CN100569701C - 负载磁性金属的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种负载磁性金属的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料及其制备方法，属于电磁波吸收材料领域。通过竹炭表面陶瓷化和内部负载磁性金属以及孔道内部硅基陶瓷晶须的生成，可同时发挥电阻型、电介质型和磁介质型三种损耗机理的作用，有效地实现对电磁波辐射的吸收。

Description

负载磁性金属的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种负载磁性金属的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料及其制备方法，属于电磁波吸收材料领域。

背景技术：

在现代战争中，隐身技术已经成为当今尖端军事技术之一，其中雷达波吸收材料(简称吸波材料)的研究和应用是隐身技术发展的重要组成部分〔康飞宇，郑永平，彭俊芳，中国专利，2003，CN1395466〕。实现隐身的技术途径主要有两类：一是通过外形设计尽量减少雷达波散射截面。但因受到战术技术指标和环境条件的限制，进行理想设计有相当大的难度；二是应用吸波材料。因研制吸波材料则较为容易，且易于实施，所以吸波材料研究成为隐身技术中的研究热点。此外，随着电子信息产业的迅速发展，大量电子产品向外发射电磁波，从而造成电磁波公害。由于电磁波吸收材料在社会生活和国防建设中的重要作用，对于航天、国防工业、通讯和日常生活造成很大影响，因而研究开发电磁波吸收材料成为人们日益关注的重要课题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种负载磁性金属的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料及其制备方法，通过竹炭表面陶瓷化和内部负载磁性金属以及孔道内部硅基陶瓷晶须的生成，可同时发挥电阻型、电介质型和磁介质型三种损耗机理的作用，有效地实现对电磁波辐射的吸收。

本发明的负载磁性金属的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料，为天然竹材经扩孔、炭化后，负载磁性金属，再经表面陶瓷化的多孔材料；也可以是市售的工业竹炭粉直接负载磁性金属，再经二氧化硅表面陶瓷化的多孔材料。其特征是：材料的内部孔道负载有磁性金属且生长有碳化硅陶瓷晶须。

本发明上述负载磁性金属的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料的制备方法，依次包括以下步骤：

(1)天然竹材的扩孔处理与炭化：(a)将加工成所需形状和大小的竹片干燥后在扩孔剂中浸泡至少10小时，然后将浸泡后的竹片在120℃烘干；再在800～1000℃的温度，在惰性气体保护气氛下炭化1～3小时，制得竹炭片；炭化时间以竹片完全炭化为准，不宜过短或过长，过短炭化不完全，过长造成能源浪费，通常至少1小时。

(2)负载磁性金属：将(1)中的竹炭片或竹炭在磁性金属的盐溶液中浸渍至少12小时，然后过滤出来在120℃烘干；

(3)溶胶浸渍：将(2)中的产物在真空环境中浸泡于二氧化硅溶胶中至少8小时，然后过滤出来于60℃保持至少3小时，使二氧化硅溶胶凝胶化，再在120℃烘干；

(4)表面陶瓷化：将(3)中的产物在1450～1550℃的温度，在惰性气体保护气氛下，炭化1～3小时，使表面生成碳化硅陶瓷层，内部孔道形成碳化硅陶瓷晶须。炭化时间不宜过短或过长，过短达不到发明效果，过长造成能源浪费，通常至少1小时。

所述的扩孔剂是1～3mol/L的硫酸、硝酸或氢氧化钠水溶液。

所述的磁性金属的盐溶液是铁、钴、镍金属的盐溶液或上述两种或三种金属的混合盐溶液。盐溶液的浓度不能太低，否则，吸附的量无法满足要求，最好不低于2mol/L。

上述炭化处理最好在惰性气体保护下进行，如氮气或氩气保护气氛。

本发明所采用的天然竹材为内部有发达的多孔结构的竹种，如莿竹、毛竹等。

本发明的优点是工艺简单，加工制造成本低廉，制备同时发挥电阻型、电介质型和磁介质型三种损耗机理的电磁波吸波材料。

本发明的负载磁性金属的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料，除保持了竹炭发达的孔道结构，内部孔道还负载有磁性金属且生长有碳化硅陶瓷晶须，用作吸波材料可同时发挥三种损耗作用的机理在于：首先，本发明中的竹炭是经过1450℃以上的高温炭化的，石墨化程度提高，导电性增强，可用做电阻型吸波剂。竹炭表面的β-SiC的电阻率介于金属和半导体之间，属于杂质型半导体，也可用做电阻型吸波剂。其次，在陶瓷化反应过程中，竹炭孔道内生成的Si/C/N和Si/C/N/O等硅基陶瓷晶须是电介质型吸波剂，主要通过介质极化驰豫损耗来吸收电磁波，另外，竹炭中负载的磁性金属粒子或磁性合金粒子可用做磁介质型吸波剂。同时竹炭内部发达的孔道和界面也增加了结构型吸波方面的性能。

附图说明：

图1：是利用本方法实施例1制备的负载磁性金属Ni的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料的扫描电镜照片。

图2：是利用本方法实施例1制备的负载磁性金属Ni的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料在2～18GHz的反射率图。

图3：是利用本方法实施例2制备的负载磁性金属Fe的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料的X射线衍射谱。

具体实施方式：

实施例1

从刺竹上切割20mm×8mm×3mm的竹片，将竹片烘干，去除水分。将竹片浸泡在浓度为3mol/L的氢氧化钠溶液中10小时，然后抽滤并用去离子水冲洗至滤出液的pH值为7。将竹片在120℃烘干。将竹片置于炭化炉中在氮气保护下800℃炭化处理，保温时间为3小时，制备竹炭。

将竹炭浸泡在3mol/L的硫酸镍溶液中12小时，然后抽滤。将竹炭在120℃烘干。

将竹炭置于配置好的二氧化硅溶胶中在真空中渗透10小时，然后取出在烘箱中以60℃的温度加热4小时，使二氧化硅溶胶发生凝胶化反应，然后继续以120℃的温度烘干。

最后，将竹炭置于炭化炉中在氮气保护下1500℃炭化处理，保温时间为3小时，得到负载磁性金属镍的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料。

用XL-30型场发射环境扫描电镜(美国FEI公司制造)，断面经喷金处理，观察负载磁性金属Ni的表面陶瓷化多孔竹炭的纵剖面，结果如图1所示，部分竹炭孔道填充着晶须状物质，能谱分析表明这些物质是SiC，发挥电阻型吸波剂的作用。

将上述吸波材料磨成粉末，分散到环氧树脂基体中，然后在180×180mm、厚度为5mm的铝板表面涂膜烘干，制成电磁波吸收涂层。当吸波材料的含量为10％，涂层厚度为2mm时，样品在2～18GHz的反射率见图2。

实施例2

称取5g粒度为500目的竹炭粉，烘干，去除水分。将竹炭粉浸泡在浓度为1mol/L的硫酸溶液中18小时，然后抽滤并用去离子水冲洗至滤出液的pH值为7。

将竹炭粉在烘箱中120℃烘干。再将竹炭粉浸泡在2mol/L的氯化铁溶液中18小时，然后抽滤。将竹炭粉在120℃烘干。

将竹炭粉置于配置好的二氧化硅溶胶中在真空中渗透8小时，然后取出在烘箱中以60℃的温度保持3小时，使二氧化硅溶胶发生凝胶化反应，继续以120℃的温度烘干。

最后，将竹炭粉置于炭化炉中在氮气保护下1450℃炭化处理，保温时间为2小时，就得到负载磁性金属铁的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料。

用日本理学Rigakv D/max-2400型X-射线衍射仪测试样品的相成分，结果如图3所示，表明样品的成分除碳以外还有碳化硅和微量的铁。

实施例3

从毛竹上切割15mm×6mm×3mm的竹片，将竹片烘干，去除水分。将竹片浸泡在浓度为2mol/L的硝酸溶液中20小时，然后抽滤并用去离子水冲洗直到滤出液的pH值为7。将竹片在120℃烘干。将竹片置于炭化炉中在氮气保护下1000℃炭化处理，保温时间为1小时，制备竹炭。

将竹炭浸泡在2.5mol/L的氯化铁溶液中12小时，然后抽滤。将竹炭浸泡在2.5mol/L的硫酸镍溶液中12小时，然后抽滤。将竹片在120℃烘干。

将竹炭置于配置好的二氧化硅溶胶中在真空中渗透12小时，然后取出在烘箱中以60℃的温度加热5小时，使二氧化硅溶胶发生凝胶化反应，继续以120℃的温度烘干。

最后，将竹炭置于炭化炉中在氮气惰性气体保护下1550℃炭化处理，保温时间为1小时，就得到负载磁性金属铁镍合金的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料。

实施例4

从莿竹上切割18mm×8mm×4mm的竹片，将竹片烘干，去除水分。将竹片浸泡在浓度为2mol/L的硫酸溶液中12小时，然后抽滤并用去离子水冲洗直到滤出液的pH值为7。将竹片在120℃烘干。将竹片置于炭化炉中在氮气保护下900℃炭化处理，保温时间为2小时，制备竹炭。

将竹炭浸泡在2mol/L的氯化铁溶液中12小时，然后抽滤。将竹炭浸泡在2mol/L的硫酸镍溶液中12小时，然后抽滤。再将竹炭浸泡在2mol/L的硫酸钴溶液中12小时，然后抽滤。将竹片在120℃烘干。

将竹炭置于配置好的二氧化硅溶胶中在真空中渗透15小时，然后取出在烘箱中以60℃的温度加热5小时，使二氧化硅溶胶发生凝胶化反应，继续以120℃的温度烘干。

最后，将竹炭置于炭化炉中在氮气惰性气体保护下1520℃炭化处理，保温时间为2小时，就得到负载磁性金属铁钴镍合金的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料。

实施例5

称取8g粒度为500目的竹炭粉，烘干，去除水分。将竹炭粉浸泡在浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液中15小时，然后抽滤并用去离子水冲洗至滤出液的pH值为7。

将竹炭粉在烘箱中120℃下烘干。再将竹炭粉浸泡在2mol/L的氯化钴溶液中16小时，然后抽滤。将竹炭粉在120℃烘干。

将竹炭粉置于配置好的二氧化硅溶胶中在真空中渗透10小时，然后取出在烘箱中以60℃的温度加热4小时，使二氧化硅溶胶发生凝胶化反应，继续以120℃的温度烘干。

最后，将竹炭粉置于炭化炉中在氮气保护下1480℃炭化处理，保温时间为2.5小时，就得到负载磁性金属钴的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料。

Claims (6)

1.一种负载磁性金属的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料，为天然竹材经扩孔、炭化后，负载磁性金属，再经表面陶瓷化的多孔材料，其特征是：材料的内部孔道负载有磁性金属且生长有碳化硅陶瓷晶须。

2.根据权利要求1的负载磁性金属的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料，其特征是：吸波材料为竹炭直接负载磁性金属，再经表面陶瓷化的多孔材料。

3.一种权利要求1或2所述负载磁性金属的表面陶瓷化多孔竹炭吸波材料的制备方法，依次包括以下步骤：

(1)天然竹材的扩孔处理与炭化：将加工成所需形状和大小的竹片干燥后在扩孔剂中浸泡至少10小时，然后将浸泡后的竹片在120℃烘干；再在800～1000℃的温度，在惰性气体保护气氛下炭化1～3小时，制得竹炭片；

(2)负载磁性金属：将(1)中的竹炭片或竹炭在磁性金属的盐溶液中浸渍至少12小时，然后过滤出来在120℃烘干；

(3)溶胶浸渍：将(2)中的产物在真空环境中浸泡于二氧化硅溶胶中至少8小时，然后过滤出来于60℃保持至少3小时，使二氧化硅溶胶凝胶化，再在120℃烘干；

(4)表面陶瓷化：将(3)中的产物在1450～1550℃的温度，在惰性气体保护气氛下，炭化1～3小时，使表面生成碳化硅陶瓷层，内部孔道形成碳化硅陶瓷晶须；

所述的惰性气体为氮气或氩气。

4.根据权利要求3的制备方法，其特征是：所述的扩孔剂是1～3mol/L的硫酸、硝酸或氢氧化钠水溶液。

5.根据权利要求3的制备方法，其特征是：所述的磁性金属的盐溶液是铁、钴、镍金属的盐溶液或上述金属的两种或三种混合盐溶液。

6.根据权利要求5的制备方法，其特征是：所述的磁性金属的盐溶液浓度不低于2mol/L。

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