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武漢理工大學王鈞教授團隊 Carbon：通過碳纖維微觀結構調控使傳統碳纖維由微波反射轉變為高效吸收

2024-01-19 來源：高分子科技

傳統商品化碳纖維的高導電率導致其對電磁波是以反射為主，多應用于電磁屏蔽，而不能用于電磁波吸收，這限制了碳纖維及其復合材料的應用。如果要獲得有效的電磁波吸收性能，就必須對碳纖維的電導率進行調控，來改善其阻抗匹配性能。碳纖維的電導率由其組成成分和石墨化結構決定，而這又與碳化階段工藝條件（碳化溫度和時間）密切相關。

針對上述問題，武漢理工大學王鈞教授團隊通過精準控制聚丙烯腈（PAN）預氧化纖維在低溫碳化階段的溫度和時間，對碳纖維的成分和微觀結構進行調節，制備出電導率可調的碳纖維，再將其與環氧樹脂混合制備成具有微波吸收性能的碳纖維/環氧樹脂復合材料，探究不同電導率碳纖維制備的復合材料的吸波性能及吸波機理。

碳纖維的HRTEM圖像如圖1所示。從圖1a中可以看到彌散的非晶衍射環，表明預氧化纖維的結構以非晶組織為主；在圖1c中，無定形衍射環的彌散性開始下降，出現了(002)晶面上的取向衍射弧以及(100)晶面和(110)晶面上的多晶衍射環，(002)晶面上的取向衍射弧是由沿纖維軸取向的石墨薄片形成的。從圖1b可以看出，預氧化纖維的結構以無定形組織為主，沒有出現明顯的取向結構；在900-9纖維的HRTEM圖像（圖1d和圖1e）中，可以看到纖維結構不再是無序無組織分布，出現了片狀組織，這表明無序層狀石墨結構已經形成。上述結果表明，經過低溫碳化后，預氧化纖維的內部結構取向明顯改善，石墨微晶的結晶區域逐漸完善，結晶度增加，形成了無序層狀石墨結構。

（說明：900-9樣品代表PAN預氧化纖維是在900℃下碳化9min）

圖1 纖維的HRTEM圖像：(a)預氧化纖維的選區電子衍射圖像；(b)預氧化的低倍圖像；(c)900-9纖維的選區電子衍射圖像；(d)900-9纖維的低倍圖像；(e)900-9纖維的高倍圖像。

預氧化纖維在700-900℃的低溫碳化溫度下，碳化時間為9min時制得的碳纖維電導率變化最大，不同溫度下制得的碳纖維電導率如圖2所示。

圖2 碳纖維的電導率

850-9和900-9樣品具有更好的微波吸收性能，如圖3所示。對于850-9樣品，當厚度為2.5mm時，在7GHz（11GHz-18GHz）范圍內的吸收值小于-10dB，幾乎覆蓋了整個Ku波段；當厚度增加到3mm時，相應的有效帶寬幾乎覆蓋了X波段。對于900-9樣品，當厚度為1.4mm時，最小吸收值約為-16.1dB，有效吸收帶寬為3.6 GHz（13.4GHz-17GHz）；當厚度增加到1.8mm時，相應的有效吸收帶寬覆蓋了大部分X波段。由此可見，采用不同電導率碳纖維制備的碳纖維/環氧樹脂復合材料具有可調的電磁波吸收性能。

圖3 850-9樣品(a)和900-9樣品(b)的吸波性能

電導可調碳纖維/環氧樹脂復合材料的微波吸收機理如圖4所示，碳纖維復合材料屬于介電損耗型吸波材料，介電損耗主要來自導電損耗和極化弛豫。

圖4 碳纖維/環氧樹脂復合材料的微波吸收機理

本研究通過調控碳纖維的微觀結構來制備具有不同電導率的碳纖維，改善導電碳纖維的阻抗匹配性能，減少其對電磁波的反射，提高微波吸收性能，實現傳統碳纖維從電磁屏蔽向有效微波吸收轉變，制備的低溫碳化碳纖維/環氧樹脂復合材料是一種具有良好前景的輕質寬頻吸波材料。該工作以“Transformation of traditional carbon fibers from microwaves reflection to efficient absorption via carbon fiber microstructure modulation”為題發表在Carbon上，文章第一作者是武漢理工大學材料學院碩士研究生劉盛杰，通訊作者為武漢理工大學王鈞教授和武漢紡織大學張斌博士。該研究工作得到國家自然科學基金（No. 51672201和No. 51373129）和湖北省紡織新材料及應用重點實驗室項目（FZXCL202208）的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.118802

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（責任編輯：xu）

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