CN106163247A

CN106163247A - 一种宽频域吸波材料

Info

Publication number: CN106163247A
Application number: CN201610565522.5A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Fujian Star New Mstar Technology Ltd
Current assignee: Fujian Star New Mstar Technology Ltd
Priority date: 2016-07-18
Filing date: 2016-07-18
Publication date: 2016-11-23

Abstract

本发明提出一种宽频域吸波材料，包括基体，其特征在于：该基体中具有多个微碳线圈；该微碳线圈占吸波材料总重的0.5%‑10%，该微碳线圈具有一种或多种长度以实现对不同频域电磁波的吸收效果，本发明的最优条件是，该微碳线圈具有在10微米至5毫米之间的多种长度，各微碳线圈的螺旋直径与螺距之比在1：1‑5之间，碳丝直径与螺旋直径在1：5‑10之间。本发明还涉及具有多层结构的宽频域吸波材料，包括基体，其特征在于：该基体具有至少一个主材层和至少一个辅材层，该主材层如上所述。本发明提供对空间电磁辐射进行有效吸收的根本性解决方案，具有吸波频域宽、效率高、材质轻薄、成本低廉、适合量化生产等优点。

Description

一种宽频域吸波材料

技术领域

本发明属于电磁屏蔽及吸收技术领域，具体涉及一种宽频域吸波材料。

背景技术

随着生活水平的提高，各式各样的电器出现在普通家庭中，如冰箱、洗衣机、手机、无线路由器等，随之而来的除了生活上的便利外，还有就是电磁辐射困扰；即使少用或不用电器，我们所生活的空间仍然充斥着各种频率的电磁辐射，这些电磁辐射来源于户外的高压送电线、变电站、变压器、通信基站、通讯卫星等。理论上，但凡有用到电的装置、机器都会产生一定的电磁辐射，这些形形式式的电磁辐射就像空气一般存在于我们身边，不仅是对人体，还有对精密电子仪器都存在危害。据调查，手机电磁辐射会对将近百分之六十的近距离医疗器械产生影响，造成其误动作。因此广播电视发射台的电磁辐射防护，微波暗室消除设备和通讯和导航系统的电磁干扰，安全信息保密，工业科学和医疗设备等对电磁波吸收材料有强烈的需求。

作为解决方案，人们提出了许多电磁波遮蔽材料和电磁波吸收材料来屏蔽空间中的外来电磁辐射。目前所广泛使用的电磁辐射屏蔽技术几乎都是利用高导电性的金属材料薄板对电磁辐射进行反射，阻止其直接进入屏蔽范围内，但反射后的电磁辐射仍存在于空间当中，显然这并不是防护电磁辐射的根本性对策，很需要真正的电磁波吸收材料，国内外常用的吸收材料是铁氧体，但是随着科技的革新性发展，如高速道路交通系统ITS等通信设备、无线网络、各种媒体机器设备、电脑等的高速化，雷达SAR、电子自旋共振装置ESR、高速公路违章车辆自动控制系统ORBIS、固定卫星通讯、汽车防冲突装置ITS、汽车内部的电磁波污染防护系统、车载雷达等对吸波材料的性能要求也日益提高，都要求能提供宽频域的吸波技术。飞机和船舶的隐形技术以及伪像防止等反隐形技术、侦察探测、通信技术领域，数百MHz到上百GHz的宽频高性能新型吸波材料的研究开发成为关注的热点。

现有技术中的吸波剂主要包括铁氧体吸波材料、碳纤维结构吸波材料、纳米吸波材料、多晶铁纤维吸波材料和导电高聚物吸波材料等，但这些吸波材料的介电参数和磁导率很难在较宽的频带上实现无反射要求，存在着频带窄、只能实现20GHz以下频段吸收、效率低、密度大等诸多缺点，其应用范围受到一定限制，由其制得的吸波材料的吸波性能不佳。

发明内容

基于背景技术中所提及的问题，本发明提出一种宽频域吸波材料，提供对空间电磁辐射进行有效吸收的根本性解决方案，具有吸波频域宽、效率高、材质轻薄、成本低廉、适合量化生产等优点，其具体技术内容如下：

一种宽频域吸波材料，包括基体，该基体中具有多个微碳线圈，该微碳线圈占吸波材料总重的0.5％-10％，该微碳线圈具有一种或多种尺寸以实现对不同频域电磁波的吸收效果，该尺寸包括对微碳线圈的长度、螺距、螺旋直径、碳线直径中一个或多个参数的调整。

于本发明的一个或多个实施例当中，该微碳线圈具有在10微米至5毫米之间的多种长度。

于本发明的一个或多个实施例当中，各微碳线圈的螺旋直径与螺距之比在1∶1-5之间，碳丝直径与螺旋直径在1∶5-10之间。

于本发明的一个或多个实施例当中，该微碳线圈占吸波材料重量的1％-3％。

于本发明的一个或多个实施例当中，该微碳线圈上具有导电性镀层。

于本发明的一个或多个实施例当中，该基体中具有若干辅剂，该些辅剂包括颗粒碳、棒状碳、金属粉末、金属片、铁氧体中的一种或多种，该些辅剂各自的添加量占吸波材料总重的0.1％-8％。

于本发明的一个或多个实施例当中，该金属粉末添加前经纳米胶囊化处理使吸波材料整体不致于呈现金属特征，减小金属对电磁波的反射，提高阻抗匹配。

于本发明的一个或多个实施例当中，该基体具有金属层。

一种宽频域吸波材料，包括基体，该基体包括至少一个主材层和至少一个辅材层；该主材层为如权利要求1至5任意一项所述的宽频域吸波材料，该辅材层内具有包括颗粒碳、棒状碳、金属粉末、金属片、铁氧体中的一种或多种辅剂，各辅材层中辅剂的添加量占该层总重的0.1％-8％，其中，该金属粉末添加前经纳米胶囊化处理。

于本发明的一个或多个实施例当中，该基体还包括金属底层。

本发明与现有技术相比，其优越性体现在：本发明的微碳线圈利用其三维螺旋结构在电磁场中产生磁感电动势，最终以热能的形式将能量释放以达至高效吸收电磁波的效果。这不同于现有的将电磁辐射反射回空间的方案，而是从根本上实现对电磁辐射进行吸收转化，且最优吸收效率达99％以上。同时，微碳线圈的三维结构对任意方向的电磁辐射都能实现高效吸收，且可以做到让吸波材料两面开放，让电磁辐射充分进入，如若应用于电器上，不仅几乎屏蔽电器外部的所有电磁辐射，而且电器内部产生的电磁辐射也能被吸收，能够为室内营造更佳的低电磁辐射环境，甚至无电磁辐射环境。

本发明无论从技术性、实用性还是经济性上看，均是具备卓越性的产品，适合推广使用。

附图说明

图1为本发明的宽频域吸波材料实施例一结构示意图。

图2为本发明的宽频域吸波材料的微碳线圈显微构造示意图一。

图3为本发明的宽频域吸波材料的微碳线圈显微构造示意图二。

图4为本发明的宽频域吸波材料的微碳线圈等效电路示意图。

图5为本发明的宽频域吸波材料实施例二结构示意图。

图6为本发明的宽频域吸波材料实施例三结构示意图。

图7为本发明的宽频域吸波材料实施例四结构示意图。

图8为本发明的宽频域吸波材料实施例五结构示意图。

图9为本发明的宽频域吸波材料的电磁波吸收率测试数据图表一。

图10为本发明的宽频域吸波材料的电磁波吸收率测试数据图表二。

图11为本发明的宽频域吸波材料的电磁波吸收率测试数据图表三。

图12为本发明的宽频域吸波材料的电磁波吸收率测试数据图表四。

图13为本发明的宽频域吸波材料的电磁波吸收率测试数据图表五。

具体实施方式

如下结合附图，对本申请方案作进一步描述：

实施例一：

参照附图1，一种宽频域吸波材料，包括基体1，该基体1中具有多个微碳线圈2，该微碳线圈2占吸波材料总重的0.5％-10％，该微碳线圈2具有一种或多种尺寸以实现对不同频域电磁波的吸收效果，具体的，该微碳线圈2具有在10微米至5毫米之间的多种长度，优选实施范围是0.5-3毫米；各微碳线圈2的螺旋直径与螺距之比在1∶1-5之间，碳丝直径与螺旋直径在1∶5-10之间；特别地，本实施例中采用的较佳方案是：该微碳线圈2占吸波材料总重的1％-3％。

参见附图2-3，该微碳线圈2在电子显微镜下的形态，可以看到该微碳线圈线是规则螺旋体，且具有明显的螺距，这对吸波效果的实现与吸收频域的调整有重要意义。

该微碳线圈2具有三维螺旋结构，且具有电阻R、电容C和电感L特性(等效电路参见附图4)，由法拉第电磁感应定律可得知，处于变化磁场中导体线圈会产生诱导电动势，继而产生电流，本发明正是巧妙地应用了该物理现象，使微碳线图2在电磁场中产生磁感电动势，最终由自身电阻以热能的形式将能量释放，微碳线圈2由于其手性材料特征，其诱电率和透磁率大，比一般的诱电损耗和磁性损耗材料对电磁波的衰减效果更为明显，入射直线偏波电磁波(具有水平、垂直分量)变成左右两个园偏波(左旋转、右旋转)，并在微碳线圈2中产生反射/散乱损耗而使电磁波进一步减衰，通过调节手型参数(线圈螺距P和线圈直径D_C之比以及线圈直径和线丝直径D_f之比)可使材料无反射，这是从根本上实现对电磁辐射进行吸收转化，且最优吸收效率达99％以上，这和铁氧体的电磁屏蔽原理有着本质的不同。

同时，吸波材料的两面均可让电磁辐射进入，如若应用于电器上，不仅几乎屏蔽电器外部的所有电磁辐射，而且电器内部产生的电磁辐射也能被吸收，能够为室内营造更佳的低电磁辐射环境，甚至无电磁辐射环境。

根据反射系数计算公式

其中，R为反射系数，Zin为界面处波阻抗，Z₀为空气阻抗，μ为磁导率，ε为介电常数；当Z_in＝Z₀时，R＝0，即该材料与自由空间波阻抗达匹配，这样电磁波的反射为零。可以通过选择基体材料、微碳线圈的尺寸形态(相当于选择磁导率和介电常数)，以调整吸波材料与所在空间的阻抗匹配，以达到更高的吸波效率。

电磁波吸收材料的综合评价指数(e)，用下面式子表示

e＝△Fλ/fdW；

其中，△F是-20dB以上的频率带域、λ是波长、f频率、d是吸收体的厚度、W是薄层吸收材料的重量。市场上的薄层吸收材料(铁氧体)的综合指数一般是e＝4.6～5.5，而且本发明吸波材料的综合指数可达e＝6.5以上，表现为非常优异的吸波性能。

微碳线圈属于手性材料，调节手性参数可使材料无反射，其与普通材料相比，有两个优势：一是调整手性参数比调整介电参数和磁导率容易；二是手性材料的频率敏感性比介电常数和磁导率小，容易实现宽频吸收。迄今为止，还未发现天然的在微波范围内起作用的手性材料，这是因为微波波长与材料的分子尺寸相差较大的缘故。用于军事上雷达隐身的手性材料都是人工合成的，这是由于只有与入射波长尺寸相近的手性材料才能与入射波相作用，因此基体种掺杂的手性物质须与微波波长有同量级的特征尺寸。

实施例二：

参照附图5，在上述实施例一的基础上，该基体1中还具有若干辅剂，该些辅剂包括颗粒碳3(该颗料碳3可以是炭黑、石墨粉或由本发明的微碳线圈粉碎所得碳粉)、棒状碳4(该棒状碳4可以是纳米碳棒、气相生长直碳纤维)、铝碎片5和铁氧体6，该些辅剂各自的添加量占吸波材料重量的0.1％-8％，其中，铁氧体6般添加量为占吸波材料重量的5％，其余辅助这些辅剂(颗粒碳3、棒状碳4、铝碎片5)添加量为1％为佳。

上述成分的添加，铁氧体提高电感L，增加磁损耗；碳粉和碳棒则由于与微碳线圈搭接而影响电阻R，增加电损耗；基体则是对电容C作出贡献，增加介电损耗；由该些成分共同构成共振系统，从整体上加强LCR共振；此外，该辅剂均为导体，其与微碳线圈2接触或搭接于若干微碳线圈2之间会改变微碳线圈2的LCR特性，从而影响LC共振频率，所以LCR共振不仅进一步扩宽吸收频域或提升一定频域内吸波效率，而且增加吸收峰数目。同时，考虑到让电磁波尽可能多地入射至吸波材料内部，这要求材料表面的反射系统尽可能低；根据反射系数计算公式，将该金属粉末等在添加前采取纳米胶囊化处理等手段，以调整吸波材料与所在空间的阻抗匹配，以达到更高的吸波效率。

本发明不仅是以单个微碳线圈起作用，还是多个微碳线图和多个辅助材料单元通过LCR共振连携起作用，所以在尺寸上和电磁波的尺寸相似，因此能达到宽带域内的高吸收率。LCR共振回路对电磁波的共振频率产生很大电磁诱导作用，产生很大诱导电动势，从而形成诱导电流，由LCR电子回路的R成分变成热能。从而，照射在微碳线圈的电磁波的电场和磁场能量在其共振带域内能够高效率地转换成热能。

实施例三：

参照附图6，在上述实施例一的基础上，该基体1呈薄片状，其底面设有金属层7，金属层7会对电磁波进行反射，令即将穿越基体1的电磁波反射回微碳线圈2和其它辅剂，进行二次、三次甚至多次的吸收；当将本实施例的吸波材料附于电子仪器表面，首先将有效减小残余电磁波回到大气当中，其次也杜绝了残余电磁波穿越吸波材料进入电子仪器内部。同样，也可以在实施例二的基础上设置金属层，在此不一一细述。

实施例四：

参照附图7，一种宽频域吸波材料，其包括基体，该基体包括主材层101a和101b，辅材层102a、102b、102c和102d；

该主材层101a和101b分别内具有多个微碳线圈2，该微碳线圈2占该主材层总重的0.5％-10％，该微碳线圈2具有一种或多种尺寸以实现对不同频域电磁波的吸收效果，具体的，该微碳线圈2具有在10微米至5毫米之间的多种长度，各微碳线圈2的螺旋直径与螺距之比在1∶1-5之间，碳丝直径与螺旋直径在1∶5-10之间；特别地，本实施例中采用的较佳方案是：该微碳线圈2占吸波材料总重的1％-3％；

该辅材层102a内具有棒状碳4，该辅材层102b内具有铝碎片5，该辅材层102c内具有铁氧体6颗粒，该辅材层102d内具有颗粒碳3，各辅材层中辅剂的添加量占该层重量的0.1％-8％，其中，铁氧体6般添加量为占吸波材料重量的5％，其余辅助这些辅剂(颗粒碳3、棒状碳4、铝碎片5)添加量为1％为佳。

实施例五：

参见附图8，在上述实施例四的基础上，基体还设有金属底层103。金属底层103会对电磁波进行反射，令即将穿越基体的电磁波反射回微碳线圈2和其它辅剂，进行二次、三次甚至多次的吸收；当将本实施例的吸波材料附于电子仪器表面，首先将有效减小残余电磁波回到大气当中，其次也杜绝了残余电磁波穿越吸波材料进入电子仪器内部。

在上述各实施例中，该基体为高分子复合物，包括聚氨酯基体、硅氧烷基体、多种热塑性弹性体的共聚物，或其它具有弹性而且容易成型的树脂基体，例如，日本信越KE系列硅氧烷基体(如KE-103，KE-109)、Kuraray公司的Septon树脂、大日本油墨化学(株)的液体环氧树脂EXA-5850-150、市售树脂型乳胶漆等。

此外，微碳线圈2、金属粉末在添加前经纳米胶囊化处理可使吸波材料整体不致于呈现金属特征，减小金属对电磁波的反射，提高阻抗匹配；例如，在微碳线圈2上镀设碳层，能有效增强对1GHz以下频段的电磁波吸收；参见附图9，把镀碳膜的微碳线圈2分散在环氧树脂中，将其装在长方体盒子里面，用探针法(Probe method)测试，在400-900MHz领域有90％以上的吸收率。而在微碳线圈2上镀设镍(Ni)层，可以增加材料的磁损，提升对电磁波的衰减性能。

以下为本发明的吸波性能的验证数据：

一、微碳线圈的长度与吸波效率的关系

参见附图10，分别以0.01-0.5mm和0.6-1.1mm长度的微碳线圈作对10GHz波段电磁波吸收率测试，测试采用自由空间法测定电磁波的吸收率：

图中，曲线a为0.6-1.1mm长度的微碳线圈吸波率的理论数据，曲线c为0.6-1.1mm长度的微碳线圈吸波率的实测数据；曲线b为0.01-0.5mm长度的微碳线圈吸波率的理论数据，曲线d为0.01-0.5mm长度的微碳线圈吸波率的实测数据；

从数据曲线可以得知，0.6-1.1mm长度的微碳线圈吸波率实值和理论值基本一致，显示在10至10.2GHz范围有32dB以上数值，且在9-11GHz都有20dB以上的吸收；而0.01-0.5mm长度的微碳线圈在该波段范围则呈弱吸收，这说明该微碳线圈的对某一波段电磁的波吸收率与其长度相关。

二、微碳线圈的掺杂量与吸波效率的关系

参见附图11，图中列举出微碳线圈含量为0.1％、0.5％、1％、1.5％、5％和10％的测试数据曲线，可以看到含量过低(0.1％-0.5％)和含量过高(6％以上)同样难以起到较佳吸波效果，一般以1％至3％的掺杂比重较为合适，特别地在1％左右具最较佳的吸波效果。

三、辅剂对吸波效率的影响

参见附图12，辅剂加入至单层或多层复合的基体材料当中，并于8-30GHz频段进行试验；图中，“---”曲线为仅包含微碳线圈时的吸波率数据，“-”曲线包含微碳线圈和多种辅剂(颗粒碳、棒状碳、铝碎片中的一种或多种)时的吸波率数据；可以看出微碳线圈基础上添加辅剂，在8-30GHz频段内吸波带得到明显的扩宽。

四、微碳线圈与普通碳粉吸波效果的比较

参见附图13，单纯以微碳线圈或普通碳粉掺入基体制成吸波材料，图中曲线a、b、和c分别是市面几种普通碳粉的电磁波吸波曲线，曲线A和B分别是不同形态的微碳线圈的吸波曲线，可以看到，微碳线圈具有显著的吸波效应(有着-20dB以上的吸收数值)和较宽吸波带域，且对某一频率具有明显的吸收波峰，将近-25dB的吸收数值，其由该微碳线圈的尺寸：长度、螺距、螺旋直径、碳线直径-所决定)，而普通的碳粉由于不具备线圈形态，所以吸波效应并不显著。

五、以下列举本发明的微碳线圈与其它碳材料的吸波测试数据

1)低频段测试；具体是在0-14GHz频段范围用导波管法进行测试，基体采用硅橡胶材质，碳材料比重5％，列举如下测试数据：

由上述数据可以看出，在该频段范围内，普通碳材料的吸波效果较差，甚至基本不呈吸波效果；本发明的微碳线圈均呈现有较佳的吸波性能，且由其长度与对应波段波长相接近，吸波效率也得到明显提升。

2)高频段测试；具体是在12-110GHz用自由空间法测定，基体采用聚氨酯PU、或信越聚硅氧烷KE、或聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，基体厚度3mm；

参与测试的其它吸波材料：石墨粉GC、直线碳纤维CF、铁氧体Fer；具体由如下成分组合来进行测试：

配方1：GC 3％/PU；(GC由微碳线圈粉碎至1微米以下颗粒，不具有线圈形状)

配方2：CF 3％/PU；(CF为直线型碳纤维，不具有线圈形状)

配方3：长微碳线圈/PU(长度为300-500μm，比重为1％)

配方4：短微碳线圈/PU(长度小于90μm，比重为1％)

配方5：长微碳线圈/KE(长度为300-500μm，比重为1％)

配方6：长微碳线圈/PMMA(长度为300-500μm，比重为1％)

配方7：短微碳线圈/PU//长微碳线圈/PMMA(表示为双层复合，层与层之间用//表示；短微碳线圈的长度小于90μm，比重为1.5％；长微碳线圈的长度为300-500μm，比重为1％)

配方8：短微碳线圈/CF/PU//长微碳线圈/GC/PMMA(表示为双层复合，层与层之间用//表示；短微碳线圈的长度小于90μm，比重为1.5％；长微碳线圈的长度为300-500μm，比重为1%)

配方9：短微碳线圈/CF/Fer/PU//长微碳线圈/GC/Fer/PMMA(表示为双层复合，层与层之间用//表示；短微碳线圈的长度小于90μm，比重为1.5％；长微碳线圈的长度为300-500μm，比重为1%)

其中，上述长微碳线圈和短微碳线圈中的“长”和“短”是相对的概念，以实现对微码线圈长度的区分。

具体的测试数据见下表：

由上述数据可以看出，在高频频段范围内，普通碳材料表现为基本不吸收，而本发明的微碳线圈均呈现有较佳的吸波性能，且可以较为直观地看出：不同长度的微碳线圈在对应波段的波长相接近时，吸波效率得到明显提升；多种辅剂添加(如GC、CF、Fer)、多个吸收层均对吸波材料的整体吸收效果产生有积极的影响。

上述优选实施方式应视为本申请方案实施方式的举例说明，凡与本申请方案雷同、近似或以此为基础作出的技术推演、替换、改进等，均应视为本专利的保护范围。

Claims

1.一种宽频域吸波材料，包括基体，其特征在于：该基体中具有多个微碳线圈,该微碳线圈占吸波材料总重的0.5%-10%，该微碳线圈具有一种或多种尺寸以实现对不同频域电磁波的吸收效果，该尺寸包括对微碳线圈的长度、螺距、螺旋直径、碳线直径中一个或多个参数的调整。

2.根据权利要求1所述的宽频域吸波材料，其特征在于：该微碳线圈具有在10微米至5毫米之间的多种长度。

3.根据权利要求1或2所述的宽频域吸波材料，其特征在于：各微碳线圈的螺旋直径与螺距之比在1：1-5之间，碳丝直径与螺旋直径在1：5-10之间。

4.根据权利要求1或2所述的宽频域吸波材料，其特征在于：该微碳线圈占吸波材料重量的1%-3%。

5.根据权利要求1或2所述的宽频域吸波材料，其特征在于：该微碳线圈上具有导电性镀层。

6.根据权利要求1所述的宽频域吸波材料，其特征在于：该基体中具有若干辅剂，该些辅剂包括颗粒碳、棒状碳、金属粉末、金属片、铁氧体中的一种或多种，该些辅剂各自的添加量占吸波材料总重的0.1%-8%。

7.根据权利要求6所述的宽频域吸波材料，其特征在于：该金属粉末添加前经纳米胶囊化处理使吸波材料整体不致于呈现金属特征，减小金属对电磁波的反射，提高阻抗匹配。

8.根据权利要求1所述的宽频域吸波材料，其特征在于：该基体具有金属层。

9.一种宽频域吸波材料，包括基体，其特征在于：该基体包括至少一个主材层和至少一个辅材层；该主材层为如权利要求1至5任意一项所述的宽频域吸波材料，该辅材层内具有包括颗粒碳、棒状碳、金属粉末、金属片、铁氧体中的一种或多种辅剂，各辅材层中辅剂的添加量占该层总重的0.1%-8%，其中，该金属粉末添加前经纳米胶囊化处理。

10.根据权利要求9所述的宽频域吸波材料，其特征在于：该基体还包括金属底层。