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． ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ，１９９８，３ １９：６２－６４． ［６］Ｌｉｕ Ｚ．Ｆ，Ｂａｉ Ｇ，Ｈｕａｎｇ Ｙ，ｅｔ ａ１．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ－－Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ／Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｃｒｏｓｓ・－Ｌｉｎｋｅｄ Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．［Ｊ］．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｃ，２００７，１ １ １ （３７）：１３６９６－１３７００． ［７］Ｙｏｎｇｌａｉ Ｍｏｏｌ Ｃ Ｇ，Ｋｅｎｎｅｔｈ Ｌ Ｄ．Ｎｏｖｅｌ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ－ Ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ Ｆｏａｍ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ＿【Ｊ］．Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ，２００５，５（１１）：２１３１— ２１３４． ［８］Ｚｈａｎｇ Ｌ，Ｚｈｕ Ｈ．Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ，ｍａｇｎｅｔｉｃ，ａｎｄ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｆｉｌｌｅｄ ｗｉｔｈ Ｓｍ２０３ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ．［Ｊ］．Ｍａｔｅｒ，Ｌｅｔｔ，２００９， ６３：２７２．２７４． ［９］Ｃｈｅ Ｒ．Ｃ，Ｐｅｎｇ Ｌ．Ｍ，Ｄｕａｎ Ｘ．Ｆ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｆｅ Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈｉｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ．［Ｊ］．Ａｄｖ，Ｍａｔｅｒ， ２００４．１６：４０１－４０５． ［１０］Ｎａｉｔｏ Ｙ，Ｓｕｅｔａｋｅ Ｋ．Ａｐｐ１ｉＣａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｅｒｒｉｔｅ ｔｏ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅ ａｂｓｏｒｂｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．［Ｊ］． 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）
