摘要：水性吸波涂料具有高效吸波和環(huán)保健康的特點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.首先介紹了水性涂料的親水機(jī)理及吸波涂料的制備工藝方法，進(jìn)而綜述了國(guó)內(nèi)外有關(guān)電損耗主導(dǎo)型和磁損耗主導(dǎo)型2類(lèi)水性吸波涂料的研究進(jìn)展，分析了存在的問(wèn)題，并展望了水性吸波涂料的發(fā)展方向.

　　關(guān)鍵詞：吸波材料;吸波涂料;水性涂料;環(huán)保

　　0引言

　　水性涂料是以水作為分散介質(zhì)或溶劑、樹(shù)脂作為分散相制成的涂料.涂料基本組成是基料、溶劑、顏料、填料和助劑等，水性涂料不同于溶劑型涂料之處在于水性涂料使用的溶劑或分散介質(zhì)為水，而溶劑型涂料使用的溶劑為有機(jī)溶劑[1].水性涂料包括水溶性涂料、水稀釋性涂料、水分散性涂料.吸波材料能將投射到其表面的電磁波的能量通過(guò)材料的電磁損耗轉(zhuǎn)換為熱能，或者通過(guò)其他方式將電磁波能量耗散掉[2].

　　電磁損耗根據(jù)吸波機(jī)理不同可以分為電損耗型和磁損耗型[3]，單一種類(lèi)的吸波型材料存在局限性和不足，將不同種類(lèi)吸波材料共混或復(fù)合處理能夠?qū)崿F(xiàn)吸波性能的互補(bǔ)，通過(guò)調(diào)節(jié)復(fù)合物的電磁參數(shù)達(dá)到阻抗匹配要求，實(shí)現(xiàn)寬頻強(qiáng)效吸波的效果，是一種非常有效的優(yōu)化性能的方法，在當(dāng)前的吸波材料研究中，嘗試運(yùn)用非常廣泛.李琳等[4]利用界面聚合法制備出聚苯胺納米纖維/鋰鋅鐵氧體復(fù)合吸波材料，在高頻和低頻區(qū)域皆有反射率小于-10dB的波段，最大吸收波峰可達(dá)-33.8dB，其吸波性能較單純的電損耗型的聚苯胺納米纖維或磁損耗型的純鋰鋅鐵氧體都有很大提高.吸波材料的發(fā)展一直追求“薄、輕、寬、強(qiáng)”的目標(biāo)[5].

　　電磁技術(shù)論文范例： 電磁流量計(jì)測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定

　　傳統(tǒng)溶劑型吸波涂料的研究及其應(yīng)用較為成熟和普遍，但是隨著多年以來(lái)的實(shí)踐應(yīng)用，溶劑型吸波涂料的固有弊端日益突出.溶劑型涂料含有40%以上有機(jī)溶劑，涂料在使用過(guò)程中會(huì)揮發(fā)出大量有機(jī)化合物(VOC)，不僅污染環(huán)境，還會(huì)損害接觸者的健康[6].并且這種危害不僅在設(shè)備涂敷或者噴涂過(guò)程中大量存在，而且在設(shè)備使用過(guò)程中會(huì)長(zhǎng)期存在.如果運(yùn)用到武器裝備上，能直接引起操作者身體不適甚至可能造成操作失誤[7].

　　水性吸波材料兼具良好的電磁波吸收功能和環(huán)保功能，除此之外，水性吸波材料還具有其他優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在：1)不使用有機(jī)溶劑，可以規(guī)避有機(jī)溶劑原料運(yùn)送、儲(chǔ)存、使用過(guò)程中面臨的燃爆風(fēng)險(xiǎn);2)以水為溶劑或分散劑，可以節(jié)省大量資源;3)涂裝工具可以直接用水清洗，能夠減少清洗成本;4)粘黏性較低，成分更加細(xì)密，涂刷效果更好;5)在濕表面和潮濕環(huán)境中可以直接涂覆施工，且與材質(zhì)表面適應(yīng)性好.水性吸波材料有望在多方面替代傳統(tǒng)溶劑型吸波材料，可以被廣泛應(yīng)用于軍事裝備隱身以及民用醫(yī)療設(shè)備、飛機(jī)、通訊等電磁防護(hù)領(lǐng)域，極具研究?jī)r(jià)值.本文中，筆者介紹了水性涂料的親水機(jī)理及吸波涂料的制備工藝，綜述了國(guó)內(nèi)外有關(guān)電損耗主導(dǎo)型和磁損耗主導(dǎo)型2類(lèi)水性吸波涂料的研究進(jìn)展，分析了存在的問(wèn)題，并展望了水性的吸波涂料的發(fā)展方向。

　　1水性涂料

　　水性涂料中的水溶性涂料在樹(shù)脂中引入羥基、氨基、羧基等官能團(tuán)，具有親水性.羧基用氨或低分子有機(jī)胺中和成鹽，氨基用低分子酸中和成鹽，中和后的樹(shù)脂能夠分散在水中形成透明溶液.

　　水性乳膠涂料中不溶于水的聚合物通過(guò)體系中表面活性劑使其以膠體形式分散在水中，從而達(dá)到親水性目的[6].水性涂料最大的特點(diǎn)是用水作為溶劑或分散劑，極大降低了涂料使用過(guò)程中造成的污染，但是水性涂料也存在著許多方面的不足，制約其在各方面取代傳統(tǒng)溶劑型涂料，主要表現(xiàn)在：1)成膜后耐水性差;2)水對(duì)金屬物質(zhì)有腐蝕性;3)成膜速度慢;4)涂料容易受到微生物破壞[8].為了解決這些矛盾，科研工作者通常是通過(guò)水性樹(shù)脂改性的方法完善其性能.

　　Jeong等[9]合成的氟化氨基甲酸酯低聚物與基底聚氨酯硬段具有相同重復(fù)單元，在水合前將其與基底聚氨酯混合，結(jié)果得到的改性聚氨酯產(chǎn)物的耐水性和耐油性都得到提高.Cui等[10]將聚多巴胺(PDA)修飾氧化石墨烯(GO)納米片生成的PDA-GO納米片分散在乙醇中與水性環(huán)氧反應(yīng)生成GO-PDA/EP，研究發(fā)現(xiàn)在腐蝕介質(zhì)的滲透作用下，GO-PDA/EP的基材表面腐蝕較少，這證明了GO-PDA/EP優(yōu)異的防腐性和阻隔性.水性涂料的組成和制備過(guò)程與溶劑型涂料大致相同，但是水性涂料需要更多的助劑，配方更加復(fù)雜，同時(shí)水性涂料制備工藝的要求更高.首先要考慮的問(wèn)題就是水性涂料的穩(wěn)定性問(wèn)題，其次是增稠劑、消泡劑的加入方式，以及乳液的攪拌問(wèn)題[1].

　　水性吸波涂料制備過(guò)程中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：1)填料是該水性吸波涂料實(shí)現(xiàn)吸波性能的核心，可以視情況預(yù)先對(duì)填料進(jìn)行改性處理;2)攪拌時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，攪拌速度不宜過(guò)快，這是為了避免產(chǎn)生的大量氣泡溢出攪拌罐造成事故或者乳液發(fā)生破乳，條件具備的情況下可以在攪拌過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行超聲振蕩;3)如果使用固態(tài)增稠劑，必須先溶解后加入，液態(tài)增稠劑應(yīng)先用3～5倍增稠劑用量的水稀釋后加入，加入增稠劑的過(guò)程要緩慢且均勻;4)消泡劑最好先取其中的1/3～1/2加入色漿中，其余加入乳液中，消泡劑的加入量參考廠(chǎng)家推薦量并參照乳液涂料生產(chǎn)靜止24h后的涂裝效果確定[1];5)噴涂可以使用的設(shè)備包括空氣噴槍、高壓無(wú)氣噴涂機(jī)[11]、空氣靜電噴涂機(jī)[12]，噴涂過(guò)程中要保持噴涂場(chǎng)所良好的通風(fēng)效果;6)對(duì)制備好的涂層材料樣品，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層形貌，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行涂層吸波性能測(cè)試。

　　2電損耗主導(dǎo)型水性吸波涂料

　　電磁波進(jìn)入吸波涂層會(huì)發(fā)生介電損耗[15]，介電損耗主要由電導(dǎo)損耗、弛豫損耗和共振損耗構(gòu)成[16].電導(dǎo)損耗是指涂層中存在的弱聯(lián)系導(dǎo)電載流子做定向漂移形成傳導(dǎo)電流進(jìn)而造成電能以熱能方式損失掉[17].弛豫損耗產(chǎn)生的原因主要是偶極子極化[18].原子、離子以及電子在振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生共振效應(yīng)，這就是共振損耗的產(chǎn)生方式[19].

　　在交變電磁場(chǎng)環(huán)境中，材料介電常數(shù)為復(fù)數(shù)形式，表示為ε=ε′-jε″，實(shí)部表示材料的儲(chǔ)能能力，虛部表示材料的損耗電磁波能量的能力.tanδε=ε″/ε′為材料介電損耗角正切，材料介電常數(shù)虛部和介電損耗角正切值越大，代表材料對(duì)交變電磁場(chǎng)介電損耗越大[20].吸波材料在X波段(8～12GHz)和Ku波段(12～18GHz)的吸收效應(yīng)則主要由介電損耗造成[21].常見(jiàn)的電損耗型吸波材料是各種形式的碳[22]、SiC粉[23].為了實(shí)現(xiàn)吸波填料與水性樹(shù)脂基體更好的分散效果，在制備涂料操作之前可以預(yù)先對(duì)填料進(jìn)行處理.

　　班國(guó)東等[24]以短切碳纖維為填料，水性聚氨酯為基體做研究.先用丙酮將碳纖維進(jìn)行表面處理，目的是為了清除碳纖維表面的膠劑，便于其與水性聚氨酯充分混合.研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳纖維長(zhǎng)度選擇為3mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%時(shí)，復(fù)合吸波材料具有較好的頻散特性，ε′達(dá)到17.93，ε″達(dá)到8.83，表明材料有較大的儲(chǔ)存能量的能力和介電損耗能力，適合作為吸波能力強(qiáng)、吸波頻帶寬的雷達(dá)吸波材料.若對(duì)低頻段有一定的吸波需求，可以嘗試對(duì)吸波劑進(jìn)行摻雜或復(fù)合，加入低頻段吸波材料，增強(qiáng)吸波劑在低頻段的吸波效果.

　　陳祥鳳等[25]的研究是采用含量超過(guò)12%的十二烷基苯磺酸鈉(分散劑)對(duì)“殼/核”型碳包覆鐵納米顆粒改性，將改性后的納米顆粒作為填料，以水性丙烯酸樹(shù)脂為基體.當(dāng)吸收劑填充量為25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，如果涂層厚度為3mm，反射損耗低于-10dB的頻帶寬為3.8GHz，峰值為-14.3dB;如果涂層厚度為5mm，吸收峰向低頻移動(dòng)，反射損耗低于-10dB的頻帶寬為3.2GHz，且峰值出現(xiàn)在-17.2dB.通過(guò)科學(xué)利用納米材料特殊的物理性能，實(shí)現(xiàn)了吸波劑密度低、介電常數(shù)高、波段寬等目標(biāo).

　　3磁損耗主導(dǎo)型水性吸波涂料

　　磁性介質(zhì)的損耗機(jī)制主要是渦流損耗、磁滯損耗、磁共振和剩磁效應(yīng)[26].通過(guò)導(dǎo)體的變化的磁通量會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，就能使電磁能以熱能形式損耗[27].磁滯損耗指的是在磁性狀態(tài)改變時(shí)，材料的磁化強(qiáng)度總是落后于磁場(chǎng)強(qiáng)度，其內(nèi)在機(jī)理為畤壁的不可逆移動(dòng)，每次循環(huán)中，磁滯損耗量等于磁滯回線(xiàn)面積大小[27].磁共振指的是材料磁體中的磁偶子的固有頻率與外加磁場(chǎng)頻率相同時(shí)引起的磁共振[26].

　　因?yàn)榇磐�密度變化滯后外加磁�?chǎng)一個(gè)相位角，從而產(chǎn)生剩磁，為消耗剩磁需要消耗磁場(chǎng)能量，即為剩磁效應(yīng).與介電常數(shù)類(lèi)似，交變電磁場(chǎng)中材料磁導(dǎo)率表示為μ=μ′-jμ″，材料的磁損耗角正切表示為tanδμ=μ″/μ′，磁損耗性能好的材料磁導(dǎo)率虛部和磁損耗角正切較大[20].吸波材料在S波段(2～4GHz)和C波段(4～8GHz)內(nèi)的吸收效應(yīng)主要由磁損耗造成[21].

　　用途比較廣泛的磁主導(dǎo)型吸波材料有鐵氧體[28]、羰基鐵粉[29]、磁性金屬[30]及其納米材料[31]等.羅平等[32]以片狀羰基鐵為填料，以水性聚氨酯為基體設(shè)計(jì)了雙層吸波材料.雙層吸波材料設(shè)計(jì)是基于傳輸線(xiàn)理論，目的是為了達(dá)到最佳的吸波效能.羅平等將利用球磨機(jī)片狀化處理過(guò)的羰基鐵粉分別按照體積分?jǐn)?shù)15%和40%與水性聚氨酯混合，制得2種濃度的羰基鐵吸波涂料.

　　雙層吸波材料的第1層羰基鐵粉體積分?jǐn)?shù)為15%，厚度為1.5mm，第2層的羰基鐵粉體積分?jǐn)?shù)為40%，厚度0.7mm，吸波材料在2.0～18.0GHz的最小反射損耗達(dá)-16dB，反射損耗小于-10dB的帶寬為12.3GHz.并且此雙層吸波涂層的硬度、耐沖擊性、柔韌性、附著力等力學(xué)性能也符合工藝要求.當(dāng)工藝條件應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，還需要考慮羰基鐵粉易氧化的問(wèn)題.

　　陶睿等[21]的研究以碳纖維和羰基鐵粉為填料，它們的含量分別占吸收劑和基體樹(shù)脂等不揮發(fā)成分總質(zhì)量的25%和60%.以水性聚氨酯為基料，加入0.5%增稠劑，攪拌分散后按照2mm厚度涂覆于模具中，干燥烘烤之后便固化定型.這種設(shè)計(jì)能使碳纖維和羰基鐵粉各自的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，得到頻帶更寬、吸波效能更好的材料.涂層有2個(gè)吸收峰，分別出現(xiàn)在4.5，12.0GHz，在3.5～8.5GHz和11.0～15.0GHz這2個(gè)頻段的反射率均小于-10dB，有效吸收帶寬可達(dá)到9.0GHz.

　　索慶濤等[33]采用球磨法制備了FeNi合金粉體，然后進(jìn)行Ba0.6Sr0.4TiO3表面包覆改性，制得吸波粉體，并以此作為涂層填料，以水性環(huán)氧樹(shù)脂為涂料基體，制備出了無(wú)VOC排放的水性吸波涂層.制備所得涂層在3.8GHz頻率達(dá)到損耗峰值，反射率為-31dB，內(nèi)部損耗值為0.24.同時(shí)對(duì)比用相同劑量填料制備所得溶劑型吸波材料，吸波效果差異不大.材料附著力、柔韌性、沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求.材料實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還應(yīng)考慮其在高頻段的吸波效能，實(shí)現(xiàn)寬頻吸波.

　　4水性吸波材料發(fā)展前景展望

　　水性吸波材料兼具傳統(tǒng)溶劑型吸波材料厚度薄、頻帶寬、重量輕、吸波能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具備傳統(tǒng)溶劑型吸波材料所沒(méi)有的環(huán)保特性，也契合了當(dāng)前相關(guān)行業(yè)對(duì)吸波材料環(huán)保性能的迫切需求，是近些年吸波材料研究的熱點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊.在此基礎(chǔ)上，如果對(duì)結(jié)合傳輸線(xiàn)理論[34]的多層吸波材料設(shè)計(jì)思路、磁性吸收劑磁場(chǎng)定向技術(shù)[35]、納米新型材料[36-37]等成果加以研究，在吸波材料領(lǐng)域肯定能挖掘出更多有用成果，研制出綜合性能更加優(yōu)異的吸波材料;但是，目前水性吸波材料仍處于研究初期，有多方面的問(wèn)題亟待相關(guān)研究者進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究.

　　筆者認(rèn)為水性吸波涂料應(yīng)重點(diǎn)在以下幾個(gè)方向開(kāi)展攻關(guān)研究工作：

　　1)水的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)有機(jī)溶劑較為活潑，且水中一般溶解有氧氣，在將水作為涂料中的分散劑使用時(shí)，易被氧化的填料容易與水及氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而變性失效，所以需要深入研究并解決涂料制備過(guò)程中填料的氧化問(wèn)題;2)吸波涂料使用環(huán)境大多復(fù)雜、嚴(yán)酷，這就需要涂料具備良好的理化性能，如附著力和耐沖擊等，還未投入實(shí)際應(yīng)用的水性吸波涂料是否具備長(zhǎng)期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的理化性能還有待論證;

　　3)當(dāng)前改性水性樹(shù)脂的工藝種類(lèi)較多，在改性過(guò)程中可能會(huì)改變水性樹(shù)脂的電磁性能，如果運(yùn)用此類(lèi)水性樹(shù)脂制備吸波涂料，可能會(huì)影響到涂料的吸波效果，這有待分析和研究;4)水性吸波材料原材料昂貴，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)制備成本高，這就迫切需要開(kāi)發(fā)低廉成本的工藝和配方進(jìn)而推動(dòng)水性吸波材料的廣泛應(yīng)用;5)水的蒸發(fā)潛熱大，烘烤型水性涂料涂覆后對(duì)烘烤能量需求大，這一問(wèn)題需要攻克和優(yōu)化.

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　　作者：袁江杭，曲兆明，孫肖寧，袁揚(yáng)，王慶國(guó)