博士学位论文答辩公告--材料学院董洁

2019年05月16日 09:20  

学科专业:材料学
论文题目:纤维增强吸波复合材料的制备与性能研究
答辩人:董洁
指导老师:周万城
时  间:2019-05-22  09:30
地  点:公字楼328室
一、学位论文简介
随着现代科技的迅速发展,电磁波在商业、军用和民用领域的应用越来越广泛,特别是在军用领域。为了提高武器的生存能力和突防能力,新一代隐身材料要求达到“轻、薄、宽、强”的综合性能。结构型吸波材料,将承载与吸波于一体,达到减轻结构重量的同时提高材料的吸波性能。传统的结构型吸波材料是将吸收剂掺杂在高性能纤维增强的树脂基体中,以提高材料的吸波性能,吸收剂的种类、含量等会对复合材料的力学和吸波性能产生一定的影响。频率选择表面(FSS)在隐身材料方面的应用打破了传统的隐身材料制备的局限,给新一代隐身材料的设计提供了新思路。将周期结构频率选择表面引入复合材料中提高材料的吸波性能已是吸波领域的研究热点。本文的主要研究内容和结果如下:        采用层压法制备了石英纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料,通过对层压工艺过程的关键参数(加压点、压力、固化温度和固化时间)进行探索,得到了制备力学性能最优的复合材料的层压成型工艺。 分别以纳米SrFe12O19和羰基铁粉作为吸收剂,用层压法制备了以磁损耗吸收剂掺杂的纤维增强树脂基吸波复合材料,观察了不同含量吸收剂掺杂的复合材料受力断裂后的断面特征,研究了片状和球形两种形态的羰基铁粉在复合材料中的分布状态,测试了不同含量吸收剂掺杂下复合材料的力学性能,研究了吸收剂含量的变化对复合材料电磁性能的影响规律,并通过反射率的计算研究了吸收剂对复合材料吸波性能的影响。        对于纳米SrFe12O19掺杂的纤维增强树脂基复合材料,当加入吸收剂的含量为20wt%时,复合材料的弯曲强度比没有加入吸收剂时提高了9.7%;但即使纳米SrFe12O19含量增加到很高,复合材料的吸波性能仍然很差。对于羰基铁粉掺杂的纤维增强树脂基复合材料,对比片状和球形羰基铁粉掺杂复合材料的力学性能,片状羰基铁粉掺杂复合材料的力学性能较好;片状羰基铁粉掺杂的复合材料在厚度较薄时,反射率峰值对应的频率在X和Ku波段区间内,随着厚度的增大,复合材料反射率的峰值左移,因此可以通过调节复合材料的厚度来调节材料的吸波性能。        分别以炭黑、纳米石墨片、微米和纳米级BaTiO3以及SiC纤维二维编织布作为吸收剂,采用层压法制备了电损耗吸收剂掺杂的纤维增强树脂基吸波复合材料,观察了吸收剂在树脂基体中的分布状态,分析了吸收剂含量的变化对复合材料力学性能的影响,研究了吸收剂含量对复合材料电磁性能的影响规律,阐述了吸收剂对复合材料电磁性能的影响机理,并通过反射率的计算得到了复合材料的吸波性能。        对于炭黑掺杂的纤维增强树脂基复合材料,在炭黑含量为8wt%时,复合材料的弯曲强度达到最大值为705MPa;随着吸收剂含量增加到10wt%,复合材料在8.2GHz的复介电常数增大到6.7-j4.1。并在吸收剂含量为10wt%,厚度为3mm时复合材料的吸波性能最好,由计算得到的复合材料反射率低于-8dB的带宽为5.6GHz,实验测试的带宽为5.72GHz,计算和实际测试吻合较好。对含量为5wt%的炭黑掺杂树脂基复合材料进行恒温230℃热老化实验,热老化1000h复合材料的力学性能降低了33.3%,电磁性能基本没有改变,结果表明,复合材料在230℃恒温热老化下能够表现较好的稳定性。测试了5wt%炭黑掺杂的复合材料在常温、200℃和250℃下的拉伸性能和弯曲性能,结果表明,200℃时测试的复合材料弯曲强度和拉伸强度与常温下相比分别降低了56.4%和43.8%,250℃时分别降低了72.2%和72%。        对于纳米石墨片掺杂的纤维增强树脂基复合材料,随着吸收剂含量从1wt%增大到5wt%,复合材料在8.2GHz的复介电常数由4.69-j0.4增大到7.48-j2.53。吸收剂含量均为5wt%的炭黑和纳米石墨片掺杂的复合材料,在厚度为3mm时,纳米石墨片掺杂的复合材料在X波段的吸波性能好于炭黑。对比微米级和纳米级BaTiO3掺杂复合材料的力学和吸波性能,结果表明,纳米级BaTiO3掺杂复合材料的力学性能和吸波性能均好于微米级BaTiO3掺杂的复合材料,吸收剂尺度的纳米化有利于吸波性能的提高。SiC纤维二维编织布作为吸收剂,能够解决吸收剂在材料中的分散不匀的问题,但是SiC纤维增强的复合材料很难同时满足理想吸波材料必须满足的两个基本原则,所以也没有达到较好的吸波效果。       对于含有单层周期结构的吸波复合材料,通过模拟探索周期结构在复合材料中的位置、周期结构的单元尺寸、方形贴片的边长、方形贴片的表面电阻、方形贴片的厚度以及基体中吸收剂的含量对复合材料反射率的影响,找出因素的变化对复合材料吸波性能的影响规律。多层周期结构能够通过多层FSS之间的耦合拓宽复合材料的吸波带宽,本文研究了含有多层周期结构的复合材料的吸波性能,并用实验验证了模拟的准确性。当复合材料中周期结构层数从底层向表层增加到13层时,模拟得到的复合材料反射率低于-8dB的带宽为6.6GHz。实验测试得到的复合材料的反射率低于-8dB的频带为9.6~15.6GHz,带宽为7GHz。模拟与实验具有较好的一致性。 关键词: 结构型吸波材料,频率选择表面,力学性能,电磁参数,吸波性能  
二、攻读博士学位期间以第一作者发表与学位论文相关的学术论文:
[1]  Dong, Jie,Zhou, Wancheng,Zhu, Dongmei,Chen, Qiang,Lu, Linlin,Jia, Hongyao,Gao, Lu,Luo, Fa。Mechanical, dielectric and microwave absorption properties of   SiO2f/SiCf/PI composites。MATERIALS RESEARCH EXPRESS,2018/5/12。JCR分区;SCI(E),WOS:000445134700002  
[2]  Dong, Jie,Zhou, Wancheng,Jia, Hongyao,Chen, Qiang,Gao, Lu,Luo, Fa,Zhu, Dongmei,Lu, Linlin。Mechanical, dielectric and microwave absorption properties of   SiO2f/SiCf/PI composites。MATERIALS RESEARCH EXPRESS,2018/5/12。JCR分区;SCI(E);中科院分区,WOS:000445134700002  
[3]  Dong, Jie,Zhou, Wancheng,Duan, Shichang,Jia, Hongyao,Gao, Lu,Luo, Fa,Zhu, Dongmei,Chen, Qiang。Mechanical, dielectric and microwave absorption properties of carbon   black (CB) incorporated SiO2f/PI composites。JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE-MATERIALS IN ELECTRONICS,2018/29/20。JCR分区;SCI(E);中科院分区,WOS:000445428900002  
[4]  Dong, Jie,Zhou, Wancheng,Zhu, Dongmei,Gao, Lu,Luo, Fa。Effect of curing pressure on mechanical, dielectric and microwave   absorption properties of carbon black (CB)-incorporated quartz glass   fiber-reinforced polyimide composites。APPLIED PHYSICS A-MATERIALS SCIENCE & PROCESSING,2018/124/10。JCR分区;SCI(E);中科院分区,WOS:000444802500002  
[5]  Dong, Jie,Zhou, Wancheng,Qing, Yuchang,Gao, Lu,Duan, Shichang,Luo, Fa,Zhu, Dongmei。Dielectric and microwave absorption properties of CB doped SiO2f/PI   double-layer composites。CERAMICS INTERNATIONAL,2018/44/12。JCR分区;SCI(E);中科院分区,WOS:000437077000075


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