CN106350004B - 一种三明治结构型中空复合吸波材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种三明治结构型中空复合吸波材料，由两层三氧化二铁间夹一层二氧化钛构成，成为三氧化二铁/二氧化钛/三氧化二铁的夹层结构；三明治结构的最外层为纳米级γ型三氧化二铁层、中间层为纳米级锐钛矿型二氧化钛层、最内层为纳米级γ型三氧化二铁层；其制备方法包括以下步骤：⑴制备聚苯乙烯微球；⑵制备聚苯乙烯与二氧化钛复合粒子；⑶制备空心二氧化钛球；⑷制备三明治结构型三氧化二铁/二氧化钛/三氧化二铁中空复合吸波材料。本发明的三明治结构型中空复合吸波材料能增强材料的磁导率，有效提升材料的阻抗匹配；能引入介电损耗和磁损耗，有效提高材料整体的吸波性能；对防电磁辐射危害的民品和军事隐身装备的研发具有积极作用。

Description

一种三明治结构型中空复合吸波材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及化合物合成及制备技术领域，具体的说，一种三明治结构型——三氧化二铁/二氧化钛/三氧化二铁中空复合吸波材料及其制备方法。
背景技术
目前，大量的电子器件在给人们的生活带来诸多便利，但是，与此同时也产生了过量的电磁辐射，而这些电磁辐射会对人们的身体健康造成危害。所以，现在有科学家和研究人员在研究高性能的吸波材料来减少这些电磁辐射的危害。此外，吸波材料也是飞机隐身技术的重要部分，因此，对吸波材料的开发也是军事装备领域的一大热点。
按照材料对电磁波的损耗机理，吸波材料可分为电损耗型和磁损耗型两类。所谓电损耗型的材料主要通过与电场的相互作用以及电子极化、界面极化等效应来吸收电磁波，例如石墨烯、碳纳米管、钛酸钡、二氧化钛等材料。所谓磁损耗型材料主要通过磁滞损耗、畴壁共振损耗、涡流损耗来吸收电磁波，如羰基铁、铁氧体等材料。
除了吸波材料外，人们还在研究吸波剂；研究吸波剂与吸波材料的共用。目前看来，单一组分的吸波剂很难满足现代吸波材料的多种要求，而纳米复合吸波剂与多种吸波材料的结合能产生优异性能，大大增强吸波效果。而这些技术还在人们的积极研究之中。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种三明治结构型——三氧化二铁/二氧化钛/三氧化二铁中空复合吸波材料，它通过复合二氧化钛与三氧化二铁纳米粒子，能有效地结合二氧化钛产生的介电损耗与三氧化二铁产生的磁损耗，提升材料的阻抗匹配，同时，空心球壳结构能使入射的电磁波在空腔内部形成多次反射，进一步加强材料的吸波能力，使复合材料的吸波效果大大增强；本发明的第二个目的是，提供所述三明治结构型中空复合吸波材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案。
一种三明治结构型中空复合吸波材料，其特征在于，由两层三氧化二铁之间夹一层二氧化钛构成，成为三氧化二铁/二氧化钛/三氧化二铁的夹层结构；所述三明治结构的最外层为纳米级的γ型三氧化二铁层；所述三明治结构的中间层为纳米级的锐钛矿型二氧化钛层；所述三明治结构的最内层为纳米级的γ型三氧化二铁层。
为实现上述第二目的，本发明采取了以下技术方案。
一种三明治结构型中空复合吸波材料的制备方法，所述三明治结构型是指两层三氧化二铁之间夹一层二氧化钛，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备聚苯乙烯微球
①将聚乙烯吡咯烷酮、去离子水和无水乙醇按质量比1:3～5:15～25混合，然后将它们搅拌均匀；
②将偶氮二异丁腈和苯乙烯按质量比1:15～20加入到步骤①的溶液中，25℃室温下通N2搅拌30分钟，之后加热至70℃反应1.5小时；
③再将甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、苯乙烯和乙醇按质量比1:15～20:70～80加入到步骤②的溶液中，反应24小时，冷却至25℃室温；
④离心分离，用无水乙醇洗涤，25℃室温下干燥，得到聚苯乙烯微球；
（2）制备聚苯乙烯与二氧化钛复合粒子
①将步骤（1）得到的聚苯乙烯微球、氨水和无水乙醇按质量比1:1～2:150～160混合，搅拌1小时；
②逐滴加入钛酸四丁酯溶液，25℃室温下反应24小时；
③将产物离心，用无水乙醇洗涤，25℃室温下干燥，得到聚苯乙烯与二氧化钛复合粒子；
（3）制备空心二氧化钛球
将步骤（2）得到的聚苯乙烯与二氧化钛复合粒子置放于管式炉中，在500℃、空气条件下去除聚苯乙烯，然后冷却至室温，得到锐钛矿型的空心二氧化钛球；
（4）制备三明治结构型三氧化二铁/二氧化钛/三氧化二铁中空复合吸波材料
①将步骤（3）得到的空心二氧化钛球和无水乙醇按质量比1:150～160混合，然后加入适量的九水合硝酸铁和尿素，搅拌过夜；
②将搅拌过夜后的溶液升温至80℃，反应3小时；
③将反应产物离心，用无水乙醇洗涤，25℃室温下干燥；
④将干燥物放置于管式炉中，在300℃、空气条件下煅烧，形成γ型三氧化二铁，最终得到三明治结构型——三氧化二铁/二氧化钛/三氧化二铁中空复合吸波材料。
进一步，步骤（1）②所述的偶氮二异丁腈和苯乙烯，使用前须经过纯化处理。
进一步，步骤（2）①所述氨水的质量分数为28%；步骤（2）②所述的钛酸四丁酯溶液与步骤（2）①所述的聚苯乙烯微球的质量比为2～4:1。
进一步，步骤（3）所述的“在500℃、空气条件下”为：以每分钟1℃的升温速率升温至500℃，然后在500℃温度时保持2小时。
进一步，步骤（4）所述的加入适量的九水合硝酸铁和尿素的控制标准为：将步骤（3）得到的空心二氧化钛球与所述九水合硝酸铁按摩尔比1:1或1:2配制，所述九水合硝酸铁与尿素的质量比为2:1。
进一步，步骤（4）所述的煅烧为：以每分钟1℃的升温速率升温至300℃，然后在300℃温度时保持2小时。
本发明的积极效果是：
1、利用聚苯乙烯微球为模板，形成空腔结构，能有效降低材料的密度，同时，能对入射的电磁波进行多次反射，达到强化吸收的目的。
2、通过水解前驱体法，制备中间层为锐钛矿型二氧化钛，内外两层为γ型三氧化二铁的三明治型夹层结构，一方面能增强材料的磁导率，有效提升材料的阻抗匹配；另一方面能引入介电损耗和磁损耗，有效提高材料整体的吸波性能。
3、本发明在防电磁辐射危害的民用产品开发，在军事装备领域的隐身技术研究中具有积极的作用。
具体实施方式
以下提供本发明一种三明治结构型中空复合吸波材料及其制备方法的具体实施方式，提供2个实施例。但是应该指出，本发明的实施不限于以下的实施方式。
实施例1
一种三明治结构型中空复合吸波材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备聚苯乙烯微球
①向反应容器中依次加入1.5克聚乙烯吡咯烷酮、5毫升去离子水和28.5毫升无水乙醇，然后将它们搅拌均匀。
②依次加入经过纯化处理的0.3克偶氮二异丁腈和经过纯化处理的5.64毫升苯乙烯，25℃室温下通N2搅拌30分钟，之后加热至70℃反应1.5小时。
③再在步骤②的溶液中依次加入经过纯化处理的5.64毫升苯乙烯、28.5毫升乙醇和0.36毫升甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，反应24小时，冷却至25℃室温。
④离心分离，用无水乙醇洗涤，25℃室温下干燥，得到聚苯乙烯微球。
（2）制备聚苯乙烯与二氧化钛复合粒子
①将0.5克步骤（1）得到的聚苯乙烯微球超声分散于100毫升无水乙醇中，再加入1毫升质量分数为28%的氨水，搅拌1小时。
②逐滴加入1.5克钛酸四丁酯溶液，25℃室温下反应24小时。
③将产物离心，用无水乙醇洗涤，25℃室温下干燥，得到聚苯乙烯与二氧化钛复合粒子。
（3）制备空心二氧化钛球
将步骤（2）得到的聚苯乙烯与二氧化钛复合粒子放置于管式炉中，在空气条件下以每分钟1℃的升温速率升温至500℃，然后在500℃温度时保持2小时，去除聚苯乙烯后冷却至室温，得到锐钛矿型的空心二氧化钛球。
（4）制备三明治结构型三氧化二铁/二氧化钛/三氧化二铁中空复合吸波材料
①将0.5克步骤（3）得到的锐钛矿型的空心二氧化钛球超声分散于100毫升无水乙醇中，然后加入5克九水合硝酸铁和2.5克尿素，搅拌过夜。
②将搅拌过夜后的溶液升温至80℃，反应3小时。
③将反应产物离心，用无水乙醇洗涤，25℃室温下干燥。
④将干燥产物放置于管式炉中，在空气条件下煅烧：以每分钟1℃的升温速率升温至300℃，然后在300℃温度时保持2小时，形成γ型三氧化二铁，最终得到二氧化钛与三氧化二铁摩尔比为1:1的三明治结构型三氧化二铁/二氧化钛/三氧化二铁中空复合吸波材料。
实施例1制备的三明治结构型中空复合吸波材料的结构形态为两层三氧化二铁之间夹一层二氧化钛：最外层为纳米级γ型三氧化二铁层；中间层为纳米级锐钛矿型二氧化钛层；最内层为纳米级γ型三氧化二铁层。
对实施例1制备的三明治结构型中空复合吸波材料的测试结果为：
经同轴线传输反射法测试，实施例1制备的三明治结构型中空复合材料的吸波性能优异，在2-18GHz内的反射损耗达到了-49dB，该性能的吸波材料能在民用防辐射材料的研制和军用隐身装备的开发中具有巨大的应用价值。
实施例2
一种三明治结构型中空复合吸波材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备聚苯乙烯微球（同实施例1）。
（2）制备聚苯乙烯与二氧化钛复合粒子（同实施例1）。
（3）制备空心二氧化钛球（同实施例1）。
（4）制备三明治结构型三氧化二铁/二氧化钛/三氧化二铁中空复合吸波材料
基本同实施例1。但与实施例1有不同的是：九水合硝酸铁的加入量为10克，尿素的加入量为5克；最终得到二氧化钛与三氧化二铁摩尔比为1:2的三明治结构型三氧化二铁/二氧化钛/三氧化二铁中空复合吸波材料。
实施例2制备的三明治结构型中空复合吸波材料的结构形态为两层三氧化二铁之间夹一层二氧化钛：最外层为纳米级γ型三氧化二铁层；中间层为纳米级锐钛矿型二氧化钛层；最内层为纳米级γ型三氧化二铁层。
对实施例2制备的三明治结构型中空复合吸波材料的测试结果为：
经同轴线传输反射法测试，实施例2制备的三明治结构型中空复合材料的吸波性能优异，在2-18GHz内的反射损耗达到了-51dB，该性能的吸波材料能在民用防辐射材料的研制和军用隐身装备的开发中具有巨大的应用价值。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明制备方法的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种三明治结构型中空复合吸波材料，其特征在于，由两层三氧化二铁之间夹一层二氧化钛构成，成为三氧化二铁/二氧化钛/三氧化二铁的夹层结构；所述三明治结构的最外层为纳米级的γ型三氧化二铁层；所述三明治结构的中间层为纳米级锐钛矿型二氧化钛层；所述三明治结构的最内层为纳米级的γ型三氧化二铁层。
2.如权利要求1所述的三明治结构型中空复合吸波材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备聚苯乙烯微球
①将聚乙烯吡咯烷酮、去离子水和无水乙醇按质量比1:3～5:15～25混合，然后将它们搅拌均匀；
②将偶氮二异丁腈和苯乙烯按质量比1:15～20加入到步骤①的溶液中，室温(25℃)下通N2搅拌30分钟，之后加热至70℃反应1.5小时；
所述的偶氮二异丁腈和苯乙烯使用前须经过纯化处理；
③再将甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、苯乙烯和乙醇按质量比1:15～20:70～80加入到步骤②的溶液中，反应24小时，冷却至室温(25℃)；
④离心分离，用无水乙醇洗涤，室温(25℃)下干燥，得到聚苯乙烯微球；
(2)制备聚苯乙烯与二氧化钛复合粒子
①将步骤(1)得到的聚苯乙烯微球、氨水和无水乙醇按质量比1:1～2:150～160混合，搅拌1小时；
②逐滴加入钛酸四丁酯溶液，室温(25℃)下反应24小时；
③将产物离心，用无水乙醇洗涤，室温(25℃)下干燥，得到聚苯乙烯与二氧化钛复合粒子；
(3)制备空心二氧化钛球
将步骤(2)得到的聚苯乙烯与二氧化钛复合粒子置放于管式炉中，在500℃、空气条件下——以每分钟1℃的升温速率升温至500℃，然后在500℃温度时保持2小时，去除聚苯乙烯，然后冷却至室温，得到锐钛矿型的空心二氧化钛球；
(4)制备三明治结构型三氧化二铁/二氧化钛/三氧化二铁中空复合吸波材料
①将步骤(3)得到的空心二氧化钛球和无水乙醇按质量比1:150～160混合，然后加入适量的九水合硝酸铁和尿素，搅拌过夜；
②将搅拌过夜后的溶液升温至80℃，反应3小时；
③将反应产物离心，用无水乙醇洗涤，室温(25℃)下干燥；
④将干燥物放置于管式炉中，在300℃、空气条件下煅烧——以每分钟1℃的升温速率升温至300℃，然后在300℃温度时保持2小时，形成γ型三氧化二铁，最终得到三明治结构型——三氧化二铁/二氧化钛/三氧化二铁中空复合吸波材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)①所述氨水的质量分数为28％；步骤(2)②所述的钛酸四丁酯溶液与步骤(2)①所述的聚苯乙烯微球的质量比为2～4:1。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述的加入适量的九水合硝酸铁和尿素的控制标准为：将步骤(3)得到的空心二氧化钛球与所述九水合硝酸铁按摩尔比1:1或1:2配制，所述九水合硝酸铁与尿素的质量比为2:1。
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