CN105290421B - 一种s波段吸波材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种S波段吸波材料的制备方法，该方法步骤如下：羰基铁粉在氩气保护下预热；将预热后的羰基铁粉、KH‑560偶联剂、无水乙醇、不锈钢滚珠放入球磨罐中，在卧式行星式球磨机中球磨；球磨后的浆料在40～60℃加热2～3小时进行烘干，即可制得S波段吸波材料。该吸波材料具有良好的吸波性能，根据测得的吸波材料的电磁参量计算，在2.2～2.8GHz的S波段，厚度为2.5mm以下时，反射损耗RL小于‑15dB。该吸波材料原料易得、工艺简单、成本低廉，适合规模化生产。

Description

一种S波段吸波材料的制备方法

技术领域

本发明属于磁性吸波材料领域，具体涉及一种S波段吸波材料的制备方法。

背景技术

近年来，在军事领域，吸波材料在改善电磁兼容性能、防止电磁辐射等都起着重要作用。雷达吸波材料吸收并衰减入射电磁波，减弱反射回波强度，可以降低目标雷达的散射面。因此，应用吸波材料吸收一定频率范围的电磁波，以降低雷达散射面是最有价值的隐身技术手段。

磁性金属微粉吸波材料具有居里温度高、温度稳定性好、在磁性材料中磁化强度最高、微波磁导率较大、介电常数较高等优点，因此在吸波材料领域得到广泛应用。羰基铁粉是磁性金属微粉吸波材料的典型代表，由五羰基合铁分解得到，内部结构呈葱头球形，有利于抑制涡流效应，减小趋肤效应造成的不利影响。羰基铁粉是一种比较常用的传统磁性吸收剂，尽管其密度大、抗氧化及耐酸碱腐蚀性低，但其匹配厚度很小。

羰基铁粉电导率虽然相对其他磁性金属较低，但和其自身磁导率相比，电导率仍然较高，较高的电导率引起的趋肤效应将导致磁导率降低，以致吸波性能下降。因此，可以通过材料改性，或者将羰基铁粉原料由球形或者椭球形结构变成具有各向异性的片状结构，以降低羰基铁粉的电导率从而提升其吸波性能，尤其在S波段(2-4GHz)的吸波性能，以突破吸波材料存在的“低频”瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提供一种S波段吸波材料的制备方法，该吸波材料具有良好的吸波性能，根据测得的吸波材料的电磁参量计算，在2.2～2.8GHz的S波段，厚度为2.5mm以下时，反射损耗RL小于-15dB。该吸波材料原料易得、工艺简单、成本低廉，适合规模化生产。

本发明采用的技术方案为：

一种S波段吸波材料的制备方法，包括如下步骤：

(a)羰基铁粉在氩气保护下预热；

(b)将预热后的羰基铁粉、KH-560偶联剂、无水乙醇、不锈钢滚珠放入球磨罐中，在卧式行星式球磨机中球磨；

(c)球磨后的浆料在40～60℃加热2～3小时进行烘干，即可制得S波段吸波材料。

所述步骤(a)中预热的温度为100～200℃，时间为1～2小时。

所述步骤(b)中，所述卧式行星式球磨机的转速为400～500转/分钟，球磨的时间为8～10小时。

所述羰基铁粉与所述KH-560偶联剂的比值为(80～100)g：(1～2)mL。适量的偶联剂可以对羰基铁粉进行表面改性处理，降低羰基铁粉的介电常数。

所述羰基铁粉与所述无水乙醇的比值为(80～100)g：(200～300)mL。无水乙醇的加入量要控制在此范围内，过多和过少会使球磨浆料过稀或过稠，从而影响球磨的效果。

所述不锈钢滚珠与所述羰基铁粉的质量比为(8～10)：1。

所述不锈钢滚珠由直径为16mm、6mm、3mm的大、中、小三种球形滚珠组成，大、中、小三种球形滚珠的质量比为大：中：小＝(5～10)：(40～45)：50。

所述S波段吸波材料在膜厚为2.5mm以下时，在2.2～2.8GHz的S波段内的反射损耗RL小于-15dB。

本发明在S波段吸波材料的制备过程中，羰基铁粉的预热在氩气的保护下进行，防止其在预热时被空气氧化；

使用不同直径球形滚珠进行球磨，以保证球磨后浆料粒度的均匀性，因为对于初期的粗粉料，大滚珠的球磨效率高，对于中后期的细小粉料中、小滚珠的球磨的效果较好。

球磨的时间控制在8～10小时，因为当低于8小时时，羰基铁粉片状化程度逐渐增加；高于10小时时，片状化完成后的羰基铁粉会出现大量破碎，磁性能反而恶化。

本发明具有以下优点：

1.S波段吸波材料的制备工艺简单、原料易得、成本低廉，适合规模化生产；

2.经球磨方法制备得到的S波段吸波材料的羰基铁粉原料由圆形或椭圆形变成了具有一定长径比的片状结构，从而使吸波材料具有优越的吸波性能。

3.在厚度为2.5mm以下时，在2.2～2.8GHz的S波段内吸波涂层的反射损耗RL小于-15dB，吸波性能较好。

附图说明

图1是本发明S波段吸波材料的制备工艺流程；

图2A是常规形态羰基铁粉原料的扫描电镜照片；

图2B是本发明实施例3球磨10小时后的吸波材料扫描电镜照片；

图3A是常规形态羰基铁粉原料的复介电常数曲线图；

图3B是本发明实施例1球磨8小时后的吸波材料复介电常数曲线图；

图3C是本发明实施例2球磨9小时后的吸波材料复介电常数曲线图；

图3D是本发明实施例3球磨10小时后的吸波材料复介电常数曲线图；

图3E是本发明比较例1球磨5～7小时后的吸波材料复介电常数曲线图；

图3F是本发明比较例2球磨11～13小时后的吸波材料复介电常数曲线图；

图4A是常规形态羰基铁粉原料的复磁导率曲线图；

图4B是本发明实施例1球磨8小时后的吸波材料复磁导率曲线图；

图4C是本发明实施例2球磨9小时后的吸波材料复磁导率曲线图；

图4D是本发明实施例3球磨10小时后的吸波材料复磁导率曲线图；

图4E是本发明比较例1球磨5～7小时后的吸波材料复磁导率曲线图；

图4F是本发明比较例2球磨11～13小时后的吸波材料复磁导率曲线图；

图5A是常规形态羰基铁粉原料的反射损耗曲线图；

图5B是本发明实施例1球磨8小时后的吸波材料反射损耗曲线图；

图5C是本发明实施例1球磨9小时后的吸波材料反射损耗曲线图；

图5D是本发明实施例1球磨10小时后的吸波材料反射损耗曲线图；

图5E是本发明比较例1球磨5～7小时后的吸波材料反射损耗曲线图；

图5F是本发明比较例2球磨11～13小时后的吸波材料反射损耗曲线图。

具体实施方式

本发明所用羰基铁粉、KH-560偶联剂、无水乙醇都是从市场上的销售厂家直接购买得到。

实施例1

一种S波段吸波材料的制备方法，包括如下步骤：

(a)取40g的羰基铁粉原料在氩气保护下，在100℃预热2小时；

(b)将预热好的羰基铁粉、0.5ml KH-560偶联剂、100ml无水乙醇、400g不锈钢滚珠，不锈钢滚珠由直径为16mm、6mm、3mm的大、中、小三种球形滚珠组成，大、中、小三种球形滚珠的质量比为大：中：小＝10：40：50，放入球磨罐密闭后进行球磨，卧式行星式球磨机以500r/min的转速球磨8小时；

(c)取出球磨后的浆料，40℃加热3小时进行烘干，即得到本发明所述的S波段吸波材料。

将本实施例制得的S波段吸波材料与石蜡以质量比85:15为比例，在2～18GHz的范围内，通过矢量网络分析仪测其电磁参数，得到介电常数ε'、ε”和磁导率μ'、μ”图，如图3B和图4B所示。再根据线传输理论计算出膜厚为2.5mm时，吸波涂层的反射损耗RL随频率变化曲线图，如图5B所示。

实施例2

一种S波段吸波材料的制备方法，包括如下步骤：

(a)取45g的羰基铁粉原料在氩气保护下，在150℃预热1.5小时；

(b)将预热好的羰基铁粉、0.5ml KH-560偶联剂、125ml无水乙醇、405g球形不锈钢滚珠，不锈钢滚珠由直径为16mm、6mm、3mm的大、中、小三种球形滚珠组成，大、中、小三种球形滚珠的质量比为大：中：小＝5：45：50，放入球磨罐密闭后进行球磨，卧式行星式球磨机以450r/min的转速球磨9小时；

(c)取出球磨后的浆料，50℃加热2.5小时进行烘干，即得到本发明所述的S波段吸波材料。

将本实施例制得的S波段吸波材料与石蜡以质量比85:15为比例，在2～18GHz的范围内，通过矢量网络分析仪测其电磁参数，得到介电常数ε'、ε”和磁导率μ'、μ”图，如图3C和图4C所示。再根据线传输理论计算出膜厚为2.5mm时，吸波涂层的反射损耗RL随频率变化曲线图，如图5C所示。

实施例3

一种S波段吸波材料的制备方法，包括如下步骤：

(a)取50g的羰基铁粉原料在氩气保护下，在200℃预热2小时；

(b)将预热好的羰基铁粉、0.5ml KH-560偶联剂、150ml无水乙醇、400g球形不锈钢滚珠，不锈钢滚珠由直径为16mm、6mm、3mm的大、中、小三种球形滚珠组成，大、中、小三种球形滚珠的质量比为大：中：小＝7：43：50，放入球磨罐密闭后进行球磨，卧式行星式球磨机以400r/min的转速球磨10小时；

(c)取出球磨后的浆料，60℃加热2小时进行烘干，即得到本发明所述的S波段吸波材料。

将本实施例制得的S波段吸波材料与石蜡以质量比85:15为比例，在2～18GHz的范围内，通过矢量网络分析仪测其电磁参数，得到介电常数ε'、ε”和磁导率μ'、μ”图，如图3D和图4D所示。再根据线传输理论计算出膜厚为2.5mm时，吸波涂层的反射损耗RL随频率变化曲线图，如图5D所示。

比较例1

一种S波段吸波材料的制备方法，制备步骤同实施例1，只是，步骤(b)中球磨时间为5～7小时。

将本实施例制得的S波段吸波材料与石蜡以质量比85:15为比例，在2～18GHz的范围内，通过矢量网络分析仪测其电磁参数，得到介电常数ε'、ε”和磁导率μ'、μ”图，如图3E和图4E所示。再根据线传输理论计算出膜厚为2.5mm时，吸波涂层的反射损耗RL随频率变化曲线图，如图5E所示。

比较例2

一种S波段吸波材料的制备方法，制备步骤同实施例1，只是，步骤(b)中球磨时间为11～13小时。

将本实施例制得的S波段吸波材料与石蜡以质量比85:15为比例，在2～18GHz的范围内，通过矢量网络分析仪测其电磁参数，得到复介电常数ε'、ε”和'磁导率μ'、μ”图，如图3F和图4F所示。再根据线传输理论计算出膜厚为2.5mm时，吸波涂层的反射损耗RL随频率变化曲线图，如图5F所示。

图2A是羰基铁原料球磨前的微观形貌，粉末颗粒形貌呈球形或椭球形；图2B是羰基铁粉球磨10小时后的微观形貌，粉末颗粒形貌改变为具有一定长径比的片状结构。这说明，通过球磨工艺可以使含碳量较高的羰基铁粉变为片状，从而使吸波材料具有优越的吸波性能。

在图3A、图3B、图3C、图3D、图3E和图3F中，横坐标表示频率(单位为GHz)，纵坐标表示复介电常数。由以上的几幅图可以看出：由于偶联剂KH-560的加入，球磨3～5小时后的羰基铁粉的介电常数比羰基铁粉原料降低很多；随着球磨时间的增加，复介电常数的实部逐渐变大，而且增幅越来越快；复介电常数的虚部也逐渐变大，但是在球磨时间较短时增幅并不明显，说明偶联剂KH-560的加入使介电常数实部和虚部急速下降，而随着球磨时间的增加介电常数实部和虚部在逐渐增大。

在图4A、图4B、图4C、图4D、图4E和图4F中，横坐标表示频率(单位为GHz)，纵坐标表示复磁导率。由以上的几幅图可以看出：在球磨初期，复磁导率的实部在低频段逐渐变大，但是增幅并不是很大；在球磨9小时后，复磁导率的实部在低频段有所下降，降幅也不大；随着球磨时间的增加，复磁导率的虚部在低频段保持平稳，稍微有所增加。说明球磨使复磁导率的虚部在低频段有小幅增加，但同磁导率相比，球磨对介电常数的影响更大。

在图5A、图5B、图5C、图5D、图5E和图5F中，横坐标表示频率(单位为GHz)，纵坐标表示反射损耗RL(单位是dB)。如图5A所示，常规形态的羰基铁原料在膜厚为2.5mm时，最大吸收峰在2.86GHz，反射损耗RL最低可达-21.5dB；频率在2.6～3.2GHz窄频宽范围内，可使反射损耗RL<-15dB。

如图5B所示，羰基铁粉在球磨8小时后，膜厚为2.5mm时，最大吸收峰在2.54Ghz，反射损耗RL最低可达-30.57dB；频率在2.2～2.9GHz窄频宽范围内，可使反射损耗RL<-15dB。由于球磨时间增加，粉末形貌已经由原始粉末球状、椭球状转变为片状结构，最大吸收峰向低频移动，从而在2.2～2.8GHz的S频段下具有优越的吸波性能。

如图5C所示，羰基铁粉在球磨9小时后，膜厚为2.5mm时，最大吸收峰在2.38Ghz，反射损耗RL最低可达-25.59dB；频率在2.1～2.8GHz窄频宽范围内，可使反射损耗RL<-15dB。由于球磨时间增加，最大吸收峰继续向低频移动，从而在2.2～2.8GHz的S频段下具有优越的吸波性能。

如图5D所示，羰基铁粉在球磨10小时后，膜厚为2.5mm时，最大吸收峰在2.38GHz，反射损耗RL最低可达-24.47dB；频率在2.2～2.8GHz窄频宽范围内，可使反射损耗RL<-15dB。由于球磨时间差距不明显球磨效果差别不大，对吸波性能影响较小，但是在2.2～2.8GHz的S频段下仍然具有优越的吸波性能。

如图5E所示，羰基铁粉在球磨5～7小时后，膜厚为2.5mm时，最大吸收峰在5.14Ghz，反射损耗RL最低可达-20.2dB；频率在4.6～5.7GHz窄频宽范围内，可使反射损耗RL<-15dB。由于球磨时间有限，原始粉末形貌、尺寸未明显改进，且少量偶联剂加入使粉末分散性较好，导致介电下降而磁导率基本保持不变，反射损耗峰向高频移动，在4.6～5.7GHz窄频宽范围内，具有优越的吸波性能；但是在2.2～2.8GHz的S频段下，与实施例1的图5B相比，吸波性能要差很多。

如图5F所示，羰基铁粉在球磨11～13小时后，膜厚为2.5mm时，最大吸收峰低于2GHz，反射损耗RL在S波段(2～4GHz)均大于-5dB。由于球磨时间过长，导致形成片状的羰基铁粉破碎，产生尺寸更小的片状结构，导致粉体比表面积增加，复介电常数提高较大，最大吸收峰向2GHz以下移动，在2.2～2.8GHz的S频段下，与实施例1的图5B相比，吸波性能要差很多。

综上可见，本发明的实施例和比较例可以通过调整球磨时间来控制最终所制备吸波材料的微观形貌，从而对该吸波材料的电磁参量进行调控，使所制备的吸波材料在2.2～2.8GHz的S频段，吸波涂层膜厚为2.5mm以下时，反射损耗RL<-15dB，具备非常好的吸波性能。

Claims (4)

1.一种S波段吸波材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

（a）羰基铁粉在氩气保护下预热；

（b）将预热后的羰基铁粉、KH-560偶联剂、无水乙醇、不锈钢滚珠放入球磨罐中，在卧式行星式球磨机中球磨；

（c）球磨后的浆料在40~60℃加热2~3小时进行烘干，即可制得S波段吸波材料；

所述步骤（b）中，所述卧式行星式球磨机的转速为400~500转/分钟，球磨的时间为8~10小时；

所述不锈钢滚珠由直径为16mm、6mm、3mm的大、中、小三种球形滚珠组成，大、中、小三种球形滚珠的质量比为大：中：小=（5~10）：（40~45）：50；

所述羰基铁粉与所述KH-560偶联剂的比值为（80~100）g：（1~2 ）mL；

所述羰基铁粉与所述无水乙醇的比值为（80~100）g：（200~300）mL。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（a）中预热的温度为100~200℃，时间为1~2小时。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述不锈钢滚珠与所述羰基铁粉的质量比为（8~10）:1。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述S波段吸波材料在膜厚为2.5mm以下时，在2.2~2.8GHz的S波段内的反射损耗RL小于-15dB。