CN104845044B - 一种由纳米石墨粉体制备的涂覆式吸波材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种由纳米石墨粉体制备的涂覆式吸波材料及其制备方法。该材料由吸波剂及粘结剂二部分组成，其吸波剂是指纳米石墨粉体，重量百分比含量为1％～75％；粘结剂是指树脂、橡胶及塑料中的至少一种，重量百分比含量为25％～99％。本发明具有如下优点：首先，纳米石墨粉体比重小，其摇实密度为0.6～1.0g/cm3；其次耐腐蚀性好，纳米石墨粉体可以耐海水及多种酸碱介质的腐蚀。纳米石墨粉体所具有的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应，使其具有优异的吸波性能。通过调整吸波剂的颗粒度、配比浓度及涂覆厚度，可以得到不同波段的吸波涂料；该吸波材料重量轻，涂层簿，分散性能良好，吸波性能强，质量稳定可控，制备工艺简单易行，可满足不同的隐身需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种由吸波剂纳米石墨粉体和粘结剂共同组成而制备成吸波材料的方法，属于吸波材料技术领域。
背景技术
随着电子技术的飞速发展,未来战场上的各种武器系统面临着严峻的威胁,隐身技术作为陆、海、空、天、电磁五位一体的要素之一，是提高武器系统生存和突防能力,也是提高总体作战效能的有效手段,受到世界各军事大国的高度重视。高速发展的隐身技术，被称之为军事科学的三大成就之一(外加激光武器、巡航导弹)。而作为隐身技术的最重要组成部分，新型隐身材料的研究和应用则是隐身技术的发展的重要基础和关键。
雷达波吸波材料是隐身材料中发展最快应用最为广泛的材料,它的作用是将投射到它表面的电磁波能量，通过自身的损耗转变为热量及其它能量而消耗掉，大大降低电磁波的反射率，进而产生隐身效果。而制造吸波材料的关键是要有性能优异的雷达波吸收剂,它是吸波材料核心。先进的吸波材料是航空航天、兵器制造及舰艇等军事装备中必不可少的重要材料，对提高武器装备的生存和突防能力有着决定性的意义。
在吸波材料应用方面，“轻、薄、强、宽”(涂层薄，重量轻，吸波强，吸波频带宽)一直是吸波材料的研制方向和目标。采用纳米技术，制备纳米材料及纳米复合材料，是研制新型吸波材料的热点之一。
研究表明纳米粒子所具有的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特殊性质使纳米粉体具有一系列特异的物理、化学性能。如由于纳米粒子尺寸远小于红外波及雷达波波长，因此纳米材料对这种波的透过率比常规材料要高得多，使红外探测器和雷达接收到的反射信号极少；同时，纳米粒子的比表面积比常规粉体材料大3～4个数量级，使纳米材料表面存在大量悬挂键，使得界(表)面极化强,这种表面效应在微波场的辐射下,使原子、电子运动加剧,促使电磁能转化为热能,从而产生强烈的吸波效应；此外，量子尺寸效应的存在也使纳米粒子的电子能级发生分裂，而分裂的能级间隔正处于微波的能级范围(10-2ev～10-5ev)，从而成为纳米材料新的吸波通道；而高的比表面积能造成多重散射,大大降低了雷达波的反射，因此纳米材料对红外波和电磁波的吸收率也比常规材料高得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，起到了“隐身”作用。
目前，作为吸波剂研究及报道的纳米碳材料有纳米碳管(参考文献[1]:卿玉长，周万成等，无机材料学报，第25卷第三期，181～185页，2010年2月；赵东林，沈曾明等，无机材料学报，第20卷第二期，608～612页，2005年5月)、石墨烯(参考文献[2]:张晓林，博士论文(哈尔滨工业大学)，2011；李国显，王涛，薛海荣等，航空学报，第32卷第九期，1732～1739，2011)、纳米碳纤维(参考文献[3]:邹田春,赵乃勤,师春生，功能材料与器件学报，第13卷第1期，54～58，2007)以及由上述三种纳米碳材料与各种磁性材料所组成的复合吸波材料(参考文献[4]:黄琪惠，张豹山，唐东明等，无机化学学报，10，2077～2082，2012；李敏，硕士论文(天津大学)，2012)。由报道可见，采用纳米碳材料及其复合材料所制备的吸波剂均显示出良好的吸波性能，其缺点是这些纳米碳材料制备工艺复杂(纳米碳纤维)，成本高(石墨烯及纳米碳管)，甚至目前无法产业化制备。而关于采用纳米石墨粉体作为吸波剂的报道却没有报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种由纳米石墨粉体为吸波剂，将石墨材料的吸波性能与纳米材料的多种性能相结合，制备具有重量轻、耐腐蚀、吸波性能强和吸波频带宽的先进吸波材料。
本发明的技术方案如下：
本发明吸波材料是由吸波剂及粘结剂二部分组成，其吸波剂是指纳米石墨粉体，重量百分比含量为1％～75％；其粘结剂是指树脂、橡胶及塑料中的一种，重量百分比含量为25％～99％。
本发明所述的纳米石墨粉体是指颗粒尺寸(颗粒度)为5～500nm之间的石墨粉体材料。优选颗粒度25～100nm。
本发明所述的树脂为环氧树脂、酚醛树脂或丙烯酸树脂等中的一种；橡胶为丁苯橡胶、丁基橡胶或三元乙丙橡胶等中的一种；塑料为聚乙烯、聚丙烯或聚氨酯等中的一种。
本发明提供了一种吸波材料的制备方法，该方法按如下步骤进行：
首先取出纳米石墨粉体，将其进行干燥处理；然后将纳米石墨粉体与粘结剂一起加入到混料机中，使其均匀混合；然后根据施工需要，采取喷涂、刷涂或者压制成型等方法，制备出所需的吸波材料。
本发明具有如下优点：本发明采用纳米石墨粉体为吸波材料，正是将纳米粒子所具有的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特殊性质与石墨材料的吸波性能相结合，制备出了具有重量轻、耐腐蚀、吸波性能强和吸波频带宽等特点的吸波材料。测试表明，纳米石墨粉体是一种综合性能优异的吸波材料。纳米石墨粉体比重与粘结剂相差小，容易与粘结剂混合而不产生分层现象；同时，由于采用了纳米技术，大大提高了吸波剂的吸波性能；通过改变吸波剂的颗粒度、吸波剂与粘结剂的比例及涂覆厚度，可以制成不同波段的吸波材料。所制备的吸波材料具有重量轻、耐腐蚀、吸波性能强和吸波频带宽等特点，是一种先进的吸波材料。
附图说明
图1为实施例1吸波性能测试结果图；
图2为实施例2吸波性能测试结果图；
图3为实施例3吸波性能测试结果图；
图4为实施例4吸波性能测试结果图；
图5为实施例5吸波性能测试结果图；
图6为实施例6吸波性能测试结果图；
图7为实施例7吸波性能测试结果图；
图8为实施例8吸波性能测试结果图；
图9为实施例9吸波性能测试结果图；
图10为实施例10吸波性能测试结果图；
图11为实施例11吸波性能测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
将经干燥处理后的纳米石墨粉体(颗粒度为100nm)与聚丙烯混合，其中纳米石墨粉体重量百分比为1％，聚丙烯重量百分比为99％，经混合机均匀混合之后，采用刷涂方式制备出20cm×20cm×2mm的薄片。此薄片测试最大反射率为-3dB(见图1)。
实施例2：
将经干燥处理后的纳米石墨粉体(颗粒度为100nm)与环氧树脂混合，其中纳米石墨粉体重量百分比为5％，环氧树脂重量百分比为95％，经混合机均匀混合之后，采用刷涂方式制备出20cm×20cm×2mm的薄片。此薄片在16.16GHz出现一个峰值，反射率为-11.92dB，其中小于-10dB的吸波频宽为4.1GHz(见图2)。
实施例3：
将经干燥处理后的纳米石墨粉体(颗粒度为200nm)与环氧树脂混合，其中纳米石墨粉体重量百分比为15％，环氧树脂重量百分比为85％，经混合机均匀混合之后，采用刷涂方式制备出20cm×20cm×2mm的薄片。此薄片在12.64GHz出现一个峰值，反射率为-15dB，其中小于-10dB的吸波频宽为3.8GHz(见图3)。
实施例4：
将经干燥处理后的纳米石墨粉体(颗粒度为60nm)与丁基橡胶混合，其中纳米石墨粉体重量百分比为25％，丁基橡胶重量百分比为75％，经混合机均匀混合之后，采用刷涂方式制备出20cm×20cm×2mm的薄片。此薄片在10.45GHz出现一个峰值，反射率为-16.32dB，其中小于-10dB的吸波频宽为2.28GHz(见图4)。
实施例5：
将经干燥处理后的纳米石墨粉体(颗粒度为50nm)与环氧树脂混合，其中纳米石墨粉体重量百分比为30％，环氧树脂重量百分比为70％，经混合机均匀混合之后，采用刷涂方式制备出20cm×20cm×2mm的薄片。此薄片在14.08GHz出现一个峰值，反射率为-10.65dB，其中小于-10dB的吸波频宽为5.9GHz(见图5)。
实施例6：
将经干燥处理后的纳米石墨粉体(颗粒度为30nm)与聚乙烯混合，其中纳米石墨粉体重量百分比为35％，聚乙烯重量百分比为65％，经混合机均匀混合之后，采用刷涂方式制备出20cm×20cm×2.5mm的薄片。此薄片在13.36GHz出现一个峰值，反射率为-14.82dB，其中小于-10dB的吸波频宽约为9.5GHz(见图6)。
实施例7：
将经干燥处理后的纳米石墨粉体(颗粒度为25nm)与聚丙烯混合，其中纳米石墨粉体重量百分比为45％，聚乙烯重量百分比为55％，经混合机均匀混合之后，采用刷涂方式制备出20cm×20cm×2.5mm的薄片。此薄片在14.03GHz出现一个峰值，反射率为-20.11dB，其中小于-10dB的吸波频宽约为12GHz(见图7)。
实施例8：
将经干燥处理后的纳米石墨粉体(颗粒度为30nm)与环氧树脂混合，其中纳米石墨粉体重量百分比为55％，环氧树脂重量百分比为45％，经混合机均匀混合之后，采用刷涂方式制备出20cm×20cm×2.5mm的薄片。此薄片出现二个反射峰值，在8.40GHz出现第一个峰值，反射率为-18.39dB，在15.31GHz出现第二个峰值，反射率为-28.24dB，其中小于-10dB的吸波频宽约为15GHz(见图8)。
实施例9：
将经干燥处理后的纳米石墨粉体(颗粒度为25nm)与环氧树脂混合，其中纳米石墨粉体重量百分比为60％，环氧树脂重量百分比为40％，经混合机均匀混合之后，采用刷涂方式制备出20cm×20cm×3mm的薄片。此薄片出现二个反射峰值，在6.40GHz出现第一个峰值，反射率为-16.59dB，在16.83GHz出现第二个峰值，反射率为-33.37dB，其中小于-10dB的吸波频宽约为14GHz(见图9)。
实施例10：
将经干燥处理后的纳米石墨粉体(颗粒度为25nm)与环氧树脂混合，其中纳米石墨粉体重量百分比为65％，环氧树脂重量百分比为35％，经混合机均匀混合之后，采用刷涂方式制备出20cm×20cm×3mm的薄片。此薄片出现三个反射峰值，在7.56Hz出现第一个峰值，反射率为-17.88dB，在15.37GHz出现第二个峰值，反射率为-36.46dB，在16.56GHz出现第三个峰值，反射率为-35.69dB，其中小于-10dB的吸波频宽约为15GHz(见图10)。
实施例11：
将经干燥处理后的纳米石墨粉体(颗粒度为500nm)与酚醛树脂混合，其中纳米石墨粉体重量百分比为75％，酚醛树脂重量百分比为25％，经混合机均匀混合之后，采用刷涂方式制备出20cm×20cm×3.5mm的薄片。此薄片出现二个反射峰值，在8.37Hz出现第一个峰值，反射率为-18.28dB；在15.27GHz出现第二个峰值，反射率为-28.25dB，其中小于-10dB的吸波频宽约为11.6GHz(见图11)。
本发明采用纳米石墨粉体比重小，其摇实密度为0.6～1.0g/cm3；耐腐蚀性好，纳米石墨粉体可以耐海水及多种酸碱介质的腐蚀。纳米石墨粉体所具有的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应，使其具有优异的吸波性能。通过调整吸波剂的颗粒度、配比浓度及涂覆厚度，可以得到不同波段的吸波涂料；该吸波材料重量轻，涂层簿，分散性能良好，吸波性能强，质量稳定可控，制备工艺简单易行，可满足不同的隐身需求。上述的吸波材料中，纳米石墨粉的重量百分比进一步优选为55％～75％，粘结剂优选为环氧树脂和酚醛树脂，并且重量百分比进一步优选为25％～45％。
Claims (2)
1.一种由纳米石墨粉体制备的涂覆式吸波材料，其特征为该材料由吸波剂与粘结剂组成，吸波剂是指纳米石墨粉体，其重量百分比含量为55％～75％之间；粘结剂是指树脂、橡胶及塑料中的一种，重量百分比含量为25％～45％之间；所述的纳米石墨粉体颗粒度为5～500nm；所述的树脂为环氧树脂、酚醛树脂或丙烯酸树脂中的一种；所述的橡胶为丁苯橡胶、丁基橡胶或三元乙丙橡胶中的一种；所述的塑料为聚乙烯、聚丙烯或聚氨酯中的一种；最大反射率达到-36.46dB～-3dB之间，小于-10dB的吸波频宽为4.1GHz～15GHz。
2.根据权利要求1所述的一种由纳米石墨粉体制备的涂覆式吸波材料的制备方法，其特征是该方法按如下步骤进行：首先取出吸波剂纳米石墨粉体，纳米石墨粉体颗粒度为5～500nm；将纳米石墨粉体进行干燥处理，吸波剂重量百分比含量为55％～75％之间，粘结剂重量百分比含量为25％～45％之间，按照配比将吸波剂与粘结剂一起加入到混料机中，使其均匀混合，最后根据施工需要，采取喷涂、刷涂或者压制成型方法，制备出所需的吸波材料；所述吸波材料的厚度为2mm～3.5mm。
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