CN101434134B - 一种宽频带多层结构吸波复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽频带多层结构吸波复合材料及其制备方法，其特征在于：包括三部分：面层、夹心层和底层；所述面层包括羰基铁粉、聚合物和玻璃纤维布，其质量配比为：羰基铁粉20～50％，聚合物30～48％，玻璃纤维布20～32％；所述夹心层包括碳纳米管、聚合物和玻璃纤维布，其质量配比为：碳纳米管2～6％，聚合物56.4～58.8％，玻璃纤维布37.6～39.2％；所述底层包括羰基铁粉、聚合物、玻璃纤维布，其质量配比为：羰基铁粉50～80％，聚合物12～30％，玻璃纤维布8～20％。本发明的有益效果是：具有面密度低、厚度薄、力学强度高的优点，提高了吸波复合材料的承载性能和工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽频带多层结构吸波复合材料及其制备方法，特别涉及一种吸收层含羰基铁粉和碳纳米管的复合材料与其采用玻璃纤维布为聚合物基增强体及其制备方法。属于微波吸收材料技术领域。
背景技术
微波吸收材料就是一种能够吸收入射电磁波，并通过各种电磁损耗机制将入射电磁波能量有效的损耗掉的一种功能材料。随着信息技术的高速发展，电磁污染日益严重，电磁辐射充斥着人们的生活空间，采用吸波材料可以减少电磁波对测试信号的干扰和保护人体免受微波辐射的危害。我国加入WTO后，电磁兼容和电磁屏蔽已成为电子产品进入市场的通行证和提高我国电子产品在世界市场上的竞争力的关键技术之一。现代高技术的发展，对微波吸收材料的性能提出了更高的要求。新型吸波材料正在向“薄、轻、宽、强”等目标发展，即厚度薄、质量轻、吸波频带宽、承载能力强。结构型吸波复合材料采用纤维增强体，进行吸波性能和力学性能综合一体化设计，从而兼具吸波和承载的双重功能，已经成为吸波材料研究领域的一个重要研究方向。多层吸波材料比单层吸波材料可设计自由度大，有利于实现吸波材料尽可能多的吸收入射电磁波，并将其电磁波转换成热能而耗散掉这两个基本要求。因此，多层结构吸波复合材料是当前微波吸收材料设计的热点。
羰基铁粉是一种优良的软磁材料，具有磁导率高、比表面积大、温度稳定性好、吸波频带宽等优点，在无线电通讯、导航定位等各个领域受到青睐，是目前最为常用的电磁波吸收剂之一。碳纳米管是一种性能优异的新型功能材料和结构材料，具有奇特的准一维的孔腔纳米结构，独特的金属或半导体导电性、极高的机械强度、韧性、较大的比表面积(120～300m2/g)、较好的吸附能力、催化特性和较强的微波吸收能力，可应用于多种高科技领域。如催化剂载体、吸波材料、复合材料增强体、储氢材料、分子导线，纳米半导体材料等。
华中科技大学的何燕飞等制备了面层采用二氧化钛，中间层为铁钴磁性微粉和碳纤维，底层为强磁损耗特性的磁性微粉，氢化丁氰橡胶为基体的三层吸波材料(无机材料学报，第21卷，第6期，2006年11月)，在8～18GHz的测试频率范围内， 反射率可以达到-8dB以下，拉伸强度为10.8MPa。大连理工大学的崔晓冬等分别用炭粉和二氧化锰粉体与环氧树脂复合作为面层，底层采用炭粉作为填料制备了双层吸波材料(材料科学与工程学报，第24卷，第5期，2006年10月)，在8～18GHz的测试频率范围内，最大反射率达-28.14dB，但其匹配厚度较厚。上述报导均是研究在8～18GHz的中高频段吸波材料，且都存在吸收频带不够宽，力学强度差的缺点。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种吸收频带宽，力学强度强的宽频带结构型吸波复合材料。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种宽频带多层结构吸波复合材料，其特征在于：包括三部分：自上而下分别为面层、夹心层和底层；所述面层包括羰基铁粉、聚合物和玻璃纤维布，其质量配比为：羰基铁粉20～50％，聚合物30～48％，玻璃纤维布20～32％；所述夹心层包括碳纳米管、聚合物和玻璃纤维布，其质量配比为：碳纳米管2～6％，聚合物56.4～58.8％，玻璃纤维布37.6～39.2％；所述底层包括羰基铁粉、聚合物、玻璃纤维布，其质量配比为：羰基铁粉50～80％，聚合物12～30％，玻璃纤维布8～20％。
一种优选技术方案，其特征在于：所述面层，夹心层和/或底层分别为2-4个复合层。
一种优选技术方案，其特征在于：所述聚合物为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、酚醛树脂、聚丙烯、聚酰亚胺或聚醚酮。
一种优选技术方案，其特征在于：所述羰基铁粉采用平均粒径在0.5～10μm，颗粒的形状为片状、球状的至少一种。
一种优选技术方案，其特征在于：所述碳纳米管采用外径在3～60nm之间，长度分布在100nm～1mm之内的原始单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的至少一种。
一种优选技术方案，其特征在于：所述玻璃纤维布为S玻璃纤维布或E玻璃纤维布。
本发明的另一目的是提供一种上述宽频带多层结构吸波复合材料的制备方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
一种宽频带多层结构吸波复合材料的制备方法，其步骤如下：
(1)按所需形状裁剪玻璃纤维布；
(2)面层的制备：按质量配比为羰基铁粉20～50％，聚合物30～48％，玻璃纤维布20～32％，将羰基铁粉和聚合物一起放入混料机中，使其混合均匀，均匀涂覆在所述重量的玻璃纤维布表面；
(3)夹心层的制备：按质量配比为碳纳米管2～6％，聚合物56.4～58.8％，玻璃纤维布37.6～39.2％，将碳纳米管和聚合物一起放入混料机中，使其混合均匀，均匀涂覆在所述玻璃纤维布表面；
(4)底层的制备：按质量配比为羰基铁粉50～80％，聚合物12～30％，玻璃纤维布8～20％，将羰基铁粉和聚合物一起放入混料机中，使其混合均匀，均匀涂覆在玻璃纤维布表面；
(5)将步骤(2)、(3)、(4)中分别制得的各个涂层按面层、夹心层和底层的顺序叠加，然后压制成型。
一种优选技术方案，其特征在于：所述步骤(2)所述面层的制备，所述步骤(3)所述夹心层的制备和/或所述步骤(4)所述底层的制备分别重复制备2-4个复合层，并分别重叠在一起。
一种优选技术方案，其特征在于：所述聚合物为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、酚醛树脂、聚丙烯、聚酰亚胺或聚醚酮。
一种优选技术方案，其特征在于：所述羰基铁粉采用平均粒径在0.5～10μm，颗粒的形状为片状、球状的至少一种。
一种优选技术方案，其特征在于：所述碳纳米管采用外径在3～60nm之间，长度分布在100nm～1mm之内的原始单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的至少一种。
有益效果：
本发明有如下特点：羰基铁粉作为磁损耗材料具有强磁损耗，碳纳米管是一种密度很小的电介质材料，具有优良的电损耗，将两者进行分层叠加设计，使得复合材料兼具电损耗与磁损耗的优点，复合材料整体输入阻抗与自由空间阻抗差异减小。另外，采用玻璃纤维布作为聚合物基体的增强体，使得这种三层结构吸波复合材料具有面密度低、厚度薄、力学强度高的优点，提高了吸波复合材料的承载性能和工程应用价值。
下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1为本发明实施例1的多层结构吸波复合材料结构示意图。
具体实施方式
实施例1
将平均粒径在3μm片状羰基铁粉40％，环氧树脂36％，加入到高速混合机中，充分混合后，均匀涂覆在两层S玻璃纤维布24％表面，作为面层材料。将外径为10～60nm，长度为1～300μm的多壁碳纳米管5％，环氧树脂57％，加入到高速混合机中，充分混合后，均匀涂覆在两层S玻璃纤维布38％表面，作为夹心层材料。将平均粒径在3μm片状羰基铁粉61％，环氧树脂23.4％，加入到高速混合机中，充分混合后，均匀涂覆在四层S玻璃纤维布15.6％表面，作为底层材料。按面层、夹心层、底层的顺序将各层玻璃纤维布叠加，压制成型后，裁剪成长、宽、高分别为180mm×180mm×4mm的平板材料。
如图1所示，是所制备的成品的吸波复合材料的结构示意图。图中1为面层，2为夹心层，3为底层。
此材料在4.48GHz和13.68GHz出现了两个吸收峰，反射率分别为-11.09dB和-11.69dB。此材料的拉伸强度为180.3MPa，拉伸模量为11.3GPa；弯曲强度为131.5MPa，弯曲模量为9.6GPa；压缩强度为77.9MPa，压缩模量为12.4GPa。
实施例2
将平均粒径在4μm球状羰基铁粉40％，双马来酰亚胺树脂36％，加入到高速混合机中，充分混合后，均匀涂覆在四层S玻璃纤维布24％表面，作为面层材料。将外径为3～25nm，长度为5～400μm的多壁碳纳米管5％，双马来酰亚胺树脂57％，加入到高速混合机中，充分混合后，均匀涂覆在两层S玻璃纤维布38％表面，作为夹心层材料。将平均粒径在4μm球状羰基铁粉61％，双马来酰亚胺树脂23.4％，加入到高速混合机中，充分混合后，均匀涂覆在两层S玻璃纤维布15.6％表面，作为底层材料。按面层、夹心层、底层的顺序将各层玻璃纤维布叠加，压制成型后，裁剪成长、宽、高分别为180mm×180mm×4mm的平板材料。此材料在2.00～4.60GHz范围内均低于-5dB，其中在2.80GHz(S波段)和15.59GHz(Ku波段)出现了两个吸收峰，反射率分别为-7.56dB和-10.83dB。在2～18GHz扫频范围内，低于-5dB的频宽达10.20GHz。此材料的拉伸强度为193.8MPa，拉伸模量为12.7GPa；弯曲强度为171.1MPa，弯曲模量为11.4GPa；压缩强度为86.9MPa，压缩模量为14.1GPa。
实施例3
将平均粒径在3.5μm球状羰基铁粉30％，氰酸酯树脂42％，加入到高速混合机中，充分混合后，均匀涂覆在四层E玻璃纤维布28％表面，作为面层材料。将外径为10～30nm，长度为1～200μm的单壁碳纳米管3％，氰酸酯树脂58.2％，加入到高速混合机中，充分混合后，均匀涂覆在两层E玻璃纤维布38.8％表面，作为夹心层材料。将平均粒径在3.5μm球状羰基铁粉50％，氰酸酯树脂30％，加入到高速混合机中，充分混合后，均匀涂覆在两层E玻璃纤维布20％表面，作为底层材料。按面层、夹心层、底层的顺序将各层玻璃纤维布叠加，压制成型后，裁剪成长、宽、高分别为180mm×180mm×4mm的平板材料。此材料在3.6～18GHz范围内均低于-8dB，其中在5.4GHz(C波段)和15.8GHz(Ku波段)出现了两个吸收峰，反射率分别为-20.41dB和-12.76dB。在2～18GHz扫频范围内，低于-5dB的频宽达14.9GHz。此材料的拉伸强度为100.1MPa，拉伸模量为10.0GPa；弯曲强度为98.3MPa，弯曲模量为1.0GPa；压缩强度为61.7MPa，压缩模量为10.1GPa。
实施例4
将平均粒径在4.5μm片状羰基铁粉20％，酚醛树脂48％，加入到高速混合机中，充分混合后，均匀涂覆在四层E玻璃纤维布32％表面，作为面层材料。将外径为10～30nm，长度为1～200μm的单壁碳纳米管6％，酚醛树脂56.4％，加入到高速混合机中，充分混合后，均匀涂覆在两层E玻璃纤维布37.6％表面，作为夹心层材料。将平均粒径在4.5μm片状羰基铁粉80％，酚醛树脂12％，加入到高速混合机中，充分混合后，均匀涂覆在两层E玻璃纤维布8％表面，作为底层材料。按面层、夹心层、底层的顺序将各层玻璃纤维布叠加，压制成型后，裁剪成长、宽、高分别为180mm×180mm×4mm的平板材料。此材料在2.3～18GHz范围内均低于-5dB，其中在3.8GHz(S波段)和13.2GHz(Ku波段)出现了两个吸收峰，反射率分别为-17.22dB和-24.35dB。此材料的拉伸强度为110.2MPa，拉伸模量为11.0GPa；弯曲强度为105.0MPa，弯曲模量为1.2GPa；压缩强度为65.2MPa，压缩模量为11.3GPa。
实施例5
将平均粒径在3μm球状羰基铁粉30％，聚丙烯42％，加入到高速混合机中，充分混合后，均匀涂覆在两层S玻璃纤维布28％表面，作为面层材料。将外径为3～25nm，长度为5～400μm的多壁碳纳米管5％，聚丙烯57％，加入到高速混合机中，充分混合后，均匀涂覆在两层S玻璃纤维布38％表面，作为夹心层材料。将平均粒径在3μm球 球状羰基铁粉70％，聚丙烯18％，加入到高速混合机中，充分混合后，均匀涂覆在四层S玻璃纤维布12％表面，作为底层材料。按面层、夹心层、底层的顺序将各层玻璃纤维布叠加，压制成型后，裁剪成长、宽、高分别为180mm×180mm×4mm的平板材料。此材料在2～4GHz范围内均低于-5dB，其中在2.4GHz(S波段)，反射率吸收峰达-13.67dB。在2～18GHz扫频范围内，低于-5dB的频宽达6.4GHz。此材料的拉伸强度为90.8MPa，拉伸模量为8.2GPa；弯曲强度为79.8MPa，弯曲模量为1.1GPa；压缩强度为40.1MPa，压缩模量为10.4GPa。
实施例6
将平均粒径在3μm片状羰基铁粉50％，聚酰亚胺30％，加入到高速混合机中，充分混合后，均匀涂覆在两层E玻璃纤维布20％表面，作为面层材料。将外径为10～30nm，长度为1～200μm的单壁碳纳米管2％，聚酰亚胺58.8％，加入到高速混合机中，充分混合后，均匀涂覆在两层E玻璃纤维布39.2％表面，作为夹心层材料。将平均粒径在3μm片状羰基铁粉70％，聚酰亚胺23.4％，加入到高速混合机中，充分混合后，均匀涂覆在四层E玻璃纤维布15.6％表面，作为底层材料。按面层、夹心层、底层的顺序将各层玻璃纤维布叠加，压制成型后，裁剪成长、宽、高分别为180mm×180mm×4mm的平板材料。此材料在2.1～18GHz范围内均低于-5dB，其中在3.4GHz(S波段)，反射率吸收峰达-29.89dB。此材料的拉伸强度为122.1MPa，拉伸模量为10.0GPa；弯曲强度为81.2MPa，弯曲模量为6.7GPa；压缩强度为39.7MPa，压缩模量为10.0GPa。
Claims (10)
1.一种宽频带多层结构吸波复合材料，其特征在于：包括三部分：自上而下分别为面层、夹心层和底层；所述面层包括羰基铁粉、聚合物和玻璃纤维布，其质量配比为：羰基铁粉20～50％，聚合物30～48％，玻璃纤维布20～32％；所述夹心层包括碳纳米管、聚合物和玻璃纤维布，其质量配比为：碳纳米管2～6％，聚合物56.4～58.8％，玻璃纤维布37.6～39.2％；所述底层包括羰基铁粉、聚合物、玻璃纤维布，其质量配比为：羰基铁粉50～80％，聚合物12～30％，玻璃纤维布8～20％。
2.根据权利要求1所述的宽频带多层结构吸波复合材料，其特征在于：所述面层，夹心层和/或底层分别为2-4个复合层。
3.根据权利要求2所述的宽频带多层结构吸波复合材料，其特征在于：所述聚合物为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、酚醛树脂、聚丙烯、聚酰亚胺或聚醚酮。
4.根据权利要求3所述的宽频带多层结构吸波复合材料，其特征在于：所述羰基铁粉采用平均粒径在0.5～10μm，颗粒的形状为片状、球状的至少一种。
5.根据权利要求4所述的宽频带多层结构吸波复合材料，其特征在于：所述碳纳米管采用外径在3～60nm之间，长度分布在100nm～1mm之内的原始单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的宽频带多层结构吸波复合材料，其特征在于：所述玻璃纤维布为S玻璃纤维布或E玻璃纤维布。
7.根据权利要求1-6中任一项所述宽频带多层结构吸波复合材料的制备方法，其步骤如下：
(1)按所需形状裁剪玻璃纤维布；
(2)面层的制备：按质量配比为羰基铁粉20～50％，聚合物30～48％，玻璃纤维布20～32％，将羰基铁粉和聚合物一起放入混料机中，使其混合均匀，均匀涂覆在所述重量的玻璃纤维布表面；
(3)夹心层的制备：按质量配比为碳纳米管2～6％，聚合物56.4～58.8％，玻璃纤维布37.6～39.2％，将碳纳米管和聚合物一起放入混料机中，使其混合均匀，均匀涂覆在所述玻璃纤维布表面；
(4)底层的制备：按质量配比为羰基铁粉50～80％，聚合物12～30％，玻璃纤维布8～20％，将羰基铁粉和聚合物一起放入混料机中，使其混合均匀，均匀涂覆在玻璃纤维布表面；
(5)将步骤(2)、(3)、(4)中分别制得的各个涂层按面层、夹心层和底层的顺序叠加，然后压制成型。
8.根据权利要求7所述宽频带多层结构吸波复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)所述面层的制备，所述步骤(3)所述夹心层的制备和/或所述步骤
(4)所述底层的制备分别重复制备2-4个复合层，并分别重叠在一起。
9.根据权利要求8所述宽频带多层结构吸波复合材料的制备方法，其特征在于：所述聚合物为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、酚醛树脂、聚丙烯、聚酰亚胺或聚醚酮。
10.根据权利要求9所述宽频带多层结构吸波复合材料的制备方法，其特征在于：所述羰基铁粉采用平均粒径在0.5～10μm，颗粒的形状为片状、球状的至少一种；所述碳纳米管采用外径在3～60nm之间，长度分布在100nm～1mm之内的原始单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的至少一种。
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