石墨烯复合材料护罩的电磁吸收性能外文翻译资料

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石墨烯复合材料护罩的电磁吸收性能

摘要

被多层石墨烯微层填满的热固性聚合物基体组成的石墨烯基复合材料（MLG），是为了开发应用于薄的雷达吸收材料。为了计算复合材料的有效介电常数和电导率，并用于雷达电磁屏幕的设计，在此提出了一种创新的仿真模型。这种模型考虑了MLG的形态以及纤维工艺对复合材料电磁性能的影响。实验证明了该方法的有效性以及开发中的仿真模型的准确性，这能让我们了解伴随而来的电磁场辐射与MLG复合材料间的作用机理。两种诱电性的索尔兹布里屏的共振频率在12GHz或12.5GHz，厚度一个是1.8mm一个是1.7mm，被分别制造以及测试。测试的结果和技术提出了一种简单有效的途径来生产应用于隐形技术以及电磁干扰抑制方面的薄吸收屏。

引言

近年来，电磁吸收器在人文以及军队应用中扮演着一个重要的角色。它们的运用主要因素是雷达散射面积的减小以及它们同样能用于减小电磁干涉和GHz范围辐射引起的电磁兼容性问题。在设计电磁吸波材料（RAM）中第一批概念之一即是非传导性的索尔兹布里屏，它是由三层嵌镶板组成：金属平面作为反射器、无损的厚度等于四分之一波长的介电层用于吸收雷达波，和一个薄损耗层有着吸收与电磁场相关能量的功能。DSS的主要限制是厚度，应用范围从几到18GHz，对应在厘米的范围。

为了获得宽带，质量轻，薄的GHz频率区域的EM吸波材料，显著的科学，技术的兴趣都集中在了订制的RAM上。它们是由聚合物或陶瓷复合材料制成，拥有高的损失能量，这使它们能吸收入射辐射并消散其热量。碳纤维增强聚合物复合材料已广泛用于特定的电磁干扰抑制应用，RAM也一样。

近来，几项研究已经调查了单壁或多层碳纳米管(CNTs)以及纳米碳纤维（CNF）的用处，作为替换更传统的复合材料填料在RAM的应用。

在先前的研究中，作者已经研究了为了区分复合材料有效介电常数虚实部的多填料系统的用处，目的是优化RAM的吸收性能和减小DSS的厚度，为了达到这个目的，他采用了不同的传统微，纳米填料相结合。事实上，在无线电频率(RF)下复合材料的有效电导率与介电常数的虚实部是显然的，它被代表着填料尺寸最大值与最小值比率的填料接受比率(FAR)强烈的影响。由于填料的体积分数（FVF）低于渗透阈值，它导致有效电导率达到射频的值由几到十s/m的范围以防FAR的值到100至1000。因此，纳米填料如CNT，或微米材料如短碳纤维，有直径约7mu;m和几毫米的长度，特别的适用于这个范围。相反，代表材料介电极化率的有效介电常数的实部，对FAR远不是那么敏感，但是用FVF增加了比例，对于低FAR(低于100)，它的特点是在频率上不变的趋势。因此，将微米与纳米填料利用不同FAR在不同尺寸范围结合的可能性代表这一个区分复合材料在射频下的介电性能和电导率。

在这种背景下多层石墨烯微层(MLGs)可以代表一个有效的替代物来混合使用微米和纳米填料。MLGs是石墨烯层中一个小的填充物，典型的厚度范围在1至10nm，水平的尺寸更大一些，大约20至25nm。

由于它们的双维度形状，MLGs能在高FAR纳米填料中有一席之地（由于薄片的横向尺寸和它的厚度间的比率。），同时，在薄片区域在几十到几百平方微米的范围，MLGs在低FAR中起着影响复合材料有效介电常数实部的作用。

综合上述原因，一个关于MLG填充高分子复合材料的有效介电常数在整个X和Ku频率带（一般8至18GHz）的特点的广泛研究已经被实施了。此外，已开发出一种新型仿真模型来预测复合材料在射频下的复介电常数。

近年来研究了石墨烯复合材料的电磁干扰屏蔽性能，考虑了不同的聚合物体系。就在近几年，提出了石墨烯/聚合物复合膜在三明治结构应用为一个灵活的护罩，复合膜中含有高含量填料，并证明了其对入射电磁领域提供了一个高的反射作用，屏蔽效能达到27分贝。

在这篇文献中，作者研究了石墨烯RAM的可行性，特别是薄DSS，总厚度低于2mm，在Sapienza纳米技术和纳米科学实验室(SNN-Lab)被设计和制造，它们有一个由环氧乙烯基酯树脂填充为2%wt组成的损耗表，MLG，垫片与商业Rohacellreg;IG51(RC)面板或聚丙烯(PP)层，为了获得共振频率为12和12.5GHz，电磁吸收屏的设计是由计算做成，做成这个创新型EM模型的目的，是为了说明MLG形态学和复合材料生产工艺过程，开发用来预测材料的有效介电常数和电导率。

2.实验

2.1 MLG和复合材料产品

MLG通过热膨胀石墨插层混合物(GIC)生产，起始的GIC(Grafguard 160 - 50 N)由Graftech Inc .提供的，它的特点是申报的平均350mu;m的横向尺寸，GIC在空气中经历了一个温度是1150℃的热冲击驱动的扩张，它的体积增加约200倍,获得像蠕虫状的石墨。

由此产生的膨胀石墨在丙酮分散，获得的悬浮液倾斜使用超声波探测器进行声处理，工作频率为20 kHz，持续20Min，设置为脉冲模式（1秒开和1秒关），从而获得MLG。聚合物复合材料是使用环氧基乙烯基酯产品准备，由雷可德(戴恩9102)友情提供。这种树脂的初始粘度有150至200mpas，密度是1.01至1.05g/cmsup3;，和苯乙烯含量大约50％wt。

声处理之后，将MLG和丙酮的混合液倒进一个包含液体乙烯基酯树脂的烧杯，这个烧杯之前已经混合了0.2％wt钴基合金加速器。进一步用低超声波振幅处理30秒，目的是减少泡沫的形成。

下一步，悬浮液以200至250rpm磁力搅拌，为了消除多余的溶剂，当溶剂蒸发完成时，固化剂添加到2％wt比率。

液体的配方最终在250rpm下再次搅拌，直到它得到适合浇铸的黏度，然后直接倒在两组X与Ku法兰中，适用于频率范围从8.2 GHz 18 GHz的有效介电常数测量。

最终，复合材料在空气中加工处理24小时，并再在空气中70℃后加工处理24小时，并在最后的抛光处理后，被填充的法兰用于介电常数的测量，如2.3中所描述。

2.2雷达吸收罩的制造

数据2利用垂直入射的平面波照亮，显示出索尔兹布里吸收屏的基本构造。右边起第一层由厚的金属板实现的一个能够反射入射场所有能量的完美电导体（PEC）。第二层是逆电流器，它通常由无损耗电解质构成。第三层是损耗层，它的作用是吸收与入射场相关的电磁能量。损耗层和逆电流器的厚度分别为dL和dS。

Fig. 2.

损耗片的特点是其相对有效的复介电常数，i.e. ，是相对有效介电常数，而是损耗值。的绝对值与损耗片的有效电导率有关，

垫片是被认为是无损耗的，被描述为实际的相对介电常数ε_S ，DSS原型在SNN实验室制作，使用MLG复合材料作为损耗层以及使用商用介电材料作为逆电流器。

首先，按照2.1中叙述的方法制造2％wt的MLG聚合物混合物，当获得的液体黏度适合铸造时，混合物被直接倒入1mm厚的面板模具，使用24厘米长宽的构架。这时，复合材料在空气中加工处理24小时之后在70℃下后处理24小时，获得2％wt的损耗层，调整大小长宽22cm。

最后，生产的复合材料组装上商用逆电流器，例如RC或PP，分别为0.67或0.77毫米的厚度，这是为了得到两种屏的原型。

2.3描述

借助扫描电子显微镜（SEM）分析其结构特征，即在SNN实验室使用蔡司场发射电子束扫描电子显微镜（FESEM），在5keV下操作，工作距离为3mm与4mm之间。要成像的样品是使用碳双面胶带根连着SEM，分析时没有任何金属涂层。MLG片厚度和横向维度测量通过原子力显微镜(AFM)，Bruker VEECO原子显微镜，配备一个毫微秒示波器V控制器，这些在SNN实验室可用。AFM研究是使用布鲁克锑掺杂硅悬臂梁在敲击模式下实施，共振频率大约是300kHz，成像是在0.5Hz下获得扫描。

所有的复合材料都要经过SEM分析以及电磁性能测量。为了在SEM上成像，样品必须从法兰中萃取，在液氮中击碎，这样才能分析断裂面。这一步骤紧随着铬的沉积5nm，为了避免研究时的表面电荷。

复合材料的复有效介电常数是根据ASTM 5568标准从散射参数测量取得，分别使用两种不同波段，X(8.2 -12.4 GHz)和Ku波段-18(12.4 GHz)，其内部尺寸是22.86毫米times;10.16毫米(X波段)和15.799毫米times;7.899毫米(Ku波段)。

填充法兰的散射参数使用矢量网络分析仪来测(Anritsu Vector Star MS4647A)，每一批都由X和Ku的两段波段组成，六样不同的测量，每个批处理数据都要进行平均，以减少不确定性。

2.4反射系数测量

吸收屏的反射系数参数在8至18GHz下测量，测试板的尺寸都是长宽22cm，位于一对正确设计的宽喇叭天线弗劳恩霍夫距离(远场)的地方，有5.5厘米的圆形光圈和光线的半宽度16°。反射的测量是在垂直入射下使用Anritsu Vector Star适量测量仪。

3结果与讨论

3.1MLG和复合材料特征

对膨胀的石墨烯用SEM进行的形态观察到的GIC图像在图4a，而图4b显示了典型的MLG小片形状，它可以指出典型的MLG片被限制为一个扁的椭圆球（b图的白线）。其表面特征是锋利的边缘和楔形的存在。尤其是，这些边缘是棒状的形状（b图黑线）。和它们的长度是比得上MLG横向维度。

从原子结构（AFM）的研究上，结果是制造的MLG的平均厚度在4纳米到13纳米，横向维度在1微米到10微米，如图5所示。

图6展示了在不同的放大倍率下填充了2％MLG的复合材料样品，值得注意的是MLG是分散在基体中并且不形成聚合物，此外在这个范围，我们虽然没能观察到相关孔隙度（图6a），但是我们注意到MLG嵌入了基体中（图6b）。通常，多孔性对复合材料的性能有强烈的影响。然而，在3.3中，我们显示了测量3.2电磁场中的复合材料复介电常数是非常适合的，那其中没有包括多孔性，因此，我们最终得出结论，孔隙的存在在我们感兴趣的频率范围（到18GHz）下并不影响复合材料的敏感电磁性能。它可以被忽略。

3.2石墨烯复合材料的电磁建模

模拟预测填充MLG复合材料有效的复介电常数的射频(RF)是设计创新石墨烯RAM

一个基本的步骤，为了达到这个目的，我们使用一个新奇的麦克斯韦加内特(MG)公式，这是一个众所周知广泛用于混合物和复合材料的电磁建模的混合法则。MG公式的应用的主要困难在于MG公式的应用的主要困难在于MLG复合材料中占据了不规则形状的石墨烯薄片，以及模拟填料和聚合物基体之间的相互作用的范围在纳米和微米尺度。

在3.1中MLG的外貌特征报告中，我们观察到石墨烯片是有着符合定义边缘的多边2维材料，MLG的作用在聚合物电介质的极化率和电导率可以归因于表面边缘填料和基体之间的相互作用。先前的反应可以被解释为聚合物占满瘦扁椭圆体(典型限制的片，如 3.1中观察到的)，在轴上l_MLG平均水平维度，t_MLG表示平均厚度。第二步反应可模拟为电场定位和增加复合材料生产片边缘的形状与表面的皱纹，这是纳米长度的l_MLG分散在充满扁的聚合物粒子产生的电子散射与极化的影响。

因此，MLG填充复合材料被建模为一个有效的多尺度的双填料的复合材料。第一个填料是由扁椭圆体组成，其存在主要影响复合材料的介电常数。第二个填料是由纳米棒构成，主要影响材料的导电性能。因此，MG公式应根据支援的信息（SI）递归应用。第一步，我们计算出 聚合物基体的相对有效介电常数 ε_obl，其填充的扁轴 l_MLG, t_MLG，以及导电性sigma;_MLG，它的结果是

ε_m 是基体的相对介电常数， theta;_MLG为MLG的体积分数，角频率omega;,ε0为真空介电常数。Lambda;k和Gamma;k计算为

a

b

N_oblk (k = 1,3) 是去极化因数，被赋值为

N_obl3=(1 e²)(e-tan^-1e)/e³

N_obl1=N_obl2=(1-N_obl3)/2,

e是离心率

依次，我们再次应用MG表达式考虑杆状夹杂物的情况，包括体积因数theta;_rod和电导率sigma;_rod，分散在由装载扁椭形的基体构成有效培养液中的相对有效介电常数 ε_obl，MLG复合材料的相对有效的复介电常数的εef的屈服点:

Pi;rodk和Psi;rodk计算

sigma;rod = beta;sigma;MLG 以及theta;rod = alpha;theta;MLG，alpha;和beta;是拟合参数，主要是依赖于MLG分散度聚合物基体，并代表建模为杆状的填充物的散射峰的体积浓度，以及它们的有效电导率。它们的去极因数赋值为

N_rod1=N_rod2=1/2

N_rod3=(gamma;t_MLG/l_MLG)²ln[l_MLG/(gamma;t_MLG)

gamma;是一个拟合参数，这是代表散射峰的长宽比。应该注意的是，alpha;、beta;和gamma;强烈依赖于MLG性能和复合材料制造工艺。

3.3电磁特征以及MLG复合材料模型验证

先前的段落中所描述的模拟模型可以通过比较实验数据来证明

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