CN102019427A

CN102019427A - 一种高效吸波粒子、吸波材料及其应用、制备方法

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Publication number: CN102019427A
Application number: CN 201010594851
Authority: CN
Inventors: 吴浩
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2011-04-20

Abstract

一种高效吸波粒子，为空心微粒且微粒的表面有蜂窝状孔洞。一种吸波材料，在基体材料中加入吸波粒子，吸波粒子的加入量为吸波粒子与基体材料总质量的5％～80％，基体材料为涂料、织物、腻子、陶瓷、橡胶及塑料中的一种。本发明所述的吸波粒子作为将电磁能转化为热能的应用。一种吸波粒子的制备方法，先使用化学镀在以铁粉、铝粉或锌粉为基核的表面包覆1纳米～50微米的金、银、铂、钯、镍、钨、钼、铅、铜、锡、钴、镉或其合金层，然后，使用质量百分比浓度为5％～25％的盐酸对包覆后的粉末进行腐蚀，使包覆的金属层因腐蚀而在表面出现孔洞并使基核也被腐蚀溶解，最后，对粉末进行反复清洗后烘干，得到呈空心微粒的吸波粒子。

Description

一种高效吸波粒子、吸波材料及其应用、制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于吸收电磁波的高效吸波粒子、吸波材料及其应用、制备方法。

背景技术

吸波材料在吸波剂的选择方面有铁氧体、磁纳米胶囊、聚苯胺包覆炭黑、导电高分子、碳化硅粉末纳米、石墨-碳纤维等，人们在吸波材料的研究方面进行了许多工作，如以玻璃微珠为基核在表层沉积纳米金属（铜、镍）微粒及TiO₂微粒制得复合材料等。总之，如何提高吸波材料的吸收效率、拓宽对电磁波的吸收频率、并使材料尽可能的比重轻且耐受各种环境考验是人们不断最求的目标。

发明内容

本发明提供一种能够高效吸收电磁波的高效吸波粒子、吸波材料及其应用、制备方法，由本发明制成的涂层或层状材料对电磁波的吸收效率高、且具有比重轻、耐高温、吸收频率宽的特点。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种高效吸波粒子，所述吸波粒子为金属空心微粒，且微粒的表面有蜂窝状孔洞。

本发明所述的一种吸波材料，在基体材料中加入吸波粒子，吸波粒子的加入量为吸波粒子与基体材料总质量的5％～80％，所述的基体材料为涂料、织物、腻子、陶瓷、橡胶及塑料中的一种，所述的吸波粒子为金属空心微粒，且微粒的表面有蜂窝状孔洞。

本发明所述的吸波粒子作为将电磁能转化为热能的应用。

一种吸波粒子的制备方法，先使用化学镀在以铁粉、铝粉或锌粉为基核的表面包覆1纳米～50微米的金、银、铂、钯、镍、钨、钼、铅、铜、锡、钴、镉或其合金层，然后，使用质量百分比浓度为5％～25％的盐酸对包覆后的粉末进行腐蚀，使包覆的金属层因腐蚀而在表面出现孔洞并使基核也被腐蚀溶解，最后，对粉末进行反复清洗后烘干，得到呈空心微粒的吸波粒子。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、吸收效率高

从电磁波的频率和波长考虑，辐射到吸波粒子表面的电磁波会发生反射、衍射等。本发明的吸波粒子的微观结构特点决定其比表面积大幅度增加，电磁波在各微粒金属表面之间持续不规则反射的机会也将大幅度增加，吸波粒子持续不规则的反射将使电磁波携带的能量消耗而被高效转变为热能，表现为吸波粒子温度的升高。

2、比重轻

由于金属微粒内部为空心结构，吸波粒子的堆积比重及含有吸波粒子的涂层都比现在铁粉或铁氧体吸波粒子及制成的涂层的比重小30%以上。

3、耐高温

采取铁氧体和有机高分子做吸波粒子在摄氏200以上可能失效，而本发明的吸波粒子只要将温度控制在吸波粒子制成金属的熔点以下就可以保持对电磁波的吸收能力。

4、对电磁波的吸收频率宽

由于吸波粒子的金属成份、微粒尺寸及表面纳米蜂窝尺寸可以调整，可以找出能适合吸收某一频率范围电磁波的吸波粒子型号（金属成份、微粒尺寸、表面蜂窝尺寸），将多个型号的吸波粒子与环氧树脂等进行均匀混合，就可制成能吸收宽波段电磁波的吸波材料。

附图说明

图1是吸波粒子的结构示意图。

图2是含有吸波粒子的涂层对电磁波吸收的示意图。

图3是对实施列2制备的吸波粒子进行扫描探针显微镜的观测结果。

图4是按CJB2038-94检测方法，对涂覆有含编号为4#吸波粒子涂层的试板进行检测后所得的电磁波反射率结果图。

图5是按CJB2038-94检测方法，对涂覆有含2微米羰基铁粉涂层的试板进行检测后所得的电磁波反射率结果图。

图6是按CJB2038-94检测方法，对涂覆有含编号为1-2吸波粒子涂层的试板进行检测后所得的电磁波反射率结果图。

图7是按CJB2038-94检测方法，对涂覆有含50纳米铁粉涂层的试板进行检测后所得的电磁波反射率结果图。

具体实施方式

实施例1

将粒径2微米的铁粉500克进行以下步骤处理：

超声波除油清洗10分钟——水洗——10%盐酸洗10分钟——化学镀铜2小时——水洗——10%盐酸洗30分钟——水洗——烘干。

超声波清洗液中加入30克/升NaOH，20克/升NaHCO₃，20克/升Na₃PO₄，1克/升OP-10，使粉末表面除油更加彻底。

化学镀铜的工艺为：硫酸铜25克/升，乙二胺四乙酸 30克/升，酒石酸钾钠15克/升，2，2联吡啶10毫克/升，甲醛10毫升/升，用10%NaOH调节PH至11-13，控制温度40-55°C。

将经化学镀铜处理表面包覆铜的粉末加入10%的盐酸中进行腐蚀，使微粒内部的铁被腐蚀溶解，对粉末进行反复清洗后烘干，制成吸收粒子，编号为4#。

实施例2

将粒径50纳米左右的铝粉500克进行以下步骤处理：

超声波除油清洗10分钟——水洗——10%盐酸洗10分钟——化学镀镍3小时——水洗——10%盐酸洗30分钟——水洗——烘干。

超声波清洗液中加入30克/升Na₂CO₃，20克/升NaHCO₃，20克/升Na₃PO₄，1克/升OP-10，使粉末表面除油更加彻底。

化学镀镍的工艺为：硫酸镍25克/升，乳酸20克/升，酒石酸钠15克/升，KIO₃20毫克/升，水合肼15毫升/升，用10%NaOH调节PH至6.5-7.5，控制温度83-88°C。

将经化学镀镍处理表面包覆镍的粉末加入10%的盐酸中进行腐蚀，使微粒内部的铝被腐蚀溶解，对粉末进行反复清洗后烘干，制成吸波粒子，编号为1-2。

对吸波粒子进行扫描探针显微镜的观测，结果见图3。

图3中粒子为外径100纳米左右的微粒，表面布满1-3纳米的孔洞。

实施例3

参照图2和图1，当电磁波A辐射到聚集在一起的吸波粒子时，除非电磁波逃出吸波粒子聚居区，否则将在聚集的吸波粒子表面间被持续反射直至能量彻底消耗殆尽，其电磁能转化为热能被吸波粒子吸收，表现为吸波粒子温度的升高。电磁波A向基体4辐射时，首先在涂层3表面会有部分的反射波C，进入涂层3内部的电磁波将遇到大量的吸波粒子，形成电磁波B，电磁波B在这些粒子各表面之间将发生持续的反射，直至将电磁波的能量消耗殆尽，没有遇到吸波粒子的电磁波A的一部分和没有被消耗的部分电磁波B到达基体4的表面形成反射波，这些反射波又进入涂层3内部，又在吸波粒子表面间发生持续的反射直至能量消耗，只要电磁波不彻底离开涂层表面，在涂层内部运动就极有可能被吸波粒子表面之间持续反射，直至能量耗尽，少部分电磁波逃出涂层3形成电磁波D。被消耗的电磁能被吸波粒子吸收转换为热能表现为吸波粒子温度的升高。

基于上述吸波粒子的工作原理，本发明提出同时微波照射温升测量比较法来快速比较评价吸波粒子或吸波材料。用相同形状和容积的陶瓷甘锅各装同样份量需要比较的材料，先用红外温度计进行温度测量，然后将甘锅放入微波炉、同时放入装有100-1000ml水的烧杯。开启微波炉，并记录时间，当微波炉停止工作时立即打开微波炉取出甘锅，迅速用红外温度计测量甘锅内粉末的温度，并记录。粉末温度升高值越大，则说明该吸收剂对该微波发射频率的微波吸收效率越高。更换微波炉内发射微波的器件以调整微波发射频率，重覆上述测量步骤，就可以比较吸波材料在新的微波频率下的吸收效率高低。

上述方法，避免了测试吸收剂电导率、磁导率、反射率的麻烦，可以快速比较吸收剂对微波吸收效率的高低，从而达到快速筛选评价的目的，对于大批量吸收剂的生产过程，则可用于产品质量的快速监控。

在本实施例中，取四个甘锅，分别装5克粒径2微米羰基铁粉、5克实施列1所制备的4#吸波粒子，5克粒径50纳米的铁粉，5克实施列2所制备的1-2吸波粒子，将四个装有样品的甘锅放入微波炉中，同时放入装有100---500毫升水的烧杯。分别开启微波炉照射，记录时间，待微波炉停止工作后立即取出样品并使用红外温度计测量粉末温度。多次重覆上述过程，测量的记录如下：

表1

通过对表1的比较可知：四种粉末对微波吸收后的温升幅度从好到差排列依次是：1-2吸收粒子、4#吸收粒子、50纳米铁粉、粒径2微米羰基铁粉。因此，可以判断对电磁波吸收从好到差的排列依次是：1-2吸收粒子、4#吸收粒子、50纳米铁粉、粒径2微米铁粉。

实施例4

将4#吸波粒子粉末与环氧树脂及乙二胺按1.5：1：0.1的重量比混合，涂刷到基体4上，固化24小时形成1毫米厚的涂层3，经对试板涂刷前后称重后计算得知涂层的比重为3.5克/立方厘米，所述基体4可以是180毫米长、180毫米宽厚度5毫米的铝板。

按上述实施方法将4#吸波粒子粉末更换为粒径2微米的羰基铁粉作为8#吸收粉末，制成测试样板，经对试板涂刷前后称重计算得知涂层的比重为4.8克/立方厘米。

将1-2吸波粒子粉末与环氧树脂及乙二胺按1：1：0.1的重量比混合，涂刷到基体4上，固化24小时形成1毫米厚的涂层3，经对试板涂刷前后称重后计算得知涂层的比重为3.0克/立方厘米，所述基体4可以是180毫米长、180毫米宽厚度5毫米的铝板。

按上述实施方法将1-2吸波粒子粉末更换为粒径50纳米的铁粉作为2#吸收粉末，制成测试样板，经对试板涂刷前后称重计算得知涂层的比重为4.0克/立方厘米。

按CJB2038-94雷达吸波材料反射率测试方法中的RCS测量法分别对上述试板进行反射率测试，并记录和打印平板材料反射率曲线。测试结果分别从图4、图5、图6、图7可以得知。图中的水平虚线为0 dB，如果测试曲线为0，则说明材料对电磁波完全反射，测试曲线越往下移动，则说明材料在此频段对电磁波的反射率越低，也就证明材料的吸波效果越好。

从图4、图5的测试结果得知，在其它条件相同的情况下，含粒径2微米羰基铁粉的涂层对频率8-12GHz雷达波的反射率最好处仅为-1.47dB，而采用本发明的吸波粒子后，对频率8-12GHZ雷达波的反射率吸收在9.7GHz处为-7.79dB，且在8-12GHz的频率范围内的反射率都在-7db以上。

从图6、图7的测试结果得知，含50纳米铁粉的涂层对频率8-12GHz雷达波的反射率最佳仅为-3.51dB，而采用本发明的吸波粒子的涂层，对频率8-12GHZ的雷达波都有较好的吸收作用，在频率11.4GHz时达到-14.15dB，且在8-12GHz频率范围的反射率都在-5db以上。

当某频率的反射率为-10 dB 时，表示可在该频率减少物体的雷达波反射面积90%。从图4、5、6、7的测试结果可以分析得知，通过改变金属粉体材料的微观结构使其内部为空心的微粒而微粒表面为布满纳米空洞的蜂窝结构，可使材料的电磁波吸收效率大幅度提高。按图4、5、6、7的反射率测试结果对电磁波吸收效果从好到差的排列依次是：1-2吸收粒子、4#吸收粒子、50纳米铁粉、粒径2微米羰基铁粉，与按本发明提出的微波照射温升评价法实际操作的实施列3筛选排列的结果完全一致。

实施例5

一种高效吸波粒子，所述吸波粒子为空心微粒1，且球的表面有蜂窝状孔洞2。

参照图1，图1显示的是内空的壳体，壳体表面布满了孔洞，这些孔洞可以是贯通的、也可以是不贯通的。当电磁波A辐射到聚集在一起的吸波粒子时，除非电磁波逃出吸波粒子聚居区，否则将在聚集的吸波粒子表面间被持续反射直至能量彻底消耗殆尽，其电磁能转化为热能被吸波粒子吸收，表现为吸波粒子温度的升高。

在本实施例中，所述吸波粒子为金、银、铂、钯、镍、钨、钼、铅、铜、锡、钴、镉或其合金空心微粒；空心微粒的粒径为5纳米至150微米，空心微粒的壳层厚度为微粒粒径的1/10—1/3，蜂窝状孔洞的孔径为0.1-10纳米。

实施例6

一种吸波材料，在基体材料中加入吸波粒子，吸波粒子的加入量为吸波粒子与基体材料总质量的5％～80％，所述的基体材料为涂料、织物、腻子、陶瓷、橡胶及塑料中的一种，所述的吸波粒子为空心微粒，且微粒的表面有蜂窝状孔洞，所述吸波粒子为金、银、铂、钯、镍、钨、钼、铅、铜、锡、钴、镉或其合金空心微粒；空心微粒的粒径为5纳米至150微米，空心微粒的壳层厚度为微粒粒径的1/10—1/3，蜂窝状孔洞的孔径为0.1-10纳米，在本实施例中，空心微粒的粒径为5纳米、90纳米或150微米，空心微粒的壳层厚度为微粒粒径的1/10、1/6或1/3，蜂窝状孔洞的孔径为0.1、5或10纳米。

实施例7

一种吸波粒子的制备方法，先使用化学镀在以铁粉、铝粉或锌粉为基核的表面包覆1纳米～50微米的金、银、铂、钯、镍、钨、钼、铅、铜、锡、钴、镉或其合金层，然后，使用质量百分比浓度为5％～25％的盐酸对包覆后的粉末进行腐蚀，使包覆的金属层因腐蚀而在表面出现孔洞并使基核被腐蚀溶解，最后，对粉末进行反复清洗后烘干，得到呈空心微粒的吸波粒子。

包覆过程中，总是按照金属腐蚀电位序来选择基核金属粉末和包覆层金属或合金的成份，确保包覆层金属的腐蚀电位较基核金属的腐蚀电位更高，在腐蚀过程中，由于基核粉末材料表面的微观结构总是凹凸不平，当包覆层金属因腐蚀减薄时，基核材料凸起的那部分将露出来，此时，由于基核金属与包覆金属腐蚀电位的不同而产生电偶腐蚀，保持稳定的腐蚀条件，腐蚀将在裸露的基核材料处优先且持续发生，直至基核金属材料完全腐蚀溶解，最终得到内部空心且表面布满蜂窝状孔洞的粒子。上述粒子对电磁波有极好的吸收效率，可以自由加入能与吸波粒子形成层状结构的基体材料中，如加入涂料、腻子、塑料、橡胶、陶瓷等基体材料中制成层状材料，使这些层状材料具备吸波性而变为吸波材料。

Claims

1.一种高效吸波粒子，其特征在于，所述吸波粒子为空心微粒（1），且微粒的表面有蜂窝状孔洞（2）。

2.根据权利要求1所述的高效吸波粒子，其特征在于，所述吸波粒子为金、银、铂、钯、镍、钨、钼、铅、铜、锡、钴、镉或其合金空心微粒。

3.根据权利要求1或2 所述的高效吸波粒子，其特征在于空心微粒的粒径为5纳米至150微米，空心微粒的壳层厚度为微粒粒径的1/10—1/3，蜂窝状孔洞的孔径为0.1-10纳米。

4.一种吸波材料，其特征在于，在基体材料中加入吸波粒子，吸波粒子的加入量为吸波粒子与基体材料总质量的5％～80％，所述的基体材料为涂料、织物、腻子、陶瓷、橡胶及塑料中的一种，所述的吸波粒子为金属空心微粒，且微粒的表面有蜂窝状孔洞。

5.根据权利要求4所述的吸波材料，其特征在于，所述吸波粒子为金、银、铂、钯、镍、钨、钼、铅、铜、锡、钴、镉或其合金空心微粒。

6.根据权利要求4或5所述的吸波材料，其特征在于，空心微粒的粒径为5纳米至150微米，空心微粒的壳层厚度为微粒粒径的1/10—1/3，蜂窝状孔洞的孔径为0.1-10纳米。

7.一种权利要求1所述吸波粒子作为将电磁能转化为热能的应用。

8.一种权利要求1所述吸波粒子的制备方法，其特征在于，先使用化学镀在以铁粉、铝粉或锌粉为基核的表面包覆1纳米～50微米的金、银、铂、钯、镍、钨、钼、铅、铜、锡、钴、镉或其合金层，然后，使用质量百分比浓度为5％～25％的盐酸对包覆后的粉末进行腐蚀，使包覆的金属层因腐蚀而在表面出现孔洞并使基核也被腐蚀溶解，最后，对粉末进行反复清洗后烘干，得到呈空心微粒的吸波粒子。