螺旋形手征碳纤维的微波介电特性

第１８卷第５期无机材料学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｏｒｇａｎｉｃ２００３年９月ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｅｐ，２００３

文章编号：１０００—３２４Ｘ（２００３）０５—１０５７—０６

螺旋形手征碳纤维的微波介电特性

赵东林，沈曾民

（北京化Ｉ大学可控化学反应科学与技术基础教育部重点实验宜碳纤维及复合材

料研究所，北京１０００２９）

摘要：研究了线圈状和麻花状两种典型螺旋形手征碳纤维以及直线形碳纳米管在８２～１２４ＧＨｚ

的微波介电特性螺旋形手征碳纤维通过催化化学气相沉积法制备，直线形碳纳米管用催化裂

解浮游法以苯为碳源制备．螺旋形手征碳纤维与石蜡复合体的介电常数的蛮部（一）和虚部（￡”）

比直线形碳纳米管与石蜡复合体的小，但线圈状螺旋形碳纤维的介电损耗角正切（ｔｇＳ＝ｓ”／５’）

却明显偏大，线圈状和麻花状螺旋形碳纤维的ｔ９６分别为０

米管的ｔｇ／／为ｏ４５～ｏ７７～Ｏ８０和０４７～０．５３，直线形碳纳７７螺旋形碳纤维与微波作用时的手征特性是导致其ｔ９８增大的主要原

因，螺旋形手征碳纤维对微波的吸收与其自身的形状和尺寸密切相关，所以线圈状螺旋形碳纤

维的ｔｇ／ｉ比麻花状的大得多，探讨了螺旋形手征碳纤维与微波的作用机理．螺旋形手征碳纤维

是一种非常有发展前景的微波吸收材料．

关键词：螺旋形手征碳纤维Ｊ手征特征；微波介电常量；微波吸收材料

中图分类号：ＴＭ２５文献标识码：Ａ

　１引言

研究人员在制备出在微波波段内具有电磁波活性（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｃｔｉｖｉｔｙ）的乎征材料

后，很快就认识３１Ｊ这种材料作为微波吸收材料具有很大的潜力㈦］，并进行了大龋的理沦研

究｝““，美国、日本及其欧洲一些国家开展了很多的研究工作，初步的实验结果已经公开发

表【“…，国内近几年对手征微波吸收材料也进行了较多的报道［９，１０】，但可实用的手征微波吸

收材料的制备目前是一个国际前沿课题．螺旋形碳纤维是典型的手征材料，而且气相生长

螺旋形手征碳纤维可以实现批量生产，为手征微波吸收材料的制备开辟了新的途径．催化

气相生长螺旋形手征碳纤维的制备已经进行了较多的研究［１１１１３Ｊ，但有关螺旋形手征碳纤维

微波介电特性的研究还未见报道，本文用催化气相生长法制备了不同结构的螺旋形手征碳

纤维，并研究了它们在８．２一１２．４ＧＨｚ的微波介电特性，为了进行对比研究和探讨螺旋形手

征碳纤维与微波的作用机理，同时还研究了直线形碳纳米管在这一波段的微波介电特性，

探讨了螺旋彤手征碳纤维与微波的作用机理．

收穑日期；２００２—０５０８，收到修改穑日期：２００３ｏ卜２０

基金项且：北京市科技新星计划（ｎ０２０８２１２ｓｏｔ２０）；国家博士后基金

作者简介：赵术林（１９６８一），男，博士．副教授．Ｅ－ｍａｉｌ；ｄＩｚｈａｏ＠ｍａｉｌｂｕｃｔｅｄｕｃｎ

１０５８无机材料学报８卷

２实验

２．１螺旋形手征碳纤维的制备

用基板法以镍为催化剂，磷为助催化剂，通过催化化学气相沉积法（即催化裂解法）制

备螺旋形手征碳纤维，反应设备为卧式气相沉积炉工艺参数为：反应温度６６０—７００。Ｃ，氩气

流量４０—６０ｍＬ／ｍｉｎ，乙炔气流量３０～５０ｍＬ／ｍｉｎ，氢气流量５０—７０ｍＬ／ｍｉｎ，反应时间为３０ｒａｉｎ

用竖式炉催化裂解流动法，以铁为催化剂，硫为助催化剂，苯为碳源制备直线形碳纳米管．

用透射和扫描电镜观察螺旋形手征碳纤维和直线形碳纳米管的结构和形貌．

２．２微波介电常数的测量

用波导法对螺旋形手征碳纤维和直线形碳纳米管在８．２～１２４Ｇ２Ｈｚ频率范围的介电常数

进行了测量，把截面积为１０１６ｒａｍ×２２．８６ｍｍ的待测试样分别放入具有同样截面尺寸的波

导中，通过ＨＰ８５１０Ｂ网络分析仪给出试样的介电常数．螺旋形手征碳纤维和真线形碳纳米

管介电常数测试样品的制备过程如下：把螺旋形手征碳纤维和碳纳米管均匀分散在熔化的

７ｉ蜡巾，然后把处于液态的石蜡和螺旋形手征碳纤维与碳纳米管的混合物浇注到铜质标准

法兰（１０１６ｒａｍ×２２８６ｒａｍｘ２ｒａｍ）中，固化后连同法兰一起测试它们与石蜡复台体的介电常

数，以消除由试样与法兰之间的缝隙产生的测试误差螺旋形手征碳纤维和碳纳米管的含

量均为８ｗｔ％，

３结果和讨论

图１为用水平卧式炉通过催化化学气相生长法制备的两种典型的螺旋形手征碳纤维的

　扫描电子显微镜照片．图１（ａ）为线圈状螺旋形手征碳纤维，纤维的直径为２００—４００ｎｍ，螺距

为５００～１０００ａｍ，螺旋直径为３—５“Ｉｎ．图ｌ（ｂ）为麻花状螺旋形手征碳纤维，纤维的直径为８０～

罔１螺旋形手征碳纤维的扫描电子显微镜照片

２００ｒａｎ，螺距为２９０—５００ｎｍ，螺旋盲径为２００—５００ｎｍ．为了进一步研究线圈状和麻花状螺旋形

手征碳纤维与微波的作用机理，把线圈状和麻花状螺旋形手征碳｝Ｆ维的微波介电特性与直

线形碳纳米管进行了对比研究，图２为直线形碳纳米管的透射电子显微镜照片，碳纳米管

赵东林，沈曾民：螺旋形手征碳纤维的微波介电特性１０５９

的外径为３０～７０ｎｍ，内径为１５—４５ｎｍ，长度５０一１０００ｔｔｍ．

微波与凝聚态物质之间的作用可以用复介电常数ｓ＋（ｓ’＝ｓ’一ｉ￡”，ｓ７为复介电常数的实

部，ａ－“为虚部）和复电导率一＋来描述，复电导率的实部ａ７¨）与复介电常数虚部Ｅ”∞）之

间的关系为０１（ｕ）＝ｕＥ”∞），ｕ为电磁波的角频率［１４～１８Ｊ．

图３为石蜡基体的介电常数（Ｅ７

和ｓ“）随频率的变化曲线（Ｂ７＝２２３—２．２７，

Ｅ“＝０—００１），图４—６分别为线圈状螺旋形

Ｆ征碳纤维、麻花状螺旋形手征碳纤维和

直线形碳纳米管与石蜡复合体的Ｅ７、Ｅ”和

介电损耗角正切（ｔ驴＝￡”／￡’）随频率的变化

曲线．可以看出，线圈状和麻花状螺旋形手

征碳纤维与石蜡复合体复介电常数的实部

一基本一致，而且随频率的增大有减小的

趋势，这种变化有利于实现宽频吸波，而直

线形碳纳术管与石蜡复合体的￡，是螺旋形

下Ｉ征碳纤维与石蜡复合体的２～３倍，而且罔２直线形碳纳米管的透射电镜照片９１９２Ｔ８Ｍｉ…８９。。‘…８ｉｇｈ‘。８ｒｂ。“１１８１１…１１…

随频率的增大先升高后下降（图４）直线形碳纳米管与石蜡复合体的Ｃ”在８２—１２．４ＧＨｚ显著

人于线圈状和麻花状螺旋形手征碳纤维与石蜡复合体的Ｅ”（图５）虽然直线形碳纳米管和石

蜡复合体的ｓ”值很大，但它对微波的损耗ｔ９５却小于线圈状螺旋形手征碳纤维（图６），线圈

状和麻花状两种螺旋形碳纤维的ｔ９５分别为ｏ．７７一ｏ．８０和ｏ．４７～ｏ．５３，直线形碳纳米管的ｔ面

为ｏ４５一ｏ７７，而且碳纳米管与石蜡复合体的５－’和Ｅ”都很人，这样使材料的本征阻抗也明显

　增大，在与微波作用时，容易形成界面反射，达不到吸收做波的目的．所以螺旋形手征碳纤

维此直线形碳纳米管具有更好的吸波性能，是一种比较理想的微波吸收剂．同样是螺旋形

｝征碳纤维，线圈状螺旋形手征碳纤维的介电损耗ｔ９５显著大于麻花状螺旋形手征碳纤维

的介电损耗，说明螺旋形手征碳纤维对微波的吸收与其形状和尺寸密切相关

手征材料最根奉的特点是电磁波的交叉极化，对于一般各向同性介质，电场Ｅ只能引

起电极化而不引起磁极化，同样磁场Ⅳ只能引起磁极化而不能引起电极化．即只能发生电

磁场的自极化．而对于手征材料，除电磁场的自极化外还出现二者『ｈ】的交叉极化，电场不

仅能引起材料的电极化，而且能引起材料的磁极化；磁场不仅引起材料的磁极化，也引起

材料的电极化．螺旋形手征吸收剂的吸波机理在于它特殊的螺旋几何结构，交叉极化产生

电与磁的偶合，从而使螺旋形手征介质具有额外的吸收机制．利用予征材料做微波吸收材

料从本质上说就是利用它的这一性质，螺旋形手征碳纤维是典型的手征材料可必从一个

最简单的手征物体即由良导体构成的单匝螺线定性解释这一现象，把螺线看作南两部分组

成，一是平行于螺线圈轴的直线部分，另外是垂直螺线圈轴的圆环部分，当电磁波入射到

该线圈上时，入射电磁波的电场将在其直线部分产生感生电流，根据电流的连续性定理，

这些感生电流必然要流经其圆环部分，直线部分的电流将产生电偶极矩，圆环部分的电流

将产生磁偶极矩，根据同样的道理，入射电磁波的磁场将在圆环部分产生电流，而且必然

流经直线部分，这样就导致电偶极矩不但与入射电场有关，而且与入射磁场有关，同样磁

偶极矩不但与入射磁场有关．而且与入射电场有关，出现了交叉极化．这种交叉极化使螺

１０６０无机材料学报１８卷

旋形手征碳纤维对微波的吸收增加，介电损耗由于二次极化机制，也显著提高，这是螺旋

形乎征碳纤维的介电损耗ｔ９５大于直线形碳纳米管的主要原因，由于线圈状螺旋形手征碳

纤维的螺旋直径比较大，螺距较大，更接近于微波的波长，手征行为比较明显，所以螺旋形

手征碳纤维的ｔｇｄ大于麻花状螺旋形手征碳纤维和直线形碳纳米管的ｔ９５．

０．６

ｑ

０，４

０．２∞强加坫ｍ

、

２、０一０００

８

—０．４

ｆｉｇＨｚ９１０１ｌ１２１３８９０６１０ｌｌ１２１３图４麻花状螺旋形手征碳纤维（ａ）、线圈状

螺旋形手征碳纾维（ｂ）、赢线形碳纳米管（ｃ）

与石蜡复合体的ｆ７与频率的关系

Ｆｉｇ４７ｆｌＧＨｚ图３石蜡基体的￡’和￡”与频率的关系

Ｆｉｇ３一ａｎｄｅ’’ｏｆｐａｒｔ．ｆｉｎｗａｘｍａｔｒｉｘＥｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｌａｒｇｅ

ｍｉｃｒｏ—ｃｏｉｌｅｄｃａｒｂｏｎ

ｃｏｉｌｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ（ａ），ｓｍａｌｌｍｉｃｒｏ—ｒｌａｌｌ—ｆｉｂｅｒｓ（ｂ），ｓｔｒａｉｇｈｔ

ｗＨｘｖｅｒｇｕｓｃａｒｂｏｎｏｔｕｂｅｓａｎｄｐａｒａｆｉｌａ

２０ｆｒｅｑｕｅｔｌｃｙ

　

ｑ１６１２

８

４

０

８９１０“１２１３

ｆＩＧＨｚ

图５麻花状螺旋形手征碳纤维（ａ）、线圈状

螺旋形手征碳纤维（ｂ）、直线形碳纳米管（ｅ）

与石蜡复合体的ｅ”与频率的关系

Ｆｉｇ５Ｅ。７图６麻花状螺旋形手征碳纤维（ａ）、线圈状螺旋形手征碳纤维（ｂ），直线形碳纳米管（ｃ）与石蜡复合体的ｔ９５与频率的关系Ｆｉｇ６ｔ９５ｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ

ｃａｒｂｏｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｌａｒｇｅｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｌａｒｇｅｍｉｃｒｏ－ｃｏｉｌｃｄ

ｃｏｉｌｅｄ

ｏｔｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ（ａ），ｓｍａｌｌｍｉｃｒｏ・ｃａｒｂｏｎｎａｎ—ｍｉｃｒｏ－ｃｏｉｌｅｄｃｏｉｌｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ（ａ），ｓｍａｌｌｍｉｃｒｏ・ｃａｒｂｏｎｉｌａｌｌ—ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ（ｂ），ｓｔｒａｉｇｈｔｖｅｒｓｌｌＳｔｉｂｅｔ－ｓ（ｂ），ｓｔｒａｉｇｈｔｖｅｒｓｎｓｕｂｅｓａｎｄｐａｒａｆｆｉｎｗａｘｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｔｕｂｅｓａｎｄｐａｒａｆｆｉｎｗａｘｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

和普通各向同性介质的本构方程（又称物质方程）Ｄ＝￡Ｈ，Ｂ＝，ｕＨ相对应，手征材料的

奉构方程为Ｄ＝ｅＥ十ｉ（Ｂ，Ｈ＝Ｂ／，＋唾Ｅ，Ｅ为电场强度，Ｄ为电感应强度，日为磁场强

度，Ｂ为磁感应强度，式中ｆ称为手征参数，其单位为导纳．所以有人又把它叫做手征导

纳．在手征微波吸收材料中手征参数∈起着关键的作用，如何才能提高∈成为手征材料制

５期赵东林，沈曾民：螺旋形手征碳纤维的微波介电特性１０６１

备巾的关键．Ｖａｒａｄａｎ等人的理论研究表明对于螺旋形手征材料，螺线圈的螺距和半径之

比为ｏ．２４左右时，手征参数∈最大㈦另外手征体既不能太小，太小的话，电磁波将无法

“感受”到它的手征，同时为了能做出各向同性均匀的手征介质．手征体也不能太大．本

文研究的线圈状螺旋形手征碳纤维的螺距和半径之比为５左右，麻他状螺旋形手征碳纤维

的螺距和半径之比为２左右．Ｖａｒａｄａｎ等人研究所用的铜螺线圈的半径和波长的比为ｔ：３０

左有㈡本文制备的线圈状螺旋形碳纤维的螺旋半径和微波波长的比为１：１００００左右（Ｘ波

段（８２—１２４ＧＨｚ）的中心频率点的波长为３ｃｍ），与Ｖａｒａｄａｎ等用的铜螺线圈相比明显偏小．

从前文螺旋形于征碳纤维和直线形碳纳米管的微波介电特性的对比可以看出，螺旋形手征

碳纤维的予征特征已经表现出来，虽然与理论计算的螺线圈的结构和尺寸相比仍有很大差

别，但已说明螺旋形手征碳纤维是一种非常有发展前景的微波吸收材料

４结论

１．在８．２～１２．４Ｇｔｌｚ频率范围内，线圈状和麻花状螺旋形手征碳纤维与石蜡复合体复介

电常数的实部一基本一致，直线形碳纳米管与石蜡复合体的５’是螺旋形碳纤维与石蜡复合

体的２—３倍．直线形碳纳米管与石蜡复合体的ｅ”显著大干线圈状和麻花状螺旋形碳纤维与

石蜡复合体的Ｅ”，但它对微波的损耗ｔ９６却小于线圈状螺旋形手征碳纤维，线圈状和麻花状

两种螺旋形碳纤维的ｔ９５分别为ｏ７７—０．８０和０．４７—０．５３，直线形碳纳米管的ｔ９６为０．４５～ｏ．７７．

２螺旋形手征碳纤维与微波作用时的手征特性是导致其ｔ９５增大的主要原因，螺旋形

于艇碳纤维对微波的吸收与其自身的形状和尺寸密切相关，由于线圈状螺旋形手征碳纤维

的螺旋直径比较大，螺距较大，手征特性比较明显，所以线圈状螺旋形碳纤维的ｔ９５比麻花

状的大得多，螺旋形手征碳纤维是一种非常有发展前景的微波吸收材料．

　

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螺旋形手征碳纤维的微波介电特性

作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：

被引用次数：赵东林， 沈曾民北京化工大学可控化学反应科学与技术基础教育部重点实验室碳纤维及复合材料研究所,北京,100029无机材料学报JOURNAL OF INORGANIC MATERIALS2003,18(5)29次

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15. 赵东林;周万城 纳米Si/C/N复相粉体的制备及其在不同基体中的微波介电特性[期刊论文]-无机材料学报2001(05)

16. Mouchon E;Colomban Ph J.Mater 1996(02)

17. 赵东林;周万城;万伟 纳米Si/C/N复相粉体的微波介电特性[期刊论文]-物理学报 2001(12)

18. Zhao D L;ZhaoHS;Zhou W C 查看详情 2001(04)

本文读者也读过(6条)

1. 韩翠林. 赵东林. 沈曾民 螺旋形碳纤维手性吸收剂的制备及其微波电磁特性研究[会议论文]-2009

2. 陈丽娟. 李文军 螺旋碳纤维--雷达隐身的关键吸波材料[期刊论文]-高科技与产业化2005(9)

3. 李峰. 杜金红. 白朔. 成会明 螺旋炭纤维的结构分析[期刊论文]-材料研究学报2004,18(2)

4. 陈仁松. 何俊发. 汪建科. 吴红莉. 杨志凌. CHEN Ren-song. HE Jun-fa. WANG Jian-ke. WU Hong-li. YANG Zhi-ling 螺旋形纳米碳纤维的电磁波吸收特性分析[期刊论文]-上海航天2006,23(2)

5. 李红 螺旋形碳纤维的制备及其生长机理的研究[期刊论文]-化工新型材料2004,32(6)

6. 毕辉. 寇开昌. 王召娣. 王志超. 张教强. BI Hui. KOU Kai-chang. WANG Zhao-di. WANG Zhi-chao. ZHANG Jiao-qiang 微螺旋炭纤维的制备、微观结构及性能[期刊论文]-人工晶体学报2008,37(2)

引证文献(30条)

1. 张泽洋. 刘祥萱. 吴友朋. 郭磊 三种纳米碳材料吸波涂层设计及性能[期刊论文]-宇航材料工艺 2011(4)

2. 毕辉. 寇开昌. 王召娣. 王志超. 张教强 石墨化对微螺旋炭纤维形貌和微观结构的影响[期刊论文]-无机材料学报2008(2)

3. Zheng Tianliang. Wang Yuehong. Zheng Kuangyu. Li Qian. Tao Ye Electromagnetism and Absorptivity of theModified Micro-coiled Chiral Carbon Fibers[期刊论文]-中国航空学报(英文版) 2007(6)

4. 陈仁松. 何俊发. 汪建科. 吴红莉. 杨志凌 螺旋形纳米碳纤维的电磁波吸收特性分析[期刊论文]-上海航天 2006(2)

5. 李宁. 寇开昌. 晁敏. 张冬娜. 吴广磊. 马利鹏 微螺旋炭纤维的制备与表征[期刊论文]-无机材料学报 2012(5)

6. 谢炜. 程海峰. 楚增勇. 陈朝辉 短切中空多孔碳纤维复合材料的吸波性能[期刊论文]-无机材料学报 2008(3)

7. 章平. 黄致新. 王国强 螺旋体结构参数对手性材料反射系数的影响[期刊论文]-华中师范大学学报(自然科学版)2007(1)

8. 王召娣. 寇开昌. 毕辉. 张教强. 赵清新 微螺旋炭纤维的微波电磁参数及其环氧复合材料的吸波性能研究[期刊论文]-中国胶粘剂 2008(4)

9. 安玉良. 刘艳秋. 袁霞. 左继成 螺旋纳米碳纤维及聚乙烯醇复合材料的制备与性能表征[期刊论文]-过程工程学报2009(2)

10. 安玉良. 张辰. 袁霞. 隋宏超 炭纤维网布/螺旋碳纤维复合材料制备及电磁性能研究[期刊论文]-功能材料2012(14)

11. 杨国伟. 迟伟东. 沈曾民. 刘辉. 汪爱明 沥青基中空碳纤维的制备及其吸波性能[期刊论文]-化工进展 2009(8)

12. 李晶晶. 田启祥. 邹南智. 殷德飞 结构型碳纤维吸波复合材料的研究及应用[期刊论文]-纤维复合材料 2012(2)

13. 卿玉长. 周万城. 罗发. 朱冬梅 多壁碳纳米管/环氧有机硅树脂吸波涂层的介电和吸波性能研究[期刊论文]-无机材料学报 2010(2)

14. 毕辉. 寇开昌. 王召娣. 王志超. 张教强 微螺旋炭纤维的制备、微观结构及性能[期刊论文]-人工晶体学报2008(2)

15. 张政权. 李铁虎. 经德齐 雷达吸波材料的研究现状及其进展[期刊论文]-材料导报 2007(z1)

16. 吴瑜. 周胜. 徐增波 碳纤维集合体材料吸波性能研究进展[期刊论文]-扬州职业大学学报 2010(4)

17. 李轶. 徐劲峰. 徐政 吸波纤维研究进展[期刊论文]-现代技术陶瓷 2005(1)

18. 吴瑜. 周胜. 徐增波 碳纤维集合体材料吸波性能研究进展[期刊论文]-扬州职业大学学报 2010(4)

19. 赵东林. 沈曾民 含碳纳米管微波吸收材料的制备及其微波吸收性能研究[期刊论文]-无机材料学报 2005(3)

20. 史旭明. 张军. 许仲梓 隐身材料的研究进展[期刊论文]-材料导报 2007(z1)

21. 毕辉. 寇开昌. 张教强 微螺旋炭纤维结构性能的研究[期刊论文]-材料导报 2007(5)

22. 何燕飞. 龚荣洲. 何华辉 碳纤维(毡)的电磁改性现状与发展趋势[期刊论文]-功能材料与器件学报 2005(2)

23. 毕辉. 寇开昌. 张教强 螺旋炭纤维的研究进展[期刊论文]-炭素技术 2006(2)

24. 王召娣. 寇开昌. 毕辉. 张较强 微螺旋炭纤维手性复合吸波材料的研究[期刊论文]-炭素技术 2008(1)

25. 谢炜. 程海峰. 楚增勇. 陈朝辉 新型吸波碳纤维的研究进展[期刊论文]-材料导报 2007(9)

26. 吴红焕. 王晓艳. 张玲. 朱冬梅. 周万城 碳纤维吸波材料的研究进展[期刊论文]-材料导报 2007(5)

27. 孙军海. 周祚万. 简贤 螺旋炭纤维的制备及其吸波性能研究进展[期刊论文]-材料导报 2008(1)

28. 张东升. 刘正锋 碳系填充型电磁屏蔽材料的研究进展[期刊论文]-材料导报 2009(15)

29. 汪洁洋 碳纳米管对电磁波吸收特性的研究[学位论文]硕士 2005

30. 刘云芳 化学气相催化裂解法制备纳米碳管及其应用研究[学位论文]博士 2004

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