHz高频段,管径为 30~50nm的CNTs的介电损耗角正切tan6 较 大。 图1不同管径CNTs的复介电常数实部 § 一 l 融: 图2不同管径CNTs的复介电常数虚部 苔 耍 誊 器 乐 , Frequency/GHz 图3不同管径CNTs的介电损耗角正切 3.2不同管径CNTs/AT1 3复合体的特征阻抗 根据公式 :、 可计算得到材料特征阻 抗,并对复数取模进行比较。图4是不同管径 CNTs的特征阻抗。随电磁波频率的增加,管 径为20~30和30~50nm的CNTs的特征阻抗呈现 201 2年第9卷第1期(总第46期)i 黛蕊嘲 liil ̄th . Forum 增大的趋势,而管径为50~80nm的CNTs的特 征阻抗变化较小。管径为20~30nm的CNTs的 特征阻抗在109.2~135.7Q之间。当管径增加到 30 ̄50nm时,CNTs在2~10GHz{L ̄频段特征阻抗 变化较小,而在10~18GHz波段特征阻抗有一 定增加。当管径进一步增加到50~80nm时, CNTs在2~18GHz波段特征阻抗明显减小,在 97.0~1l8.7Q之问。 I/GHz 图4不同管径CNTs的特征阻抗 3.3不同管径CNTs衰减常数 电磁波在材料中传播的衰减特性是材料吸 波性能的关键。根据电磁波传输理论,衰减 常数 可通过下式计算: cc: V2c √ ”e”一 s +、 (1) 式中,17-’r、E”r、 、 分别为相对介电常数的实 部、虚部及相对磁导率的实部、虚部,(JO为 角频率,cN光速。 图5是不同管径CNTs的衰减常数。随电磁 波频率的增加,CNTs的衰减常数不断增加。 管径为20~30nm的CNTs的衰减常数在 146.5~l 156.4Np/m之间。 当管径增加到 30~50nm时,CNTs的衰减常数变化较小,在 l55~ll09.6Np/m之间。当管径进一步增加到 50~80nm时,CNTs的衰减常数出现一定增 加,在l74~1342.9Np/m之间。 201 2年第9卷第1期(总第46期) 图5不同管径CNTs的衰减常数 3.4不同管径CNTs的模拟反射率 根据电磁波传输理论,当频率为f的均匀 平面电磁波垂直射入表面涂覆单层吸波材料 的导体时,材料对电磁波的反射率为 。。: R=201ogF=201ogf 一z)/(Z/n"+ (2) 式中, Zi. Z0√ ,/£ tanh(y‘ 为输入阻抗, Z0:√ 。/£。 为真空阻抗,丫=I/2兀厂√ /C为 复传播因子, ,= I, ” 为复磁导率, s =s’.,£”为复介电常数,厂为电磁波频率, c为真空中的光速,d为涂层厚度。 将测试得到的电磁参数代入公式(2)中, 应用Matlab7.1软件计算得到CNTs的反射率。 图6是厚度为2.0mm时,不同管径CNTs反射率 曲线。 图6不同管径GNTs的衰减常数反射率曲线 高层论坛 Aut hOrity FOr um 从图中观察可知,CNTs的吸波性能进一 参考文献: [1】Li N,Huang Y,Du F,et a1.Electromagnetic Interference (EMI)Shielding of Single—Walled Carbon Nanotube Epoxy 步改善,小于-5dB吸波频带被大幅拓宽。随 CNTs管径的增加,CNTs的反射率峰值先减小后 增大,小于-5dB频带宽不断减小,小于一10dB频 带宽先增大后减小,且三种复合体都出现了 谐振峰。管径为20~30nm的CNTs的反射率峰 Composites.Nano Lett.,2006,6(6):1 141-1 145. [2]Larry L,Sajjad H,Dario P'et a1.Size and mobility of excitons in(6,5)carbon nanotubes.[J].Nature Physics,2009, 5(1):54—58. 值为一12.52dB,小于一5dB、一10dB频带宽分别 为8.80GHz、 1.44GHz, 谐振频率为 12.72GHz。当管径增加到30~50nm时, CNTs的反射率峰值减小到一26.27dB,小于一 5dB、一l0dB频带宽分别为7.12GHz、 4.16GHz,谐振频率为13.76。当管径进一步 增加到50 80nm时,CNTs的反射率峰值增加 到一24.1dB,小于一5dB、一l0dB频带宽分别为 5.68GHz、3.44GHz,谐振频率为10.0GHz。 4结论 采用同轴传输/反射法研究了碳纳米管管 径对其电磁性能的影响,并计算了不同管径 的碳纳米管的吸波性能。碳纳米管的管径不 同,其电磁性能也有所变化,随CNTs管径增 加,其复介电常数虚部不断增加,管径为 30-50nm的CNTs介电损耗角正切高频较大。 厚度为2.0mm时,管径为30~50nm的CNTs/的 吸波性能最佳,模拟反射率峰值为一26.24dB, 小于一5dB、一10dB频带宽分别为7.12GHz、 4.16GHz。 (本文转载自(2011中国功能材料科技与产业高层论坛坛 论文集》) [3】Leroy B.J,Lemay S.G,Kong J,et a1.Electricalgeneration and absorption of phonons in carbon nanotubes.[J】_Nature, 2004,432(70151:371-374. [4】Jeroen W.G,Wilde J.W.Electronic structure ofatomically resolved carbon nanotubes.[J].Nature,1 998,39 1:59 ̄62. [5]Odom T.w,Huang J.L,Kim P,et a1.Atomic sturcture and electronic properties of single—walled carbon nanotubes. 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IEEE Trans Microwave Theory Techniq,1971,19(1):65- 72 201 2年第9卷第1期(总第46期)赣 同|『露 AuthOritv For 聋 汪刘应,男, 1971年5月生,安徽 层制备提供了新方法;作为主要完成人, 完成了“超音速电弧喷涂”和“KY— HVO/AF多功能超音速火焰喷涂”的开 发,使电弧喷涂粒子速度、涂层孔隙率、 安庆人,博士,教 授,博士生导师, 第二炮兵工程大学 “军事装备学”学 科青年学术带头 人。中国仪表功能 结合强度等关键性技术指标超过美国,实 现了超音速火焰喷涂焰流温度、速度大范 围内连续可调,有力地推动了我国热啧涂 技术的创新发展。同时,他以武器装备关 键零部件特种功能需求为牵引,实现了热 喷涂技术与武器装备技术保障的有机交叉 材料学会理事、中 国表面工程协会热 喷涂专业委员会常务理事和中国工程机械 学会维修工程分会理事。先后获中国人民 院校育才奖银奖, “二炮学习 成才先进个人”等荣誉称号,并入选新世 纪优秀人才支持计划。 汪刘应教授围绕“材料表面工程”与 “武器装备技术保障”研究领域,长期致 力于热喷涂理论、技术与应用研究工作, 在功能材料、功能涂层制备等方面取得创 新性成果。他根据空气动力学原理、热喷 涂理论与技术,通过综合集成与创新,研 复合,开发了耐高温防腐、高温隐身和热 障等多种特种功能涂层,大大拓宽了热喷 涂技术的应用领域,推动了武器装备维修 保障的创新发展。 近年来,汪刘应教授先后承担和参加国 家、科研项目20余项,曾获国家科技 进步二等奖1项,科技进步一等奖2 项、二等奖3项,陕西省科学技术二等奖 1项,国家发明展览会金奖2项;获国家发 明专利5项、实用新型专利2项。在国际、 国内学术期刊和会议上发表学术论文6()余 篇,被SCI、EI、ISTP国际三大检索3()余 篇,出版专著1部、教材、著作6部。 制开发了集等离子喷涂、等离子表面淬 火、焊接三种功能于一体的多功能微弧等 离子喷涂系统,为小工件、薄壁件功能涂 201 2年第9卷第1期(总第46期) 

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