学术研究报告：玻璃纤维/聚酰胺6复合材料中碳黑的微观结构设计及其微波吸收与机械性能研究

一、研究团队与发表信息
本研究由西安建筑科技大学材料科学与工程学院的Wanxin Hu、Hongfeng Yin*、Hudie Yuan、Yun Tang、Xiaohu Ren及Ying Wei**合作完成，发表于《Composites Science and Technology》第233卷（2023年），文章编号109927，于2023年1月15日在线发布。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于功能-结构一体化复合材料领域，聚焦于微波吸收材料（Microwave Absorbing Materials, MAMs）与机械性能的协同优化。

研究背景：
1. 需求驱动：现代军事与民用领域（如隐身技术、电子设备屏蔽）对轻量化、薄层化、强吸收、宽频带的微波吸收材料需求迫切。传统研究多关注单一微波吸收性能，而忽略机械性能（如承载能力），限制了实际应用。
2. 材料瓶颈：聚合物基复合材料可通过添加导电填料（如碳黑Carbon Black, CB）调控介电性能，但高填料含量常导致机械性能下降；而玻璃纤维（Glass Fiber, GF）虽能增强力学性能，却可能削弱微波吸收效率。
3. 科学问题：如何通过微观结构设计实现微波吸收与机械性能的平衡？

研究目标：
- 开发一种热塑性基体（聚酰胺6, PA6）的GF/PA6/CB复合材料，通过碳黑含量调控与颗粒化工艺优化微观结构。
- 探究材料在Ku波段（12.4–18 GHz）的微波吸收性能（如反射损耗Reflection Loss, RL）与机械性能（弯曲强度、剪切强度、冲击强度）的协同增强机制。

三、研究流程与方法
1. 材料制备
- 原料：乙炔碳黑（CB，粒径30–40 nm）、PA6粉末（熔点220°C）、二维平纹E-玻璃纤维织物（密度400 g/m²）。
- 复合工艺：
- 混合：CB与PA6粉末机械搅拌混合，CB含量设计为5–9 wt%。
- 热压成型：GF与混合粉末逐层堆叠，在240°C、5 MPa压力下热压成层压板。
- 颗粒化CB制备：采用盘式造粒法，将酚醛树脂溶解于丙酮后喷涂至CB粉末，形成颗粒化CB（中位粒径从266 nm增至329 nm）。

2. 性能表征
- 介电性能：使用矢量网络分析仪（Ceyear 3672B-S）测量Ku波段复介电常数（ε = ε′ - jε″），样品尺寸15.89 × 7.9 mm。
- 微波吸收模拟：基于传输线理论计算RL（公式3-4），优化厚度与频率响应。
- 机械性能测试：
- 三点弯曲试验（ASTM D790）：跨度-深度比16，样品尺寸80 × 10 × 4 mm。
- 层间剪切强度（ILSS）（ASTM D2344）：跨度-深度比4，加载速度1.0 mm/min。
- 冲击强度（ASTM D256）：伊佐德摆锤冲击试验机（XJUD-22），能量22 J，样品尺寸65 × 12 × 7 mm。
- 微观结构分析：场发射扫描电镜（SEM, Gemini 500）与透射电镜（TEM, Talos F200X）观察CB分散性及复合材料断裂形貌。

3. 创新方法
- 颗粒化设计：通过造粒法构建网状多级结构（纳米-微米级CB共存），增强导电网络均匀性，同时提升界面极化损耗。
- 结构-功能一体化：GF作为主要承载相，CB颗粒化优化电磁损耗路径，实现力学与吸波性能的协同。

四、主要研究结果
1. 微波吸收性能
- 未颗粒化CB复合材料：8 wt% CB/GF/PA6表现最佳，最小RL为-40.05 dB（15.06 GHz，厚度1.6 mm），RL ≤ -10 dB带宽4.6 GHz（13.0–17.6 GHz）。
- 颗粒化CB复合材料：7 wt%颗粒化CB/GF/PA6性能显著提升，最小RL达-56.45 dB（13.46 GHz，厚度1.9 mm），且导电率提高至4.35 × 10⁻⁵ S/cm（未颗粒化对照为8.01 × 10⁻⁶ S/cm）。

机制分析：
- 颗粒化效应：增大CB粒径形成更多接触点，促进导电网络均匀分布；多级结构增强界面极化与多次散射。
- 介电损耗：ε′与ε″随CB含量增加而上升，但过量CB（9 wt%）导致趋肤效应，反降低吸波效率。

2. 机械性能
- GF的主导作用：30 wt% GF使复合材料弯曲强度稳定在207.2–214.9 MPa，剪切强度21.7–26.0 MPa，显著高于纯PA6（弯曲强度82.2 MPa）。
- 颗粒化CB的增强效应：7 wt%颗粒化CB复合材料冲击强度达88.0 ± 8.5 kJ/m²（未颗粒化对照71.2 ± 5.7 kJ/m²），归因于大颗粒CB的裂纹偏转与钉扎效应。

五、研究结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了颗粒化CB构建多级网状结构的协同损耗机制，为功能-结构一体化设计提供新思路。
- 提出“颗粒化-分散性-导电网络”的定量关系，填补热塑性复合材料协同优化研究的空白。

1. 应用价值：
   
   • 材料厚度薄（1.6–1.9 mm）、重量轻，适用于隐身涂层、电子设备屏蔽等场景。
     
   • 热塑性基体（PA6）可回收，符合环保趋势。
     

六、研究亮点
1. 方法创新：首次将盘式造粒法应用于CB/GF/PA6体系，实现纳米-微米级颗粒的精准调控。
2. 性能突破：在相同填料含量下，颗粒化CB使RL降低40%（从-40.05 dB至-56.45 dB），冲击强度提升23%。
3. 跨学科意义：融合材料科学（微观结构设计）、电磁学（介电损耗机制）、力学（纤维增强）的多学科交叉研究。

七、其他发现
- 经济性：CB成本低于碳纳米管（CNT）或石墨烯，适合大规模生产。
- 局限性：高含量CB（>8 wt%）可能导致PA6基体脆性增加，需进一步优化界面相容性。

（全文约2000字）