CN100455179C - 包覆型复合碳基电磁屏蔽材料及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电磁屏蔽材料领域，特别涉及一种包覆型复合碳基无机电磁屏蔽材料及其制备方法和用途。将羰基化铁、羰基化镍或羰基化铁镍混合物和碳基粉以重量百分比为50～90∶10～50的比例混合；使用电磁悬浮搅拌器搅拌悬浮；在惰性气体气氛和35℃～103℃温度下，使混合物充分反应，使最终反应物成为粉状产品后，再将生成物产品在惰性气体气氛100℃～450℃的条件下热处理，得到包覆型复合碳基电磁屏蔽材料。本发明的方法工艺简单，在不同工艺条件下，可得到多种不同复介电常数/不同复磁导率的碳基电磁屏蔽材料。该材料可作为手机、电脑、高频无线收发设备、屏蔽罩、屏蔽室的屏蔽材料使用，及作为隐身材料、高档汽车涂料。

Description

包覆型复合碳基电磁屏蔽材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于电磁屏蔽材料领域，特别涉及一种包覆型复合碳基无机电磁屏蔽材料及其制备方法和用途。
背景技术
由于电磁器件在现代社会普遍应用，带来了越来越多的电磁干扰问题，无机复合电磁屏蔽材料因其高稳定性、易配伍性、高耐热性，作为一种防电磁干扰的建筑物、通讯工具等方面的潜在材料引起了广泛关注。电磁屏蔽材料不仅需要有良好的反射电磁波性能，而且需要有良好的吸收电磁波性能，“薄、轻、宽、强”复合吸波材料是电磁吸波材料研究的热点和难点。碳基粉体密度低、比表面积大，是一种很好的轻质材料。在碳基粉表面包覆磁性纳米金属颗粒的复合结构来设计具有“薄、轻、宽、强”特性的电磁波吸收剂，可为隐身涂层材料组装，新型电磁屏蔽材料的开发研究提供了一条新途径。纳米包覆复合材料由于它具有结构多样化、成分和性能可调，易复合等特点，可作为性能优良的新型电磁屏蔽材料。
碳基材料，如碳管本身没有铁磁性，但若经过碳管内部铁磁性材料的掺杂和管外铁磁性金属包覆后形成的碳管-磁性链复合物，既有铁磁性，又具有良好的导电性能。单壁碳管可用LR回路描述，对入射电磁波具有焦耳损耗、磁介质损耗等综合作用；同时，管壁上和/或管壁内的磁性链可以等效成磁偶极子，这些磁偶极子处于粘滞性基底材料中，在入射的交变电磁场作用下作阻尼运动，对电磁波形成阻尼，达到吸收电磁波的效果。
上述多种吸收机理使这种复合纳米碳管将在较宽的频段实现电磁波强衰减，碳纳米管还将提高树脂的拉伸及抗冲击强度，同时具有重量轻、高温抗氧化、介电参数可调变、稳定性好等特点，是一种较好的微波和红外吸收剂，可广泛用于电磁屏蔽、隐身材料等领域。
彭练矛等通过催化热解法在碳纳米管上沉积纳米级铁微粒已有报道，(Che，R.C.；Peng，L.M.；Duan，X.F.；Chen，Q.；Liang，X.L.Adv.Mater.2004，16，401，)，铁包覆碳纳米管材料虽具有各向异性，但是铁包覆碳纳米管吸波材料的复介电常数不高。对于其它形状的碳基粉时，如形状为层状、卷轴状、管状、螺线管、纤维状、球状、空心状、粒状或鳞片状，该方法不适用。迫切需要碳基材料表面沉积可控厚度的纳米级软磁性铁微粒的通用方法，至今还尚未见到有关电磁固液气三相流化核/壳复合法将羰基化铁或羰基化镍、或羰基化铁镍混合物与碳基粉直接反应包覆制备包覆壳型复合碳基电磁屏蔽材料的成功途径。本发明适用于在各种形状的碳基材料上沉积纳米金属铁镍。
发明内容
本发明的目的是提供一种包覆型复合碳基电磁屏蔽材料。
本发明的另一目的是提出一种采用电磁固液气三相流化复合法，在反应过程中将惰性气体气氛热处理的磁性纳米铁、纳米镍或两者的混合纳米微粒复合组装在碳基粉体表面上，形成一种包覆型复合碳基电磁屏蔽材料。
本发明的再一目的是提供包覆型复合碳基电磁屏蔽材料的用途。
本发明的包覆型复合碳基电磁材料为核/壳结构的粉状复合电磁屏蔽材料，所述的核为粒径或长度在微米至亚微米级别的层状、卷轴状、管状、纤维状、螺线管状、球状、空心状、粒状或鳞片状碳基粉，所述的壳为惰性气体气氛热处理的磁性纳米铁、纳米镍或两者的混合纳米微粒；所述的壳的均匀包覆层厚度为5～50纳米厚。
本发明的包覆型复合碳基电磁屏蔽材料的制备方法包括以下步骤：
(1).将羰基化铁、羰基化镍或羰基化铁镍混合物液体和碳基粉以重量百分比为50～90∶10～50的比例混合；将被包覆的碳基粉微粒原料和包覆物质羰基化铁、羰基化镍或羰基化铁镍混合物液体原料放入一反应釜中，用电磁悬浮搅拌器搅拌悬浮；
(2).向步骤(1)的悬浮液体通入惰性气体，使反应体系产生微泡，形成固液气三相充分接触的流化悬浮体系，同时给反应悬浮体系加热，温度为35℃～103℃，在恒温环境下反应到液体原料消耗完全结束反应，得到固体颗粒，再将生成物产品在100℃～450℃的条件下惰性气体气氛热处理，热处理时间为0.5～4小时，得到包覆型复合碳基电磁屏蔽材料。
本发明可通过调整金属原料的量控制包覆壳层的厚度，和生成物在惰性气氛热处理过程中改变惰性气氛热处理温度和惰性气体气氛热处理时间获得包覆型复合碳基电磁屏蔽材料。
所述的包覆型复合碳基电磁屏蔽材料的复介电常数/复磁导率依靠金属惰性气氛热处理纳米晶等在碳基粉上的厚度、颗粒大小及、碳基粉形状等而定。复合碳基电磁屏蔽材料可与其它无机电磁屏蔽材料混用。
所述的碳基粉体是石墨粉、碳纤维、碳纳米管或碳螺旋粉等。
所述的惰性气体是二氧化碳、氩气、氮气或它们的任意混合气体。
所述的电磁悬浮搅拌器在反应釜中所保持的磁通量密度的范围为零至三特斯拉。
本发明的包覆型复合碳基电磁屏蔽材料制备方法简便，成本低；包覆型复合碳基电磁屏蔽材料可作为手机、电脑、高频无线收发设备、屏蔽罩、屏蔽室的屏蔽材料使用，免除大部分电磁波辐射的污染。由于包覆型复合碳基电磁屏蔽材料的表面具有金属铁和/或镍的低发射率，便于采用电磁场在涂层中实行各向异性分布或二维平面均匀定向分布，使雷达隐身、红外与可见光的综合隐身性能大为提高，因此可应用于隐身材料、高档汽车涂料。
本发明采用电磁固液气三相流化复合法在反应过程中可将生成的铁和/或镍纳米晶复合组装在各种形状的碳基粉颗粒表面上，形成一层厚度为5～50纳米厚的均匀的惰性气体气氛热处理铁和/或镍纳米包覆层。如石墨粉具有较多的规格，不同厚度的石墨层具有多层反射电磁波的功能，当应用为基底时，包覆型复合碳基电磁屏蔽材料具有质轻、强软磁性、耐光性、宽频可调变的功能化特征，同时克服了碳基粉无磁性的缺点，表面具有金属铁和/或镍的低发射率，便于采用电磁场在涂层中实行各向异性分布或二维平面均匀定向分布，使雷达隐身、红外与可见光的综合隐身性能大为提高。
附图说明
图1.本发明实施例1的电磁屏蔽材料的扫描电镜照片。
图2.本发明实施例3的电磁屏蔽材料的复介电常数。
具体实施方式
实施例1
(1).将羰基化铁和长条片状的石墨粉(10×90微米，厚度小于2微米)以重量百分比为80∶20的比例混合；将被包覆的微粒原料和包覆物质的液体原料放在一反应釜中，用电磁悬浮搅拌器搅拌悬浮，电磁悬浮搅拌器在反应釜中所保持的磁通量密度的范围为零至三特斯拉；
(2).向步骤(1)的悬浮液体通入氮气，在氮气氛下，使反应体系产生微泡，形成固液气三相充分接触的流化悬浮体系，同时给反应悬浮体系加热，反应温度75℃下，使步骤(1)的混合物充分反应10小时后，使最终反应物成为粉状产品后，再把生成物产品在180℃的条件下氮气气氛热处理0.5小时后得到由纳米铁颗粒包覆石墨粉的核/壳结构的粉状复合石墨粉电磁屏蔽材料，壳的厚度为8至16纳米(见图1)，可填加入建筑物表面涂层防电磁干扰。
实施例2
(1).将羰基化铁和30mm长的碳纤维粉以重量百分比为90∶10的比例混合；将被包覆的微粒原料和包覆物质的液体原料放在一反应釜中，用电磁悬浮搅拌器搅拌悬浮，电磁悬浮搅拌器在反应釜中所保持的磁通量密度的范围为零至三特斯拉；
(2).向步骤(1)的悬浮液体通入氮气，在氮气氛下，使反应体系产生微泡，形成固液气三相充分接触的流化悬浮体系，同时给反应悬浮体系加热，反应温度85℃下，使步骤(1)的混合物充分反应10小时后，使最终反应物成为粉状产品后，再把生成物产品在300℃的条件下氩气气氛热处理1小时后得到核/壳形状的复合碳纤维电磁屏蔽材料，壳的厚度为15至25纳米。可与建筑物水泥混用，增强水泥强度，并具有防电磁干扰的功能。
实施例3
(1).将羰基化铁与羰基化镍以重量百分比为50∶50混合后，再与长条片状的石墨粉(10×150微米，厚度小于2微米)以重量百分比为50∶50的比例混合；将被包覆的微粒原料和包覆物质的液体原料放在一反应釜中，用电磁悬浮搅拌器搅拌悬浮，电磁悬浮搅拌器在反应釜中所保持的磁通量密度的范围为零至三特斯拉；
(2).向步骤(1)的悬浮液体通入氮气和氩气，在氮气和氩气混合气氛下，使反应体系产生微泡，形成固液气三相充分接触的流化悬浮体系，同时给反应悬浮体系加热，反应温度85℃下，使步骤(1)的混合物充分反应10小时后，使最终反应物成为粉状产品后，再把生成物产品在350℃的条件下，在氮气和氩气混合气体气氛热处理1小时后得到核/壳形状的复合石墨粉电磁屏蔽材料，壳的厚度为5至10纳米。合成材料具有强软磁性和高的复介电常数，在2GHz时复介电常数实数为160(见图2)，可填加入军用屏蔽幕墙防电磁干扰，或制造屏蔽烟雾。

Claims (9)

1.一种包覆型复合碳基电磁屏蔽材料，其特征是：所述的电磁屏蔽材料为核和壳结构的粉状复合电磁屏蔽材料，所述的核为粒径或长度在微米至亚微米级别的碳基粉，所述的壳为惰性气体气氛热处理的磁性纳米铁、纳米镍或两者的混合纳米微粒；所述的壳的均匀包覆层厚度为5～50纳米厚。
2.如权利要求1所述的电磁屏蔽材料，其特征是：所述的碳基粉的形状为层状、卷轴状、管状、螺线管、纤维状、球状、空心状、粒状或鳞片状。
3.如权利要求1或2所述的电磁屏蔽材料，其特征是：所述的碳基粉体是石墨粉、碳纤维、碳纳米管或碳螺旋粉。
4.一种如权利要求1～3任一项所述的电磁屏蔽材料的制备方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
(1).将羰基化铁、羰基化镍或羰基化铁镍混合物液体和碳基粉以重量百分比为50～90∶10～50的比例混合；将被包覆的碳基粉微粒原料和包覆物质羰基化铁、羰基化镍或羰基化铁镍混合物液体原料放入一反应釜中，用电磁悬浮搅拌器搅拌悬浮；
(2).向步骤(1)的悬浮液体通入惰性气体，使反应体系产生微泡，形成固液气三相充分接触的流化悬浮体系，同时给反应悬浮体系加热，温度为35℃～103℃，在恒温环境下反应到液体原料消耗完全结束反应，得到固体颗粒；再将生成物产品在100℃～450℃的条件下惰性气体气氛热处理，得到包覆型复合碳基电磁屏蔽材料。
5.如权利要求4所述的方法，其特征是：所述的惰性气体是二氧化碳、氩气、氮气或它们的任意混合气体。
6.如权利要求4所述的方法，其特征是：所述的电磁悬浮搅拌器在反应釜中保持的磁通量密度的范围为零至三特斯拉。
7.如权利要求4所述的方法，其特征是：所述的热处理时间为0.5～4小时。
8.一种如权利要求1～3任一项所述的电磁屏蔽材料的用途，其特征是：所述的包覆型复合碳基电磁屏蔽材料作为手机、电脑、高频无线收发设备、屏蔽罩、屏蔽室的屏蔽材料使用。
9.一种如权利要求1～3任一项所述的电磁屏蔽材料的用途，其特征是：所述的包覆型复合碳基电磁屏蔽材料作为隐身材料、高档汽车涂料。
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