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基于高分散性剪切增稠液的防护材料制备及电磁波吸收性能模拟研究

基于高分散性剪切增稠液的防护材料制备及电磁波吸收性能模拟研究

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作者：杜苏睿中北大学

学位级别：硕士

随着武器装备的不断发展,研制具有高防护、轻量化及多功能化的防护材料具有重要意义。剪切增稠液(STF)在没有受到冲击的情况呈现液态,一旦受到剧烈的冲击会发生剪切增稠现象迅速硬化,从而起到防护作用。本文以比表面积200 m/g,粒径12 n... 详细信息

随着武器装备的不断发展,研制具有高防护、轻量化及多功能化的防护材料具有重要意义。剪切增稠液(STF)在没有受到冲击的情况呈现液态,一旦受到剧烈的冲击会发生剪切增稠现象迅速硬化,从而起到防护作用。本文以比表面积200 m/g,粒径12 nm的气相SiO纳米颗粒作为分散相,聚乙二醇(PEG 400)作为分散介质制备STF,超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPEF)作为增强相以STF浸润,玻璃纤维/环氧树脂复合材料做为蒙皮,制备了液/固双相复合防护材料,利用FeO@rGO粒子与STF进行复合,赋予防护材料电吸波吸收性能,并进行相关电磁波吸收性能研究。具体内容和主要结果如下:(1)根据XRD及FT-IR确定通过PEG 400的末端羟基与SiO表面的硅烷醇基的键合作用成功制备了STF。并根据磁流变仪研究了不同制备工艺和SiO填充量对STF稳态流变学性能的影响,同时采用DLS及SEM研究了STF中纳米粒子的粒径及分散性。研究结果表明:(1)合成的STF由纯度较高的无定形结构气相SiO纳米颗粒和PEG400组成,气相SiO与PEG 400发生分子间脱水形成了新的-Si-O-C-键,因而PEG 400以溶剂化层的形式吸附在SiO表面,使得SiO稳定分散在PEG 400中。(2)对于SiO填充量较大的体系,SiO团聚体发生碰撞的可能性更大,因此临界剪切速率更低,团聚体形成的粒子簇更大更好的阻碍流体运动,使得黏度上升。(3)不同工艺制备的STF具有不同的分散性,良好的分散性可以使得粒径分布均匀,从而降低临界剪切速率。机械搅拌-超声结合处理制备工艺制备的SiO填充量20%的STF具有最好的分散性,峰值黏度为1058.9 Pa·s,临界剪切速率为3.49 s。可以满足后续液体防护材料对STF流变性能的要求。(2)在最优STF制备工艺的基础上,与超高分子量聚乙烯纤维复合制备STF浸润纤维,多层STF浸润纤维封边制备柔性液体防护材料,与玻璃纤维蒙皮制备“口形状”硬质液体防护材料,随后通过落锤试验机研究了两种防护材料的抗冲击性能。研究结果表明:(1)对于液体防护材料,2层STF浸润纤维组成的液体防护材料抗冲击性能要优于8层纯纤维的防护材料,且均随着层数的提升STF作用明显减弱。(2)对于柔性液体防护材料,2层柔性液体防护材料具有最佳的STF增强效果,能量吸收为11.62 J,STF增强因子为20.04。(3)在硬质防护材料中,剪切稀化特性对防护材料的抗冲击性能影响较小,而剪切增稠特性可以大幅提升其抗冲击性能,说明STF在硬质防护材料中是否发生剪切增稠不会导致防护材料的抗冲击性能下降,4层硬质防护材料具有最佳的STF增强效果,能量吸收为47.298 J,与纯纤维组成的硬质复合材料能量吸收提升了4.271倍。两种防护材料的结构均具有优异的抗冲击性能,满足后续功能化防护复合材料微波吸收仿真模拟中对结构的要求。(3)采用FeO@rGO吸波粒子与液体防护材料进行共混,通过同轴法提取了功能化液体防护材料的电磁参数,利用CST微波工作室进行仿真实验,优化结构参数、研究其相关吸波性能和规律并提出相应机理解释。研究结果表明:(1)两种功能化防护材料的最佳层数为9层,其中柔性功能化防护材料的有效吸收频率在5.35-7.79 GHz,有效吸收带宽达到2.44 GHz,最小反射损耗在6.74 GHz处达到-20.60 d B,硬质功能化防护材料的有效吸收频率在3.94-5.68 GHz及14.94-17.52 GHz,有效吸收带宽达到4.32 GHz,最小反射损耗在15.96 GHz处达到-26.73 d B。(2)FeO@rGO粒子功能化柔性防护材料的损耗形式主要是电损耗。(3)功能化防护材料存在驻波现象,说明在在吸收频率处产生了λ谐振,而硬质功能化防护材料的驻波现象更加明显。(4)从史密斯圆图中可以看出蒙皮也具有提升阻抗匹配的作用。

关键词：剪切增稠液液体防护材料电磁波吸收模拟抗冲击性能高分散体系

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