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导电填料/聚吡咯超复合材料的负介电性能及调控

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导电填料/聚吡咯超复合材料的负介电性能及调控

作者：徐慈群山东大学

学位级别：硕士

超复合材料是超材料领域的新兴研究分支,它摆脱了周期性单元结构的限制,可在随机性微观结构中实现负电磁参数,独特的物理性能和灵活的微观结构使得超复合材料在军事、通讯、能源等众多领域具有重要的研究价值和应用潜力。负介电常数是... 详细信息

超复合材料是超材料领域的新兴研究分支,它摆脱了周期性单元结构的限制,可在随机性微观结构中实现负电磁参数,独特的物理性能和灵活的微观结构使得超复合材料在军事、通讯、能源等众多领域具有重要的研究价值和应用潜力。负介电常数是超复合材料的一个重要的本征参数,对负介电常数的精确调控是超复合材料领域的研究重点。等离振荡理论和介电共振理论常被用于解释负介电常数的产生,同时,负介电性能还与电逾渗现象密切相关,逾渗网络的构建为负介电性能的调控提供了一种快捷高效的技术手段。在众多类型的超复合材料中,高分子基超复合材料具有成本低廉、工艺简洁、性能易调等显著优势,因而受到广泛关注。目前,在超复合材料的发展过程中仍有一些问题未得到有效地解决,例如,较强的负介电常数不利于超复合材料的实际应用,但是对弱负介电的研究却鲜有报道,因此需要加强对弱负介电调控方法的探究;此外,过高的填料含量会对超复合材料的整体性能带来负面影响,如何在低填料含量的条件下实现负介电性是亟待解决的问题。针对上述两个问题,本论文设计了三种研究方案,分别选用不同种类的导电填料制备了超复合材料,通过对超复合材料微观结构的控制和优化实现对负介电性能的调控,主要研究内容和研究结果包括:（1）为实现弱负介电,选用氮化钛为导电填料,采用热压法制备了氮化钛/聚对苯二甲酸乙二醇酯复合材料。氮化钛含量的增加促使导电网络在复合材料内部形成,从而引发电逾渗现象,使得电导机制从跳跃传导转变为电子传导。同时,随氮化钛含量的增加,介电常数先升高后降低最终转变为负值,在氮化钛体积分数为85 vol%时,获得了数值范围在-50到0的弱负介电常数,当进一步增大体积分数则引起强负介电的出现。（2）为获得具有低填料含量的超复合材料,以碳纳米管和聚吡咯分别作为导电填料和基体,采用原位聚合法制备了碳纳米管/聚吡咯复合材料。当逐渐提高碳纳米管的质量分数,复合材料交流电导率迅速升高,电抗和等效电路分析表明,在含量为3 wt%时已构建出导电网络。由于洛伦兹介电共振效应,聚吡咯和1 wt%碳纳米管样品的介电常数在频率的影响下由正值转变为负值。当碳纳米管含量增加到3 wt%及以上时,在全测试频段（10 MHz-1 GHz）内实现了等离共振型负介电性能。（3）为兼顾弱负介电与低填料含量,选用碳化钨作为导电填料,采用原位聚合法制备了核壳结构碳化钨/聚吡咯复合材料。核壳结构促进了碳化钨颗粒在复合材料内部的均匀分布,当含量达到20 wt%时形成导电网络。在导电网络构建之前遵循跳跃传导机制,符合幂次定律,构建之后遵循电子传导机制并伴随趋肤效应的产生。当碳化钨含量为20 wt%和40 wt%时负介电数值在-500到-50之间,实现了弱负介电性,并用多重电场理论和等离共振理论进行解释。此外,制备了无核壳结构的对照组样品进行了对比分析,讨论了核壳结构对负介电的影响。

关键词：超复合材料负介电常数逾渗聚吡咯基复合材料

碳/氧化铝陶瓷复合材料的制备与电学性能研究

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碳/氧化铝陶瓷复合材料的制备与电学性能研究

作者：刘元会齐鲁工业大学

学位级别：硕士

电磁超材料是一类具有负电磁参数的新型电磁介质,其在电磁屏蔽、隐身、天线、电容器等领域展现出广阔的应用前景。超复合材料是超材料的一个分支,其结构组成不同于常规超材料。常规的超材料一般由亚波长结构单元周期性排列而成,其负电... 详细信息

电磁超材料是一类具有负电磁参数的新型电磁介质,其在电磁屏蔽、隐身、天线、电容器等领域展现出广阔的应用前景。超复合材料是超材料的一个分支,其结构组成不同于常规超材料。常规的超材料一般由亚波长结构单元周期性排列而成,其负电磁参数主要决定于人工设计的周期性单元。超复合材料的电磁特性不依赖于周期性单元,主要来源于材料的化学组成与微观结构。从材料学角度,开发基于材料本征性质的超复合材料是一项非常有意义的研究工作,这是因为材料界更关注材料微观结构组成与性能的关系。但是,相对于常规的序构超材料,超复合材料的研究起步较晚,相关研究较少。负介电常数的调控是电磁超材料领域的研究重点,具有重大的理论与实际应用价值。比如,调控负介电的出现频段有利于材料应用于微波滤波器、新型天线等;具有大的负介电常数数值的材料可用于电磁屏蔽领域;小的负介电常数数值与弱的介电频散特性有助于其用于叠层电容器。对于超复合材料,可以通过组分设计和微观结构剪裁,对其负介电常数进行调控。因此,本论文以不同尺寸和空间维度碳材料(碳黑颗粒、碳纤维、石墨烯)为功能相,氧化铝陶瓷为绝缘基体,利用热压烧结工艺制备出多类碳/氧化铝陶瓷复合材料,围绕材料组成结构设计与负介电实现、调控机理进行研究,并结合逾渗理论、自由电子理论、等效电路分析,深入探讨了复合材料在低于10 MHz频段下的负介电、阻抗、电导率等频散特性。本论文开展的主要研究工作如下:(1)制备的多类碳/氧化铝陶瓷复合材料在测试频段均具有负的介电常数,这归因于碳功能相所构筑的逾渗网络的自由电子的等离子体振荡,负介电频散特性符合Drude模型。材料内部的有效电子浓度决定材料整体的等离子体频率,从而会影响其负介电的频散特性,随着碳功能相的含量增多而负介电常数的绝对值增大。因此,可以通过复合材料的组分设计去调控材料内部的有效电子浓度,从而有效调控负介电行为。功能相的尺寸和空间维度均对复合材料的负介电行为有一定的贡献,纳米尺寸和高维度有助于功能相的逾渗网络的筑建,从而有利于实现复合材料的负介电行为。此外,外部温度场也影响着碳复合材料的电学性能,外部温度会影响碳复合材料的自由电子浓度与电子运动状态,进而影响材料的负介电性能。需特别注意的是,负介电常数的数值随温度变化较小,这为精准调控负介电行为提供了可能。(2)电导率频散特性与碳功能相的数量、分布程度有关。随着碳功能相添加量的增加,复合材料的导电机制由跳跃式电导过渡到类金属电导,出现了逾渗现象。碳功能相的添加量低于逾渗阈值,碳功能相呈现孤立分布状态,电导率较低,材料表现出跳跃电导行为。碳功能相的添加量超过逾渗阈值,碳功能相开始相互接触构建逾渗网络,电导率增大,具有类金属电导。(3)碳功能相的含量影响复合材料的阻抗特性,随着碳含量的增多,复合材料由电容性转变为电感性,利用等效电路可准确的分析材料的阻抗特性。当碳功能相添加量低于逾渗阈值,材料能够等效为一个含有电阻和电容的电路,这时材料的介电常数为正值,具有电容特性。当碳功能相添加量超过逾渗阈值后,材料的介电常数为负数,材料具有电感特性,能够等效为一个含有电感、电容和电阻的电路。复合材料的介电常数正-负转换会伴随着其电容-电感特性的转变,材料的负介电行为的出现往往伴随着电感特性。(4)逾渗复合材料的介电损耗主要来源于电导损耗与极化损耗,随着碳含量的增加,材料的介电虚部快速增大,这是由于电导损耗快速增加与极化损耗增强。具有负介电的复合材料介电损耗主要来源于逾渗网络中大量的自由电子受电场作用会形成的电导,并在此过程中会产生极大的电导损耗。结合电导损耗公式拟合呈线性关系,说明介电损耗以电导损耗为主,因而表明了等离子振荡型负介电行为一般伴随着较大的介电损耗。

关键词：负介电常数电磁超材料超复合材料氧化铝陶瓷碳材料

三维机织复合材料超结构设计及电磁波吸收特性研究

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三维机织复合材料超结构设计及电磁波吸收特性研究

作者：乔也天津工业大学

学位级别：硕士

随着隐身技术的快速发展,雷达吸波材料逐渐成为研究人员研究的重点。超材料的人工周期单元可赋予其独特的电磁特性,因此,雷达吸波材料的结构设计常常采用超材料设计理念。基于此,本论文以铁磁微丝为电磁功能相,利用纺织结构特有空间排... 详细信息

随着隐身技术的快速发展,雷达吸波材料逐渐成为研究人员研究的重点。超材料的人工周期单元可赋予其独特的电磁特性,因此,雷达吸波材料的结构设计常常采用超材料设计理念。基于此,本论文以铁磁微丝为电磁功能相,利用纺织结构特有空间排布规律,设计并制备出一类兼具电磁-力学特征的功能一体化三维机织超复合材料。在2.5D角联锁织物织造过程中引入纬向铁磁微丝功能相,通过调整功能相之间的间距改变超材料单元参数,从而对超复合材料的电磁响应及其作用机制进行研究。采用实验测试和CST Microwave Studio模拟建立起三维机织超复合材料内铁磁微丝间距与电磁响应之间的关系。研究发现,具有2mm间距的三维机织超复合材料的高微波吸收源于其优异的阻抗匹配,功率损耗则是由介电损耗和磁损耗共同引起。此外,通过三维铁磁微丝超材料单元等效的并联RLC电路中可以发现,电路增强了铁磁微丝之间电磁波的多重反射和吸收,可最终实现三维机织超复合材料的高微波吸收。为了研究三维机织超复合材料中铁磁微丝超材料单元受磁场方向的影响,本论文设计并制备了一系列功能相与磁场方向呈不同夹角的三维机织超复合材料,夹角范围为90°至165°。通过实验和CST Microwave Studio模拟分析,揭示出夹角关系在X和Ku波段中的电磁响应特性和微波吸收机理。研究发现:铁磁微丝的排列角度可以调节复介电常数,介电谐振可促使X波段下角度为90°和105°的三维机织超复合材料出现负介电常数。电偶极极化和弛豫极化是三维机织超复合材料介电损耗的主要来源,交换共振和自然共振是三维机织超复合材料磁损耗的主要来源。三维机织超复合材料吸波阈值角度为135°,通过调控复合材料厚度可以进一步扩展吸收频宽。为了研究三维机织超复合材料在冲击作用下的电磁损伤容限,本论文对10J冲击载荷下的复合材料进行研究,分析在三类典型区域内(冲击中心、冲击边缘和无冲击区域)冲击损伤对电磁特性及其变化趋势的影响。研究发现,在X波段下,冲击前后的三维机织超复合材料均呈现负介电常数。共振频率可以通过冲击位置来进行调整。在Ku波段下,介电常数向正方向移动,受冲击影响较小。通过仿真和等效并联RLC电路分析发现:冲击引起的铁磁微丝重构导致等效并联RLC电路重新排列,损伤并不会导致结构的失效,因此有助于冲击后的电磁响应和吸收率保持,此类三维机织超复合材料表现出较高的电磁损伤容限。

关键词：铁磁微丝超复合材料微波吸收阻抗匹配损耗机制 RLC电路

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超细颗粒增强铝复合材料钻削特性研究

高技术通讯 2001年第3期11卷 96-97页

作者：韩荣第王大镇胡广义哈尔滨工业大学机械工程系哈尔滨150001

通过超细颗粒增强铝复合材料钻孔试验 ,找出了钻削用量等因素对钻削力的影响规律 ,并用轴向力与扭矩之比值来表示铝复合材料的钻削特性 ;从钻削力考虑 ,高速钢钻头完全能满足超细颗粒 ( <0 .5μm)

关键词：超细颗粒增强超复合材料钻削扭矩轴向力

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基于纺织结构超材料的设计及电磁特性研究

基于纺织结构超材料的设计及电磁特性研究

作者：项春节天津工业大学

学位级别：硕士

随着雷达技术的发展,使得人们对隐身技术的要求也越来越高。铁磁微丝自问世以来,由于其介电常数与磁导率均为复数,使其对电磁波具有吸收性能,存在优异的电磁性能一直被很多学者所研究。在基于纺织结构的基础上,将铁磁微丝以纬纱衬入的... 详细信息

随着雷达技术的发展,使得人们对隐身技术的要求也越来越高。铁磁微丝自问世以来,由于其介电常数与磁导率均为复数,使其对电磁波具有吸收性能,存在优异的电磁性能一直被很多学者所研究。在基于纺织结构的基础上,将铁磁微丝以纬纱衬入的方式织入织物中。通过改变纬纱浮长线的长度来调节铁磁微丝在织物中的周期循环长度,通过改变纬纱的粗细来调节铁磁微丝之间的间距。研究结果表明,在二维纺织结构中,采用CoFeSiBNiMo微丝以纬纱衬入的方式织入石英纤维织物作为预制体制备超复合材料时。在X波段(8.2～12.4GHz),含有铁磁微丝的超复合材料在垂直排布的样品具有负的介电常数,介电响应模式遵循洛伦兹振荡器模式,周期性循环长度为2.5mm的超复合材料达到了最大34%的微波吸收水平。周期性循环长度为7.5mm的超复合材料具有较少的交织点和最长的表面浮长,所以具有458MPa的抗拉强度。通过实验和模拟评估和研究了采用CoFeSiBNiMo微丝在X和Ku(12.4～18GHz)波段下制备的复合材料的电磁波传播。对于由垂直排列的铁磁微丝组成的复合材料,对于1mm和0.5mm间距,介电常数在某些频带中变为负值。短周期循环长度和间距的同时存在有利于扩展频带,在该频带下,复合材料表现出单负超材料行为,由铁磁微丝的畴结构重排造成。磁导率的特征峰高度依赖于周期循环长度和间距。类似地,当周期循环长度和间隔缩短时,增强了对电磁波的动态响应。由于在等离子体频率处产生负的介电常数,所以观察到显著的透射窗口。周期循环长度的增加影响透射窗口的宽度,当间距减小时,反射和透射都减小,从而导致吸收增加到36%。根据模拟结果,在X和Ku波段下纺织复合材料的主要损耗来自电损耗,小的周期循环长度趋于形成均匀的功率损耗分布。铁磁微丝间距的减小引起强烈的长程偶极共振和磁畴壁运动,从而改善微波吸收。在三维纺织结构中,采用CoFeSiBNiMo微丝以纬纱衬入的方式织入石英纤维织物作为预制体制备超复合材料时。相比于二维34%的微波吸收性能,该结构在铁磁微丝间距为2mm时,在Ku波段由于良好的阻抗匹配,展现出了67%的良好微波吸收水平。另外,冲击对复合材料的电磁性能影响也很小。因此,含有铁磁微丝的纺织结构超复合材料在隐身材料方面的应用似乎很有潜力。

关键词：铁磁微丝纺织结构超复合材料介电常数微波吸收阻抗匹配