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由碳纳米管改性的基于弹道模拟和电磁屏蔽行为的多功能芳纶纤维增强环氧符合材料

综述：该研究的主要目标是研发一种同时具有吸收机械冲击能量能力以及抗电磁干扰能力的复合材料。目前已经构思并实现了针对这种多功能性的几种层状材料：具有0.8GHZ—8GHZ范围的电磁屏蔽效能以及吸收大约相当于金属子弹以400米/秒—1000米/秒的速度撞击时产生能量的能力（该速度产生的能量可以达到航天机构中潜在机械撞击产生的低能量范围）。

复合标本正在测试的是由混合多尺度材料制成的约3.5毫米厚的瓷砖：该标本通过在碳纳米管聚合物基质中整合几层芳纶织物和碳纤维层来进行增强。电磁屏蔽效能通过混响室进行测量；层状混合物的效能接近金属的屏蔽效能，达到八十分贝。冲击试验是通过使用内置的线性电磁加速器（称为轨道枪）进行的; 结果表明，以薄而且轻为主题所设计的复合材料轻质瓦片能够吸收层状结构局部的高能量冲击。

1. 简介

在航空航天领域，设备箱或者更大的容器通常需要同时具备电磁屏蔽以及抵抗机械冲击的能力。同时，轻盈和易于制造也是必需的。碳基陶瓷复合材料（例如C / C，C / SiC）由于其令人印象深刻的热稳定性、良好的力学性能和电磁方面的性能以及轻量化，被认为是理想的多功能复合材料。然而，制造高标准的C/C、C/SiC材料仍然存在严重的困难技术困难，同时也缺乏有效的节约时间/成本的生产过程。因此，开发更具成本效益且易于制造的碳基纤维复合材料是值得的。本研究的目的就是开发出一种在电磁屏蔽领域和抵抗机械冲击领域都有良好表现、且保持合适的轻质及厚度的材料。在这种背景下，纤维增强复合材料就是可以实现这种功能的代表，特别是碳纤维（CF）在某些频率下拥有良好的电磁屏蔽效能（SE）以及良好的机械强度，而芳纶纤维复合材料就是因其防弹能力而闻名。此外，一些文章报道了碳纤维作为复合材料的填料时带来的良好效果。特别是碳纳米管（CNT）粉末可分散在不同种类的基质中增强复合材料的机械强度和电磁屏蔽屏蔽功能。在这项工作中，一种在环氧树脂中增加几层碳纤维和芳纶纤维的符合材料被提出，此外，聚合物基质通过包含碳纳米管得以丰富。为了测量电磁屏蔽效能，我们要用到一个可以在0.8-8.0GHZ频率范围内变化的混响室系统。这种设备主要经常被应用于分析电磁兼容问题（EMC）并且主要由带有允许内部随机电场分布的反射墙的封闭体块组成。正是由于这样的电磁屏蔽混沌系统将所有可能的电场方向纳入考虑，电磁屏蔽效能SE才能被尽可能有效的评估，因为它真实的发生在电场传播环境中。关于弹道测试，我们采用一种名叫“轨道炮”的发射器来制造电磁场。这种设备由一对平行的导电板（导轨）组成，其中滑动金属电枢由高电磁脉冲产生的电磁感应（洛伦兹力）来加速。论文的大体梗概如下：在第二部分详细介绍了这种材料和测试方法（包括电磁屏蔽和电磁感应的四个方面：电导率、机械应变和应力测量装置，以及对轨道炮的描述）。在第三节报告和讨论测量结果、第四节用有限元分析的方法测量电磁屏蔽效率SE，最后呈现实验结果。

1. 材料和测试方法

2.1 材料

测试中的样品是通过整合芳纶织物和碳纤维层在聚合物基质中形成的一种复合材料。后者是双组分环氧树脂CR82复合树脂，目前已用于整洁或填充多壁碳纳米管（MWCNT）。MWCNT是NC7000系列（平均直径约9.5nm，平均长度1.5mm，纯度90％，表面积250e300 m2/ g，体积电阻率10 4 U cm）的一种。图1展示的电子显微镜扫描图片是多壁碳纳米管粉末，显示了材料高度缠绕的原始形态。分层碳纳米管加固聚合物（CFRP）由六层碳纤维和两层芳纶织物组成。

聚合物一共有八层，表层下面是三层碳纤维层状聚合物（CF），两层双轴芳纶织物，然后是同样的三层碳纤维层状聚合物，纤维体积分数在0.82-0.85范围内，而碳纤维质量分数在0.75-0.77范围内。图二展示了碳纳米管加固聚合物芳纶织物的制作过程。聚合物在浸泡之前，用于多功能复合材料的树脂会填充一定量的CNT粉末。这些CNT粉末会均匀地分布在环氧树脂中。制造纳米增强型复合材料的关键问题是在这样的基质中进行纳米颗粒混合以获得一个均匀且各项同步分布的方法。在聚合物混合之前，需要在室温下对其进行超声波处理。超声波处理是指在20KHZ的频率下通过超声波器（超声波发生器VCX750，相对于设定20％的振幅达到满量程振荡幅度）照射6小时来完成。

在该预备步骤之后，将树脂加入到醇溶液中，这种溶液的浓度与最后所需的复合材料含有的MWCNT浓度相同；最后形成的复合材料中含有MWCNT浓度为百分之一。该溶液需要先在室温下搅拌大约一个小时，然后放入大约六十摄氏度的烘箱中直至蒸发（大约需要48个小时），最后添加并混合一种胺类固化剂。这些树脂层的两面均被洗刷，并按照设计顺序在模具中相互定位；然后在包装的多层上约30*20平方厘米的矩形区域上施加大约7barr

2.2电导率测量装置

通过安捷伦精密LCR仪和四端子技术测量系统，这种复合材料在电学上表征频率范围为20HZ--2MHZ。该样品通过主板喷水技术获得，如此精确的切割方法确保样品尺寸具有非常精细的公差。图片3显示了一些仪器。为了尽可能减少任何错误来源，用一种导电银漆对表面样品和用于连接LCR仪器的铜电极刷涂和电气处理。通过串联和并联电路测量方案对样品进行电气特性描述。在串联方案中，样品的电有用尺寸是l=45毫米，a=11.5毫米，b=3.5毫米;特别是，L是有效长度并没有考虑到银漆放置铜电极的样品的一部分。串联方案中的电导率参数б_s通过已测量值阻力R_s计算出来：

Б_s=

其中电阻 - 电感串联电路（Rs-Ls）设置在LCR仪表（建议用Rs和Ls中的小值）。在并联方案中，样品的电有用尺寸是a=26mm,b=26mm,l=3.5mm,d=1mm(d是指分开两面碳纤维层板的芳纶层板)，并联方案中的电导率参数计算公式为：

ε_r=

其中ε0是真空介电常数。图3中显示了用于测量的装置。所有的电导率数据都将在随后的SE数值模拟板块中报道。

2.3，SE测量设备

RC的尺寸为4*6*2.5m²，并配备有两个搅拌器。立式搅拌器具有Z形折叠形状，宽度为1.2米，高2.4米。水平搅拌器由初始的四个1*0.5m²隔板加上用以改善性能的铝板组成。与每个搅拌器轴相关联的机械发动机允许在搅拌和阶梯模式下单独移动它们，分辨率为1。用一个矢量网络分析仪（VNA和Agilent E5071）获取两个或四个设置了最大屏幕分辨率的天线之间的散射参数（Sij，i，j = 1,2） 调整模式后获取数据。实验装置要求嵌套混响腔室环境（见图4）基于将较小混响室置于较大的内部。小的混响室的尺寸为1.2*0.9*0.8m²并且拥有尺寸为270*170平方毫米的孔，两个混响室应可以耦合以修复其中的样品。材料样品安装在金属框架中，从而实现导电边界，并通过密封系统固定在孔径上方。内外室均有两根天线。通过这种方式，得益于VNA 4端口操作，测量样品排列之前和之后单个RC的质量（Q）可以被测量，诱导变化对样本SE计算非常重要。参考外部RC，发送和接收天线的对数周期Schwarzbeck USLP 9143在300 MHz和8 GHz之间。共振的根本内腔模式为f0 = 205 MHz，因此理论上最低可用频率（LUF）为f0=1.230GHz。在小的混响室里面有两个宽带双脊天线(EMCO 3115 and AH Systems SAS-571)。对于这些测量，已经运用了频率搅拌程序来研究复合材料样品屏蔽性能。样品架的尺寸为300*200平方毫米，厚度则在1-20mm的范围内。外室则单独采用机械搅拌程序（MS），搅拌器在调整模式下作为静态衍射器，在几个独立的位置之间逐步移动。有关MS和FS程序的更多详细信息可以在文献中找到。
广泛调查，高度谐振/混响环境中的SE测量使用四个天线通过散射参数测量来捕获Q因子：SE因此表示为

括号运算符采用集合平均值的常规含义，下标s或ns表示该度量分别在有或没有样品的情况下进行，S21和S43是腔室外部和内部的透射系数，S41是外腔室和内腔室之间的透射系数。散射参数通过VNA 4端口操作测量：端口1和2是连接到外室中的两个对数周期天线，而端口3和4连接到两个双脊内腔中的天线。等式（3）是在假设a可忽略不计的情况下测量天线，这个完整的场景应该给出在低频率下增强结果（即使高于LUF），损失是由接收过程和腔壁造成的耗散造成。外部对数周期天线限制了工作频率范围，因为它们在0.3 GHz和8 GHz之间有效。此外，VNA能够在高达4GHZ的频率下提供最大输出功率（10 mW），但高于此频率时，功率降至1 mW，从而限制了SE测量的动态范围。整个频段范围从0.8 GHz到8.0 GHz，分为8个带宽为400 MHz的子宽带。 目前SE已在频带0.8-8.4 GHz，频率步长为250 kHz的情况下进行了测量。大频率点数（30400）对于正确应用FS平均程序很重要。 内部软件运用VNA采集和步进电机运动，因此计算通过FS程序和在调谐中操作的金属搅拌器的360个未校正角位置进行。图4报告了原理图和一些试验装置图片。 外室内的图片显示嵌套室的一部分，垂直搅拌器和传输天线。 光圈的两张照片显示了样品安装后的形式。 为了避免边缘周围的电磁泄漏，用砂纸除去样品的表面树脂，大量螺丝以及合适的垫圈插在样品和孔径边界之间。由于安装操作导致的不准确性已被最小化，包括在测量水平效应期间用铝箔覆盖样品并将箔片取下样品且为了后续测量没有装上它。

采用相同的腔室装置来测量样品的吸收截面面积。这样的数据基本上显示了样品吸收能量的能力，因为它是样本吸收的平均功率以及外腔Si中的入射标量功率密度之间的比率。

ACS可以测量腔室的Q因子得出：

其中V是外腔体积，lambda;是测量频率下的波长，而下标s和ns与上式意义相同。

吸收样品提供的能量的能力可以是通过比较吸收截面面积ACS与其几何面积来评估。事实上，用lt;gt;表示的集合平均量的概念，具有非常重要的物理意义。 因为它发生在设备上，材料撞击的尺寸，入射角和极化波浪也表现出依赖的响应。传统的波导夹具测量提供

只有一个场极化（通常为TE）和一个入射角（正常发射率）。 相反，RC提供所有偏振和所有入射角以激发样品搅拌器的完整的具有相同的发生概率的旋转周期。 因此，这种测量环境更加接近对于电磁激发表现的现实生活情况。

2.4，机械性能测量设置

ASTM C1341“纤维增强复合材料弯曲性能的标准试验方法”已被用于测试通过水射流切割技术从主板中提取的样品特别是，遵循标准建议样品长度和宽度分别为12.4毫米和75毫米，而两个支架之间的距离是60毫米。 测试装置是Schenck Trebel设备，如图5所示的带有100KN的称重传感器HBM Z4A（等级0.5）。

测量允许计算应力s和应变ε定义为：

其中P是负载（用N表示），而L，b，d和D是支持距离，样品宽度，样品厚度和样品偏转（均以mm表示）。就切线E的弹性模量而言，通过对加载图点的线性回归在参考标准中报告进行计算，其中曲线近似为线性用斜率m和模数（用GPa表示）计算

2.5，弹道测试设备

为了执行复合材料弹道特性描述，设计并实现了一种称为轨道炮的电磁发射器。在图6a中，示出了轨道炮的基本方案。 两个平行的桶（轨道），一个移动的电枢（子弹）以及用于储存和供应能量的电极和电容器的电气组件。 轨道炮的长度为1米，轨道杆

厚度为5毫米，间距为15毫米，并与之电连接一组160个高压电容器（6000 V，80 mF）以形成整体约为12,000 mF的等效电容器。每个电容器都是

重50公斤，由ICAR S.p.A. INDUSTRIA CONDENSATORI提供（这种电容器过去曾用于#39;HotShot#39;系统，在高温等离子风下用于测试和研究等离子风洞中的材料，目的是模拟地球大气的再入条件）。理论上，电容器可以在6000V的电压下储存大约200KJ的热量。可调电源用于设置电容器充电电压在所需的水平：通过这种方式轨道枪的能量可以根据所需的子弹速度轻松调整。我们花了大量的努力来实现合理的高水平弹道测试再现性。主要用于

什么是关于轨道炮偏置参数的控制及其原因对输出值和统计分散的影响。在图6b中，示出了用于测量射弹速度的断裂线系统。它由沿着子弹轨迹延伸的两个细铜线组成，并连接到带有两个电源通道的示波器。当抛射物破坏这些铜导体时，示波器显示两个通道的电压指数衰减：可以通过考虑计算弹丸速度记录经过的时间和行进的距离。 图片图7显示了连接到示波器的高压电容器的轨道炮断线系统。

导轨机械地安装在电介质支架上用于在烧制阶段抵抗强烈的冲击。支撑射弹过程的材料是15毫米厚的特氟隆，而其余的机械支撑由Vetronite型G11提供。直径15毫米的不锈钢螺钉用于轨道炮组件，而电容器的电气连接则是通过用铜螺丝固定在一起横截面积为15*50mm²的铜条实现。

3结果

3.1导电性

通过测试尺寸l = 80 mm，a = 15 mmb = 0.5毫米的样品铜来评估测量精度。20HZ频率下的5.8*10⁷S/m的电导率接近铜在直流电流下的电导率，而这再正常情况下被视为标准值。在图8a中，集总Rs和Ls系列元素的平均测量值b被示出。如图8c所示，报告了计算的平均电导率。 报告仅含有在20赫兹频率下的电导率的值，因为表达式（1）有效接近DC场景，可以忽略深度效应。注意到CNT的存在大大增强了电气样品的电导率; 导电纳米纤维素的效果在较高频率下变

资料编号：[5297]