碳纤维/芳纶纸基复合材料的制备及其电磁参数调控技术研究

摘要

本研究采用芳纶纤维和碳纤维作为原料，通过斜网成形技术制备了一种电磁参数可以灵活设计的纸基复合材料。通过浆网速比调控碳纤维的分布，实现对纸基复合材料纵向和横向的电磁参数的调控。结果表明，浆网速比为0.5时，纸基复合材料的抗张指数纵横向比为2.2，8~12 GHz频率下纸基复合材料的介电常数实部纵横向比为2.1~2.2；浆网速比为1.2时，纸基复合材料的抗张指数纵横向比为1.5，8~12 GHz频率下纸基复合材料的介电常数实部纵横向比为1.5~1.6。仿真计算和工程化实验结果表明，控制浆网速比是调控碳纤维/芳纶纸基复合材料电磁参数的重要方法。

关键词

电磁参数; 芳纶纸; 斜网成形; 浆网速比

芳纶纸基材料是指芳纶短切纤维和芳纶浆粕按一定比例混合分散，通过湿法成形技术制备而成，在航空航天领域大量使用的一种轻质蜂窝夹芯结构用纸基材料^[1]。胡健等人^[2]提出通过在造纸过程中添加具有特殊电磁性质的功能纤维，如碳纤维，可以制备电磁功能可灵活设计的芳纶纸基复合材料，用于蜂窝夹层结构材料；并探究了碳纤维长度、直径、电导率及纸张紧度等因素对碳纤维/芳纶纸基复合材料电磁性能的影响，较传统浸渍型电磁蜂窝材料显著降低了纸张密度，表现出较优异的电磁性能^[3-4]。程芳静等人^[5]选用碳纤维、碳化硅纤维和碳纳米管作为吸波剂，对比了不同吸波剂及其用量对纸基吸波材料电磁参数及吸波性能的影响。蒋海洋等人^[6]选用碳纤维和芳纶纤维制备导电纸，探究了碳纤维含量、长度与材料导电逾渗阈值的相关性，但关于斜网成形技术对碳纤维/芳纶纸基复合材料电磁性能的调控尚需深入系统研究。

针对含碳纤维、芳纶纤维的芳纶纸基复合材料，需采用斜网成形技术，使其成形浓度接近或小于临界浓度，同时在流送和成形的过程中，给予纤维悬浮液合适的湍流强度和湍流规模，确保纤维悬浮液的均匀分散和成形。在机制纸纸幅成形的过程中，流体动力影响了纤维的定向排列分布，其重要因素之一是浆网速比，浆网速比形成剪切区域，使纤维旋转沿纸机方向排列^[7]。本研究利用电磁仿真计算研究了碳纤维取向对碳纤维/芳纶纸基复合材料电磁参数的影响；并利用斜网成形技术制备碳纤维/芳纶纸基复合材料，其中机制纸基材料在沿纸机运行方向（纵向，MD）、横幅方向（横向，CD）存在各向异性；研究了斜网成形技术中浆网速比对碳纤维/芳纶纸基复合材料电磁参数的影响，以实现对碳纤维/芳纶纸基复合材料电磁参数取向性的调控。

1 实验

1.1　实验原料及设备

1.1.1　实验原料

间位芳纶浆粕（长度1.2 mm、宽度23 μm），间位芳纶纤维（长度6 mm、直径13 μm），碳纤维（长度3 mm、直径7 μm），均购自江苏恒神股份有限公司。

1.1.2　实验设备

本研究所用主要设备具体见表1。

表1  实验设备

Table 1  Equipments for the experiment

仪器设备名称	型号	产地
斜网成形器	非标定制	中国
厚度仪	L&W 251	瑞典
抗张强度测试仪	L&W CE062	瑞典
撕裂度仪	L&W 009	瑞典
TSO测试仪	L&W SE150	瑞典
矢量网络分析仪	Keysight N5222B	美国

1.2　实验方法

1.2.1　电磁仿真计算

1.2.1.1　碳纤维网络结构的构建

利用计算机三维建模软件建立了不同取向分布的碳纤维网络仿真模型^[8]。间位芳纶纤维和间位芳纶浆粕在微波频段介电常数与碳纤维相比很小，为电磁波透波材料。显著影响碳纤维/芳纶纸基复合材料介电常数及损耗的因素之一为碳纤维及其形成的网络结构。因此在仿真模拟计算过程中，仅选取纸基材料中的碳纤维网络计算以简化模型。在碳纤维网络仿真模型中，使用由若干层互相平行的二维纤维网络叠加组成的多层结构，模拟碳纤维在碳纤维/芳纶纸基复合材料中的分布。每一层二维纤维网络均是基于泊松分布的随机算法生成，碳纤维的中心位置均依据泊松分布的统计规律随机分布。碳纤维的长度、直径与模型的定量、厚度同实际情况保持一致，图1为取向碳纤维网络仿真模型示意图。本研究按如下定义碳纤维的取向角分布：平行于X轴正向的方向定义为0°，纤维轴与X轴正向的夹角定义为纤维取向角$\phi$，碳纤维仅在规定的取向角分布范围内随机分布。

图1  取向纤维网络模型

Fig. 1  Oriented fiber network model

1.2.1.2　碳纤维网络电磁参数的仿真计算

利用HFSS（High Frequency Structure Simulator）软件计算碳纤维网格仿真模型的散射参数。图2为HFSS中取向碳纤维网络的仿真模型示意图，设置碳纤维电阻率为1.5×10^-5 Ω·m，仿真模型浸没在矩形空气盒中^[9]。空气盒的每2个相对的侧面均定义为一对周期边界条件。在2个相对的顶面上，Floquet端口激励用于产生2个瞬态电磁波，其波矢沿Z方向，电场方向平行于X轴（即碳纤维网格定义的0°方向），从端口到碳纤维网络模型顶部的距离大于波长的1/4^[10]。最后，根据等效介质理论和等效电路模型，由散射参数得出取向碳纤维网络模型的电磁参数^[11-12]。

图2  取向纤维网络HFSS仿真模型

Fig. 2  HFSS simulation model of oriented fiber network

1.2.2　碳纤维/芳纶纸基复合材料的制备

碳纤维/芳纶纸基复合材料的制备流程包括备浆、混浆、流送、成形、压榨、干燥、卷取。间位芳纶纤维、间位芳纶浆粕和碳纤维的质量比为65∶35∶3，分别经水力碎浆机碎解，导入成浆池，调节浆浓，冲浆上网成形。图3为斜网成形器示意图，V_s代表浆速，V_w代表网速。不同浆网速比制备的碳纤维/芳纶纸基复合材料如表2所示。

图3  斜网成形器示意图

Fig. 3  Schematic diagram of inclined mesh former

表2  不同浆网速比制备的碳纤维/芳纶纸基复合材料

Table 2  Carbon fiber/aramid paper-based composite materials prepared by different V_s/V_w

Vs/m·min-1	Vw/m·min-1	Vs/Vw
5	10	0.5
6	5	1.2

1.2.3　碳纤维/芳纶纸基复合材料的物理性能的测试

参照国家标准测定纸张的定量、厚度、抗张强度和撕裂度。

1.2.4　碳纤维/芳纶纸基复合材料的电磁参数测试

通过在GJB1651A-201-5012基础上改进优化的Nicolson-Ross-Weir（NRW）法测试碳纤维/芳纶纸基复合材料的电磁参数^[13]。

按照测试标准裁剪的样片，夹入测试夹具，如图4所示，波矢$\vec{k}$沿纸张厚度方向（TD）传播，分别测试纸张纵向和横向的介电常数。如图4(a)所示，电场方向与纸张纵向（MD）平行时，测试结果为纸张的纵向介电常数；如图4(b)所示，电场方向与纸张横向（CD）平行时，测试结果为纸张的横向介电常数。

图4  纸张纵/横向介电常数测试示意图

Fig. 4  Test schematic diagrams of paper MD/CD permittivity

1.2.5　碳纤维/芳纶纸基复合材料的TSO测试

制备的碳纤维/芳纶纸基复合材料采用抗张挺度取向（TSO）测试仪进行测试，获得纸张抗张挺度指数纵横比TSI_MD/CD。

2 结果与讨论

2.1　取向碳纤维网络的电磁仿真计算

利用计算机三维建模建立了不同取向分布的碳纤维网络仿真模型，分别在±15°、±30°、±45°、±60°、±75°范围内随机分布，以及在整个面内随机分布。利用HFSS软件计算碳纤维网络模型的散射参数，其中模拟的电场方向与图1中碳纤维网络的0°方向平行，并根据等效介质理论和等效电路模型得出不同取向碳纤维网络模型的电磁参数。

HFSS模拟计算时，电磁波的电场方向与纤维轴所在平面平行，碳纤维与电场方向的夹角越小，越容易受到电场的极化，存储电磁场的能力越强，表现为介电常数实部越大。图5为不同取向分布碳纤维网络模型在8~12 GHz频率下的介电常数实部随频率的变化规律。如图5所示，整个面内随机分布的碳纤维网络模型的介电常数实部最小；±15°范围内随机分布的碳纤维网络模型的介电常数实部最大；不同取向分布碳纤维网络模型的介电常数实部，在该电场方向下随碳纤维取向程度的加强而逐渐增大。在频率范围为8~12 GHz时，随着频率的增加，材料的电矩转向极化逐渐落后于外电场的变化，因此不同取向分布碳纤维网络模型的介电常数实部均随频率的增大而逐渐减小。

图5  不同取向分布的碳纤维网络模型介电常数实部

Fig. 5  Real part of permittivity of carbon fiber network model with different orientation

图6和图7分别为不同取向分布碳纤维网络模型在8~12 GHz频率下的介电常数虚部与介电损耗仿真结果。损耗角正切为介电常数虚部和实部的比值，是衡量介质中能量损耗的一种方法。如图6和图7所示，除了±30°范围内随机分布的碳纤维网络模型，其余模型的介电常数虚部均随着取向角分布范围的增大呈整体减小的趋势；介电损耗则随着取向角分布范围的增大呈整体增大的趋势，其中整个面内随机分布的碳纤维网络模型的介电损耗明显大于其他取向角分布的模型，这可能是因为随着碳纤维取向角分布范围的增大，碳纤维逐渐形成了相互交织的宏观长程导电网络结构，这种导电网络结构可能更利于电磁波的损耗，导致模型介电损耗的逐渐增大。

图6  不同取向分布的碳纤维网络模型介电常数虚部

Fig. 6  Imaginary part of permittivity of carbon fiber network model with different orientation

图7  不同取向分布的碳纤维网络模型介电损耗

Fig. 7  Dielectric loss of carbon fiber network model with different orientation

综上，借助碳纤维网络的电磁仿真计算，可获得不同取向分布碳纤维网络沿某一方向介电常数，从而指导碳纤维/芳纶纸基复合材料的取向结构设计。

2.2　碳纤维/芳纶纸基复合材料的物理性能

通过控制斜网成形过程中的浆速与车速，获得2组不同浆网速比的碳纤维/芳纶纸基复合材料，测试其定量、厚度、抗张指数、断裂伸长率、撕裂度，结果如表3所示。

表3  不同浆网速比碳纤维/芳纶纸基复合材料的物理性能

Table 3  Physical properties of carbon fiber/aramid paper-based composite materials with different V_s/V_w

Vs/Vw	定量/g·m-2	厚度/μm	抗张指数/N·m·g-1			断裂伸长率/%		撕裂度/mN·m2·g-1
			纵向	横向	纵横向比	纵向	横向	纵向	横向
0.5	44.8	120	50.0	23.0	2.2	2.96	3.00	25.2	33.1
1.2	41.7	113	39.1	26.9	1.5	2.46	2.77	30.0	32.2

从表3可以看出，浆网速比对碳纤维/芳纶纸基复合材料的纵横向的抗张指数均有较大影响。浆网速比为0.5时，碳纤维/芳纶纸基复合材料抗张指数的纵横向比为2.2；浆网速比为1.2时，碳纤维/芳纶纸基复合材料抗张指数的纵横向比为1.5。浆网速之间的差异形成剪切区域，使纤维旋转，沿纸机方向排列，影响了碳纤维/芳纶纸基复合材料纵横向的抗张指数。因此，碳纤维/芳纶纸基复合材料抗张指数的纵横向比可作为电磁取向调控的测试指标之一。

2.3　碳纤维/芳纶纸基复合材料的电磁参数

图8显示了在8~12 GHz的频率下，浆网速比为1.2和0.5时，纸张纵向（MD）和横向（CD）的介电常数实部。如图8所示，当测试纸张纵向（MD）介电常数时，沿MD取向的碳纤维与电场方向$\vec{E}$平行；当测试纸张纵向（CD）介电常数时，沿MD取向的碳纤维与电场方向$\vec{E}$垂直；当碳纤维与电场方向平行时，碳纤维更易极化，表现为更大的介电常数实部。因为在纸张成形过程中受到流体的影响，更多碳纤维沿纵向排列，机制纸纸张的纵向介电常数实部大于横向介电常数实部。

图8  不同浆网速比纵向和横向的介电常数实部

Fig. 8  Real part of permittivity of paper MD/CD with different V_s/V_w

浆网速比影响斜网成形过程的定向剪切，不仅影响芳纶纤维的取向排列，也影响碳纤维的取向排列，图9对比了不同浆网速比在8~12 GHz频率下的介电常数实部的纵横比。如图9所示，与浆网速比1.2时相比，浆网速比0.5时会产生更大的沿纸机运行方向的定向剪切力，纸张成形过程中，碳纤维更多地沿纸机运行方向定向排布。由于碳纤维沿电场方向极化的影响，在8~12 GHz的频率下，浆网速比为0.5时，碳纤维/芳纶纸基复合材料的介电常数实部纵横比为2.1~2.2；浆网速比为1.2时，介电常数实部纵横比为1.5~1.6。因此，浆网速比可作为碳纤维/芳纶纸基复合材料电磁参数取向调控的重要方法之一。

图9  不同浆网速比介电常数实部纵横向比

Fig. 9  MD/CD ratio real part of permittivity with different V_s/V_w

2.4　碳纤维/芳纶纸基复合材料的TSO测试及其对比分析

通过TSO测试仪测试碳纤维/芳纶纸基复合材料的纵向抗张挺度指数TSI_MD和横向抗张挺度指数TSI_CD，并得出抗张挺度指数纵横向比TSI_MD/CD，其结果见表4。

表4  抗张挺度指数测试结果

Table 4  Test results of tensile strength index

Vs/Vw	TSIMD/kN·m·g-1	TSICD/kN·m·g-1	TSIMD/CD	抗张指数纵横向比	介电常数实部纵横向比
0.5	3.99	1.44	2.8	2.2	2.1~2.2
1.2	3.15	2.15	1.5	1.5	1.5~1.6

从表4可知，TSO测试的抗张挺度指数纵横向比体现了碳纤维/芳纶纸基复合材料的结构取向，可作为纸基材料电磁取向控制的测试方法。TSO的测试便于实现产品的在线控制，提高反馈速度，实现快速准确地电磁取向调控。

3 结论

本研究在取向碳纤维的电磁仿真计算的基础上，通过斜网成形技术制备了2种不同电磁取向的碳纤维/芳纶纸基复合材料，测试了碳纤维/芳纶纸基复合材料的物理性能与电磁参数，对比分析碳纤维/芳纶纸基复合材料电磁取向与浆网速比、介电常数实部纵横向比、抗张挺度指数纵横向比和抗张指数纵横向比的相互关系。

3.1 电磁仿真与实验结果均表明，碳纤维的取向排布是影响碳纤维/芳纶纸基复合材料电磁各向异性的关键因素。

3.2 斜网成形过程中，浆网速比的调控是实现碳纤维/芳纶纸基复合材料电磁取向调控的重要方法。浆网速比为0.5时，8~12 GHz频率下，碳纤维/芳纶纸基材料的介电常数实部纵横向比为2.1~2.2；浆网速比为1.2时，8~12 GHz频率下，介电常数实部纵横向比为1.5~1.6。

3.3 抗张挺度指数纵横向比和抗张指数纵横向比可作为碳纤维/芳纶纸基材料电磁各向异性的间接表征手段，实现碳纤维/芳纶纸基复合材料生产过程电磁各向异性的在线监测。