Fe3O4掺杂聚苯胺介电特性及吸波性能研究

来源:用户上传      作者:

　　【摘要】吸波材料是指能将入射的电磁波转化成其他形式的能量（如机械能，电能和热能）而消耗掉的材料。本文较全面地介绍了吸波材料的应用前景。要获得性能优良的吸波材料，必须综合考虑电磁阻抗和阻抗匹配2种因素，尤其是材料的介电常数（ε），磁导率（μ）。单独的导电高聚物材料吸收频宽较窄，为满足未来的隐身材料质量轻，适应性强的特点，可以将导电高聚物与无机磁性材料复合出兼具有磁性和导电性的复合聚苯胺材料。
　　【关键词】聚苯胺；电磁参数；掺杂；复合材料
　　
　　一、前言
　　Fe3O4掺杂聚苯胺具有作为微波吸收和电磁屏蔽材料的优点，但由于军事应用的可能性，这类研究的实际应用很少公开报道，而主要是作为抗静电剂、二次电池材料使用。今后聚苯胺可以期望通过下列途径充分开发和利用其吸波性能：①利用掺杂态聚苯胺的半导体性吸收雷达波，达到雷达隐身目的；②在电子仪器内壁和孔壁上形成聚苯胺涂层，并将其导电能力提高到10-1ｓ・ｃｍ-1以上，以实现电子仪器壳内外的电磁波屏蔽；③利用聚苯胺在掺杂前后导电能力的巨大变化，实现防护层从吸收电磁波到透过电磁波的可控切换；④通过分子结构设计和物理改性，使聚苯胺的电损耗与其他材料的磁损耗相结合，开发复合型微波吸收材料。
　　目前国内外研究者对磁性物质掺杂聚苯胺做了大量研究工作。将高导电性（σ≈3.4ｓ・ｃｍ-1）聚苯胺与氨基苯磺酸共聚物溶解于碱性溶液中，以FeCl2作为掺杂剂，制备γFe2O3/PANI的电磁复合材料，分析表明，复合物的磁性能依赖于反应液的pH值，当pH值升高时，其饱和磁化强度Ms最大达33.2emu/g，吸波能力比PANI/Fe3O4（Ms=20emu/g）要高。在材料设计二元协同理论的指导下，提出的“修饰-再掺杂法”，即先采用微乳液法合成由导电聚苯胺（PANI/DBSA）的氯仿溶液修饰原位生成的Fe3O4纳米颗粒的复合物，然后在该复合物存在下使聚笨胺聚合，结果表明，磁导致导电聚苯胺的连续性不好，因此聚苯胺/纳米Fe3O4复合材料的电导率低于PANI/DBSA，而磁性能有所增加，同时具有微波电损耗和磁损耗性能。将Fe3O4的水溶液与PANI的甲基吡咯烷酮溶液进行混合，用化学方法合成出具有半导体性和导磁性的PANI/Fe3O4复合物，该复合物具有一定的微波吸收性能。用FeCl2掺杂PANI/H2SO4，使PANI/H2SO4的导电、导磁性能有所提高，在8.2～12.4GHz范围内最大衰减为17.2dB，平均衰减为11.3dB，可以作为微波吸收材料。
　　二、Fe3O4掺杂聚苯胺介电特性及吸波性能研究
　　1.实验
　　依次加入40ml蒸馏水，16ml盐酸，5.3ml苯胺于三口烧瓶中，同时搅拌玻璃棒。在加入蒸馏水时开始工作（以能搅拌液体为宜），否则混合物的温度会上升。温度控制在20℃左右（反应体系在水浴中冷却）。然后加入一定量的Fe3O4粉末。将做氧化剂的过硫酸铵（30g）溶于由35ml盐酸和100ml蒸馏水组成的溶液中，然后用滴液漏斗将其慢慢滴入（约每秒两滴）上述混合溶液中，溶液的颜色由绿色到蓝绿色再到深绿色，并有颗粒状的复合聚苯胺生成。继续搅拌并维持反应8小时。反应完毕后将产物进行抽滤，并用丙酮，蒸馏水反复洗涤产物，直到滤液无色。干燥，制得兼具有磁性和导电性的复合聚苯胺。
　　（1）样品的制备及电磁参数的测量与计算
　　将所制得的样品依次编号分别在摸具中制成矩形波导线所要求的尺寸（长为23.30mm，宽为10.36mm），首先用四探针测量各样品的实验数据，得出各样品的电磁参数。为了便于测量他们的吸波特性，将各样品分别与石蜡均匀混合再压制成矩形波导线所要求的尺寸（此时样品厚度均为2.88mm），再用波导式测量线测试各样品的反射系数。
　　（2）计算原理
　　根据微波吸收理论，吸收体的电压反射系数为：
　　Γ=[(μr/εr)1/2tanh(γd)-1]/[(μr/εr)1/2tanh(γd)+1]
　　表达式中εr，μr分别为相对介电常数和相对磁导率。
　　反射系数为R=20log|Γ|(dB)
　　本研究中还需考虑的一个问题是吸收频率△f。从式中可以看出，吸波性与材料的电磁参数，厚度及使用频率有关。在厚度和频率相同的前提下，通过改变复合物中各组分的比例，可改变等效电磁参数，寻找到最佳配比。（3）实验结果与讨论
　　我们对样品测试了掺杂复合聚苯胺的电磁参数（ε＇ε"μ＇μ"）。且其对掺杂Fe3O4与苯胺的质量比例（Fe3O4／ＡＮＩ）的关系如上表2．图3.1，3.2为ε＇ε"对掺杂Fe3O4与苯胺不同质量比例关系曲线。图3.3，3.4为μ＇μ"对掺杂Fe3O4与苯胺不同质量比例关系曲线。
　　由图中可以看出，样品的掺杂质量比例变化引起了样品的电磁参数变化。ε＇ε"、μ＇随掺杂比例变化是先增大，后减小，再增大到最大，最后又减小。当掺杂比例为35%时，ε＇ε"值最大。μ"随着掺杂比例变化，大体上是逐渐减小，因此，通过调节样品中Fe3O4与苯胺的配比，可以调节ε＇ε"及μ＇
　　三、结论
　　Fe3O4的掺杂引起了样品电导率的变化，而电导率又极大地影响吸波材料的电磁参数。同样，样品的掺杂质量比例变化引起样品的电磁参数变化。所以，我们可以通过调节磁性材料Fe3O4与苯胺的反应质量比例，可以调节复合聚苯胺的电导率，进而调节其电磁参数，最终可以调节反射系数R，并找到最大R值及最大频宽的目的。衰减为10dB时的频宽可达4.1HGz，具有良好的吸波性能。
　　
　　参考文献
　　[1]唐绍红.北美导电聚合需求高速增长[N].中国化工报,2003-11-29(第2版).
　　[2]马利,汤琪.共聚态聚苯胺的合成及性能[J].高分子材料科学与工程,2003,19(6):76-79.
　　[3]王杨勇.聚苯胺复合材料的原位合成、结构与性能[D].西安:西安交通大学硕士学位论文,2003.
　　[4]杨杰,沈曾民,熊涛.聚苯胺原位包覆碳纳米管材料的制备及性能[J].新型炭材料,2003,18(2):96-99.
　　[5]葛副鼎,朱静,陈利民.吸收剂颗粒形状对吸波材料性能的影响[J].宇航材料工艺,1996(5):42-49.
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-366957.htm