CN106572622A

CN106572622A - 一种宽频段吸波体及其制备方法

Info

Publication number: CN106572622A
Application number: CN201610945147.7A
Authority: CN
Inventors: 李伟伟; 陈明继; 张忠; 金灏; 曾志辉
Original assignee: National Center for Nanosccience and Technology China
Current assignee: National Center for Nanosccience and Technology China
Priority date: 2016-11-02
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2017-04-19

Abstract

本发明提出一种宽频段吸波体，包括介电层、电阻层和反射层，其中电阻层位于介电层表面，所述反射层位于所述宽频段吸波体的底层，介电层位于反射层上方；所述电阻层为连续层或者由周期性结构重复组成的阵列，所述周期性结构的尺寸为0.01mm‑50mm，周期性结构的形状为点、线段、三角形、四边形、多边形、圆形、椭圆中的一种或多种的组合。本发明提出的宽频段吸波体通过合理的结构设计与计算，厚度薄，吸收频段宽。

Description

一种宽频段吸波体及其制备方法

技术领域

本发明属于吸波材料领域，特别涉及一种微波吸波材料及其制备方法。

背景技术

吸波体能将入射电磁波的电磁能量通过电、磁等感应转换为热能耗散掉，减少电磁波反射，广泛应用于机舰隐身、电磁屏蔽、电磁辐射防护等军事和民用等方面。由于不同的仪器设备工作频率不同，因此宽频段吸波体的研究显得尤为重要。

目前，主要通过引入铁磁系材料(Appl.Phys.Lett.95,023114(2009))或者用多层结构来拓宽吸波频段。例如专利CN 103582400 A提出的宽频吸波超材料虚拟划分为多个周期排列的基本单元，一个基本单元由沿电磁波传播方向依次层叠的第一子单元、第二子单元以及第三子单元构成。专利CN 103715513 A提出的基于亚波长金属结构的宽频吸波材料，自上而下分别由第一基材、第二基材和第三基材组成，所述第一基材上表面覆有周期性排列的矩形金属结构，所述第二基材属于传统吸波材料，所述第三基材上表面覆有周期性排列的“回”字形金属结构。专利CN 102709708 A提出的具有周期结构的电磁吸波材料，包括磁性吸波材料网格和介电材料制成的介质块，磁性吸波材料网格上网孔为通孔。

但是这些材料及方法往往存在厚度大，机械强度低，稳定性差，加工难度高等不足，而且吸波频段也不够宽，因此设计一种能有效拓宽吸波频段，同时厚度薄，加工工艺简单，材料稳定好，可批量制作的宽频段吸波体具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对本领域存在的不足之处，提出一种工艺简单、材料厚度薄、吸收频段宽、稳定性好的宽频段吸波体。

本发明的第二个目的是提出所述宽频段吸波体的制备方法。

实现本发明上述目的的技术方案为：

一种宽频段吸波体，包括介电层、电阻层和反射层，电阻层位于介电层表面，所述反射层位于所述宽频段吸波体的底层，介电层位于反射层上方；

所述电阻层为连续层或者由周期性结构重复组成的阵列，所述周期性结构的尺寸为0.01mm-50mm，周期性结构的形状为点、线段、三角形、四边形、多边形、圆形、椭圆中的一种或多种的组合。

其中，所述电阻层由金属、碳系材料、金属氧化物、合金、导电聚合物中的一种或两种构成，所述电阻层的表面电阻为0.01欧姆-2000欧姆；

所述金属为金、银、铜、铁、铝中的一种或多种的混合物；

所述碳系材料为炭黑、碳纳米管、石墨、石墨烯、氧化石墨中的一种或多种。

本发明可选的技术方案之一为：所述电阻层下附着有基底，所述基底为二氧化硅无机玻璃、硅片、木板、聚四氟乙烯(PTFE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)有机玻璃、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯酸甲酯(PMA)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、普通纸张中一种或多种。

其中，所述介电层的厚度为0.02mm～20mm，介电常数为1～10，介电损耗为0～2。

优选地，所述介电层的厚度为0.05mm-15mm，介电常数为1.1～7，介电损耗为0～1.5。

其中，所述介电层为环氧及其衍生物或其增强体、二氧化硅无机玻璃、聚四氟乙烯(PTFE)、有机玻璃、橡胶、高分子聚合物、硬质泡沫中的一种；

所述反射层由金属、碳纤维、合金等材料类别中的一种或两种以上构成。

更优选地，所述周期性结构的尺寸为0.05mm-30mm。

进一步优选地，所述宽频段吸波体包括1～5层介电层、1～5层电阻层，介电层和电阻层相间布置。

本发明还提出所述的宽频段吸波体的制备方法，其包括步骤：

(1)准备介电层：根据介电常数、介电损耗、厚度的参数要求选取合适的已成型材料或者材料的前驱体溶液，作为介电层，

(2)制作电阻层：选取导电材料，设计周期性结构阵列，在介电层或者基底上形成电阻层；所述电阻层的形成方法为丝网印刷法、凹版印刷法、柔性版印刷法、刮板涂布法中的一种，

(3)制作宽频段吸波体：将介电层、电阻层、全反射层组合，得到宽频段吸波体。

进一步地，所述步骤(2)中，导电材料为金属、碳系材料、混合材料中的一种，所述混合材料为金属与碳系材料、金属氧化物、导电聚合物中的一种按质量比1～10:1的混合物，

所述导电材料的粒径为0.1～100μm，均匀分散于有机溶剂中，在介电层或者基底上形成周期性结构。

所述有机溶剂可以为乙二醇、丙酮、乙醇、NMP中的一种或多种。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明提出的吸波体，可用于制备的材料范围广泛，只要满足拟要求范围内的参数均可使用，降低了材料的成本；

(2)本发明的宽频段吸波体结构简单，制备工艺多样，能快速、批量制作。

(3)本发明的宽频段吸波体能够显著提高材料的稳定性，能够耐温、耐湿、耐腐蚀。

(4)本发明提出的宽频段吸波体通过合理的结构设计与计算，厚度薄，吸收频段宽。

附图说明

图1是本发明实施例1中所述宽频段吸波体的一种结构示意图。

图2是本发明实施例1中宽频段吸波体的反射率曲线。

图3是实施例3的周期性结构示意图。

图4本发明实施例2中宽频段吸波体的反射率曲线。

图5是本发明实施例3和4中宽频段吸波体的反射率曲线。

图例说明：

1、介电层，2、电阻层，3、反射层，4、基底。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如无特别说明，实施例中采用的手段均为本领域公知的技术手段。

实施例1

如附图1所示为本发明的宽频段吸波体的一种示意图，共有3层，包括一个介电层1，一个电阻层2，一个反射层3，其中电阻层附于介电层表面。

本实施例中，介电层1厚度为6mm，介电常数为2.1，介电损耗为0.01，电阻层2周期性结构阵列为多个四边形的组合图形，四边形边长为9mm，材质为铜，表面电阻为160欧姆，形成方式为丝网印刷，反射层3为铝板，整个宽频段吸波体厚度为6.1mm。

上述实施例的宽频段吸波体的制备方法包括以下步骤：

(1)准备介电层：根据介电常数、介电损耗、厚度等参数要求选取聚四氟乙烯板作为介电层。

(2)制作电阻层：金属铜颗粒，粒径在0.1～50微米之间，10g分散于20mL的乙二醇溶剂中，通过丝网印刷形成周期性阵列(丝网的网孔是9×9mm，油墨透过网孔转移到基底表面形成阵列)，然后将获得的电阻层进行干燥处理，蒸发掉溶剂，在介电层表面形成表面电阻为160欧姆的具有周期性结构阵列的电阻层。

(3)制作宽频段吸波体：将介电层、反射层组合，得到宽频段吸波体。

通过上述方法制得的本实施例的宽频段吸波体，在6.8GHz-16GHz频段范围内反射率均小于0.1(见附图2)，在7.5GHz和14GHz处出现两个波谷。

实施例2

本实施例的宽频段吸波体共有4层，包括两个介电层1，一个电阻层2，一个反射层3，其中电阻层附于介电层1表面，位于两个介电层1之间。

本实施例中，介电层1厚度分别为0.2mm和0.25mm，介电常数为4.3，介电损耗为0.02，电阻层2周期性结构阵列为正五边形，边长为0.7mm，材质为银和碳黑组合，质量比是10:1，表面电阻为40欧姆，形成方式为丝网印刷，反射层3为薄的铜层，整个宽频段吸波体厚度为0.46mm。

上述实施例的宽频段吸波体的制备方法包括以下步骤：

(1)准备介电层：根据介电常数、介电损耗、厚度等参数要求选取柔性的增强聚合物作为介电层。

(2)制作电阻层：15g直径0.02-0.2微米的银颗粒和碳黑颗粒均匀分散在15g 1,2丙二醇溶剂中，形成丝网印刷油墨，用丝网印刷机进行印刷，形成周期性结构阵列，再通过干燥处理，形成表面电阻为40欧姆的电阻层。

通过上述方法制得的本实施例的宽频段吸波体，在59GHz-215GHz频段范围内反射率均小于0.1(见附图4)。

实施例3

本实施例的宽频段吸波体共有6层，包括三个介电层1，两个电阻层2，一个反射层3，其中电阻层附于基底4表面，并且分别位于两个介电层1之间，从上向下的顺序为：

介电层(1mm)
	电阻层/基底
介电层(1.5mm)
	电阻层/基底
介电层(2.5mm)
	反射层

本实施例中，从上向下各介电层1厚度分别为1mm，1.5mm，2.5mm，介电常数为4.5，介电损耗为0.05，电阻层2的周期性结构阵列为多种简单图形组合而成的复杂图形(如图3的十字形和四边形组合)，周期为8mm。材质为碳纳米管，表面电阻为190欧姆，形成方式为凹版印刷，基底4为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，反射层3为铜板，整个宽频段吸波体厚度为5.5mm。

上述实施例的宽频段吸波体的制备方法包括以下步骤：

(1)准备介电层：根据介电常数、介电损耗、厚度等参数要求选取增强环氧树脂复合板作为介电层1。

(2)制作电阻层：5g直径在0.01-0.05微米，长度10-50微米的碳纳米管均匀分散在15g N甲基吡咯烷酮中，形成凹版印刷油墨，用雕刻有复杂图形的凹版，在PET薄膜表面进行印刷，形成周期性结构阵列，再通过干燥处理，形成表面电阻为190欧姆的电阻层。

(3)制作宽频段吸波体：将介电层1、电阻层2、反射层3组合，得到宽频段吸波体。

通过上述方法制得的本实施例的宽频段吸波体，在6.3GHz-15.2GHz频段范围内反射率均小于0.1(见图5)。该宽频段吸波体在室温放置2个月之后，其反射率曲线与原始反射率曲线基本重合，可见稳定性较好。

实施例4

本实施例的宽频段吸波体共有8层，包括四个介电层1，三个电阻层2，一个反射层3，导电层附于介电层表面，并分别位于两个介电层1之间。(最上面是介电层，和实施例3类似)。

本实施例中，介电层1厚度分别为1mm，4.5mm，4mm，5mm，介电常数为1.5，介电损耗为0.02，电阻层2的周期性结构为矩形，周期边长为9.5mm，材质为银和聚苯胺按照质量比4:1配成的复合材料；表面电阻为80欧姆，形成方式为喷墨打印，反射层3为碳纤维复合板，整个宽频段吸波体厚度为14.7mm。

上述实施例的宽频段吸波体的制备方法包括以下步骤：

(1)准备介电层：根据介电常数、介电损耗、厚度等参数要求选取硬质泡沫作为介电层1。

(2)制作电阻层：10g直径0.03-0.15微米的银颗粒和聚苯胺颗粒均匀分散在40g异丙醇中，形成喷墨油墨，用喷墨打印机进行印刷，形成周期性结构阵列，再通过干燥处理，形成表面电阻为80欧姆的电阻层。

通过上述方法制得的本实施例的宽频段吸波体，在4GHz-16.6GHz频段范围内反射率均小于0.1(见图5)。该宽频段吸波体在室温放置2个月之后，其反射率曲线与原始反射率曲线基本重合，可见稳定性较好。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种宽频段吸波体，其特征在于，包括介电层、电阻层和反射层，电阻层位于介电层表面，所述反射层位于所述宽频段吸波体的底层，介电层位于反射层上方；

2.根据权利要求1所述的宽频段吸波体，其特征在于，所述电阻层由金属、碳系材料、金属氧化物、合金、导电聚合物中的一种或两种构成，所述电阻层的表面电阻为0.01欧姆-2000欧姆；

所述金属为金、银、铜、铁、铝中的一种或多种的混合物；

3.根据权利要求1所述的宽频段吸波体，其特征在于，所述电阻层下附着有基底，所述基底为二氧化硅无机玻璃、硅片、木板、聚四氟乙烯(PTFE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、有机玻璃、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯酸甲酯(PMA)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、普通纸张中一种或多种。

4.根据权利要求1所述的宽频段吸波体，其特征在于，所述介电层的厚度为0.02mm～20mm，介电常数为1～10，介电损耗为0～2。

5.根据权利要求4所述的宽频段吸波体，其特征在于，所述介电层的厚度为0.05mm-15mm，介电常数为1.1～7，介电损耗为0～1.5。

6.根据权利要求4所述的宽频段吸波体，其特征在于，所述介电层为环氧及其衍生物或其增强体、二氧化硅无机玻璃、聚四氟乙烯(PTFE)、有机玻璃、橡胶、高分子聚合物、硬质泡沫中的一种；

7.根据权利要求1所述的宽频段吸波体，其特征在于，所述周期性结构的尺寸为0.05mm-30mm。

8.根据权利要求4所述的宽频段吸波体，其特征在于，所述宽频段吸波体包括1～5层介电层、1～5层电阻层，介电层和电阻层相间布置。

9.权利要求1～8任一所述的宽频段吸波体的制备方法，其特征在于，包括步骤：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，导电材料为金属、碳系材料、混合材料中的一种，所述混合材料为或金属与碳系材料、金属氧化物、导电聚合物中的一种按质量比1～10:1的混合物，

所述导电材料的粒径为0.01～100μm，均匀分散于有机溶剂中，在介电层或者基底上形成周期性结构。