CN107360707A - 一种包含石墨烯材料的吸波体结构 - Google Patents

一种包含石墨烯材料的吸波体结构 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种包含石墨烯材料的吸波体结构，该吸波体结构包括金属平板、涂覆于金属平板之上的吸波涂层、设于吸波涂层之上的轻质泡沫层，轻质泡沫层的表面周期性的设有铜线阵列，所述铜线表面包覆有石墨烯复合吸波纤维。

Description

一种包含石墨烯材料的吸波体结构
技术领域
本申请涉及吸波材料技术领域，尤其涉及一种包含石墨烯材料的吸波体结构。
背景技术
目前，随着越来越多的电子设备被开发出来，人们接触各类电子设备的种类越来越多，这些电子设备辐射电磁波到环境中，造成了严重的电磁污染，例如，家用电器产生的电磁波对孕妇产生负面影响，电磁干涉电磁兼容以及一系列危害生物的电磁波污染。
为了避免电磁辐射，吸波材料在信息传播、电子器件等方面得到了广泛应用，随着各种电子设备的应用，满足各种特殊需求的吸波材料也应运而生。
发明内容
本发明旨在提供一种包含石墨烯材料的吸波体结构，以解决上述提出问题。
本发明的实施例中提供了一种包含石墨烯材料的吸波体结构，该吸波体结构包括金属平板、涂覆于金属平板之上的吸波涂层、设于吸波涂层之上的轻质泡沫层，轻质泡沫层的表面周期性的设有铜线阵列，所述铜线表面包覆有石墨烯复合吸波纤维。
优选地，该吸波涂层是由16％质量比例的核壳结构空心玻璃微珠/Fe3O4复合材料和余量的异氰酸酯配置而成；该吸波涂层的厚度为0.4～0.6mm。
优选地，所述石墨烯复合吸波纤维为掺杂有铁纳米线、Fe3O4纳米粒子的石墨烯复合吸波纤维，所述复合吸波纤维主要成分为石墨烯、铁纳米线、Fe3O4纳米粒子。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明的吸波体结构制备工艺简单，可操作性强，成本较低；整个结构主要由轻质泡沫构成，密度较低；具有窄频带吸波的特点；通过合理调整结构的尺寸参数，可以调节吸收峰的位置、频带及幅值大小。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明吸波体结构的结构示意图；
图2是本发明吸波体结构中铜线的结构示意图；
其中，11-金属平板，12-吸波涂层，13-轻质泡沫层，14-铜线，15-石墨烯复合吸波纤维。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本发明的技术方案涉及一种包含石墨烯材料的吸波体结构，如图1、图2所示，该吸波体结构包括金属平板11、涂覆于金属平板之上的吸波涂层12、设于吸波涂层之上的轻质泡沫层13，轻质泡沫层13的表面周期性的设有铜线14阵列，所述铜线14表面包覆有石墨烯复合吸波纤维15。
吸波材料指的是能吸收、衰减入射的电磁波，并将其电磁能转换为热能或其它形式的能量而耗散掉，或使电磁波因干涉而消失的一类材料。吸波材料有结构型和涂覆型，涂覆型主要通过粘结剂、吸附剂等复合而成。在现有技术中，通常采用单独的结构型或涂覆型吸波材料，以达到吸波目的，然而，根据吸波理论，采用多层吸波材料，可以对电磁波进行有效吸收，将结构型和涂覆型吸波材料结合的技术方案不多，本申请的技术方案中，通过采用金属平板、吸波涂层、轻质泡沫层、包覆有复合吸波纤维的铜线段阵列构建了一种多层吸波体结构，在该结构中，通过合理调整结构的尺寸参数，可以调节吸收峰的位置、频带及幅值大小。
优选地，该吸波涂层12是一种双损耗吸波涂层，其是由16％质量比例的核壳结构空心玻璃微珠/Fe3O4复合材料和余量的异氰酸酯配置而成，该吸波涂层12的厚度为0.4～0.6mm。
空心玻璃微珠(HGMs)为一种中空、轻质、粒度均匀的球形颗粒，具有耐高温、耐腐蚀、绝热、绝缘、化学性质稳定、强度高等特性，HGMs常作为复合材料的填料使用，能够降低基体的密度，其本身不具有吸波性能，一般为在其表面包覆一层或几层吸波剂，得到理想的轻质复合吸波材料；Fe3O4是一种电磁波双损耗材料，其既能产生介电损耗也能产生磁损耗，其优点是原料来源广泛价格低廉、制作工艺简单、电阻较高，但传统的单一Fe3O4作为吸波材料，难以满足吸波材料厚度薄、吸收强的综合要求，本申请中，将空心玻璃微珠与Fe3O4复合，通过在空心玻璃微珠表面覆盖一层Fe3O4作为磁性氧化物，一方面，空心玻璃微珠/Fe3O4是一种高电阻率复合材料，从而有利于电磁波与自由空间的阻抗匹配，不会在材料表面产生反射，电磁波大部分能有效进入复合材料内部，从而有利于吸波性能的改善；另一方面，这种特殊的核-壳结构使得电磁波在空腔里面发生多次反射多次吸收，延长了电磁波的传播路径，从而有利于电磁波的损耗。
优选地，铜线14表面的石墨烯复合吸波纤维15为掺杂有铁纳米线、Fe3O4纳米粒子的复合吸波纤维，所述复合吸波纤维主要成分为石墨烯、铁纳米线、Fe3O4纳米粒子，其中，铁纳米线所占质量比为4％，铁纳米线长度为5μm；Fe3O4纳米粒子所占质量比为13％，Fe3O4纳米粒子粒径为100nm；
石墨烯是新的二维碳的同素异形体，自发现伊始就引起了广泛的关注。石墨烯具有已知材料中最高的强度，同时具有优异的导电性和导热性。从而，石墨烯可以作为一种理想的组装单元来制备高性能纤维，气凝胶，薄膜以及纳米复合材料，其中，石墨烯复合纤维在机械性能、导热、导电等性能方面均具有优势；本申请技术方案中，将铁纳米线、Fe3O4纳米粒子与石墨烯复合，制备了石墨烯复合吸波纤维，该石墨烯复合吸波纤维具有显著的高导电性，其包覆在铜线表面，与铜线协同作用，对电磁波产生积极的损耗效果。
本发明还涉及上述吸波体结构的制备过程：
步骤1，制备吸波涂层
a)将HGMs水洗，筛选出直径为50μm，将其放置于0.5M NaOH溶液中保持30min，以清除表面杂质，然后水洗，再烘干备用；
b)取20g上述HGMs，12g NaOH，25ml Fe(CO)5，400ml乙醇胺，30ml水合肼(85％)加入到不锈钢反反应釜中，在160℃保温10～15h，自然冷却到室温，得到黑色沉淀，将其清洗干净，烘干后即得到核壳结构空心玻璃微珠/Fe3O4复合材料；
c)将上述的核壳结构空心玻璃微珠/Fe3O4复合材料和异氰酸酯配置成涂料，涂覆在金属平板，形成吸波涂层，然后在吸波涂层表面再设置轻质泡沫层；
步骤2，制备石墨烯复合吸波纤维
a)在质量浓度为0.3％～3％的氧化石墨烯液晶中加入质量分数为4％的铁纳米线、13％的Fe3O4纳米粒子，以100～1000rpm的搅拌速度搅拌均匀形成氧化石墨烯/铁纳米线/Fe3O4纳米粒子纺丝液溶胶；
b)取上步中所得的氧化石墨烯/铁纳米线/Fe3O4纳米粒子纺丝液溶胶，以1～100mL/h的挤出速度通过直径为5～500μm的纺丝管后，于5～80℃的凝固液中停留1～100s凝固成丝，再洗涤干燥后，得到氧化石墨烯复合吸波纤维；
c)将上步中所得的氧化石墨烯复合吸波纤维纤维置于还原剂中还原0.1～100h后洗涤或者进行热还原后得到石墨烯复合吸波纤维；
步骤3，制备吸波体结构
将上述的石墨烯复合吸波纤维包覆在铜线表面，设置铜线段阵列尺寸，进而形成本发明所述吸波体结构。
下述各实施例中，铜线半径为r，吸波涂层厚度为t，吸波单元边长为a，铜线长度为l，轻质泡沫层厚度为d。
实施例1
上述吸波体结构的制备过程：
步骤1，制备吸波涂层
a)将HGMs水洗，筛选出直径为50μm，将其放置于0.5M NaOH溶液中保持30min，以清除表面杂质，然后水洗，再烘干备用；
b)取20g上述HGMs，12g NaOH，25ml Fe(CO)5，400ml乙醇胺，30ml水合肼(85％)加入到不锈钢反反应釜中，在160℃保温10～15h，自然冷却到室温，得到黑色沉淀，将其清洗干净，烘干后即得到核壳结构空心玻璃微珠/Fe3O4复合材料；
c)将上述的核壳结构空心玻璃微珠/Fe3O4复合材料和异氰酸酯配置成涂料，涂覆在金属平板，形成吸波涂层，然后在吸波涂层表面再设置轻质泡沫层；
步骤2，制备石墨烯复合吸波纤维
a)在质量浓度为0.3％～3％的氧化石墨烯液晶中加入质量分数为4％的铁纳米线、13％的Fe3O4纳米粒子，以100～1000rpm的搅拌速度搅拌均匀形成氧化石墨烯/铁纳米线/Fe3O4纳米粒子纺丝液溶胶；
b)取上步中所得的氧化石墨烯/铁纳米线/Fe3O4纳米粒子纺丝液溶胶，以1～100mL/h的挤出速度通过直径为5～500μm的纺丝管后，于5～80℃的凝固液中停留1～100s凝固成丝，再洗涤干燥后，得到氧化石墨烯复合吸波纤维；
c)将上步中所得的氧化石墨烯复合吸波纤维纤维置于还原剂中还原0.1～100h后洗涤或者进行热还原后得到石墨烯复合吸波纤维；
步骤3，制备吸波体结构
将上述的石墨烯复合吸波纤维包覆在铜线表面，设置铜线段阵列尺寸，进而形成本发明所述吸波体结构。
本实施例所用吸波体结构具体尺寸参数为(单位mm)：r＝0.22，t＝0.4，a＝25，l＝21，d＝5。
本实施例在垂直入射TE或TM波情况下，在9GHz附近有较强的吸波性能，该结构在5GHz达到最强吸波效果，反射系数为-23dB。其反射率小于-10dB的频段为7.8-9.7GHz。
实施例2
上述吸波体结构的制备过程：
步骤1，制备吸波涂层
a)将HGMs水洗，筛选出直径为50μm，将其放置于0.5M NaOH溶液中保持30min，以清除表面杂质，然后水洗，再烘干备用；
b)取20g上述HGMs，12g NaOH，25ml Fe(CO)5，400ml乙醇胺，30ml水合肼(85％)加入到不锈钢反反应釜中，在160℃保温10～15h，自然冷却到室温，得到黑色沉淀，将其清洗干净，烘干后即得到核壳结构空心玻璃微珠/Fe3O4复合材料；
c)将上述的核壳结构空心玻璃微珠/Fe3O4复合材料和异氰酸酯配置成涂料，涂覆在金属平板，形成吸波涂层，然后在吸波涂层表面再设置轻质泡沫层；
步骤2，制备石墨烯复合吸波纤维
a)在质量浓度为0.3％～3％的氧化石墨烯液晶中加入质量分数为4％的铁纳米线、13％的Fe3O4纳米粒子，以100～1000rpm的搅拌速度搅拌均匀形成氧化石墨烯/铁纳米线/Fe3O4纳米粒子纺丝液溶胶；
b)取上步中所得的氧化石墨烯/铁纳米线/Fe3O4纳米粒子纺丝液溶胶，以1～100mL/h的挤出速度通过直径为5～500μm的纺丝管后，于5～80℃的凝固液中停留1～100s凝固成丝，再洗涤干燥后，得到氧化石墨烯复合吸波纤维；
c)将上步中所得的氧化石墨烯复合吸波纤维纤维置于还原剂中还原0.1～100h后洗涤或者进行热还原后得到石墨烯复合吸波纤维；
步骤3，制备吸波体结构
将上述的石墨烯复合吸波纤维包覆在铜线表面，设置铜线段阵列尺寸，进而形成本发明所述吸波体结构。
本实施例所用吸波体结构具体尺寸参数为(单位mm)：r＝0.22，t＝0.5，a＝25，l＝21，d＝5。
本实施例在垂直入射TE或TM波情况下，在11GHz附近有较强的吸波性能，该结构在11GHz达到最强吸波效果，反射系数为-27dB。其反射率小于-10dB的频段为8.4-12.3GHz。
实施例3
上述吸波体结构的制备过程：
步骤1，制备吸波涂层
a)将HGMs水洗，筛选出直径为50μm，将其放置于0.5M NaOH溶液中保持30min，以清除表面杂质，然后水洗，再烘干备用；
b)取20g上述HGMs，12g NaOH，25ml Fe(CO)5，400ml乙醇胺，30ml水合肼(85％)加入到不锈钢反反应釜中，在160℃保温10～15h，自然冷却到室温，得到黑色沉淀，将其清洗干净，烘干后即得到核壳结构空心玻璃微珠/Fe3O4复合材料；
c)将上述的核壳结构空心玻璃微珠/Fe3O4复合材料和异氰酸酯配置成涂料，涂覆在金属平板，形成吸波涂层，然后在吸波涂层表面再设置轻质泡沫层；
步骤2，制备石墨烯复合吸波纤维
a)在质量浓度为0.3％～3％的氧化石墨烯液晶中加入质量分数为4％的铁纳米线、13％的Fe3O4纳米粒子，以100～1000rpm的搅拌速度搅拌均匀形成氧化石墨烯/铁纳米线/Fe3O4纳米粒子纺丝液溶胶；
b)取上步中所得的氧化石墨烯/铁纳米线/Fe3O4纳米粒子纺丝液溶胶，以1～100mL/h的挤出速度通过直径为5～500μm的纺丝管后，于5～80℃的凝固液中停留1～100s凝固成丝，再洗涤干燥后，得到氧化石墨烯复合吸波纤维；
c)将上步中所得的氧化石墨烯复合吸波纤维纤维置于还原剂中还原0.1～100h后洗涤或者进行热还原后得到石墨烯复合吸波纤维；
步骤3，制备吸波体结构
将上述的石墨烯复合吸波纤维包覆在铜线表面，设置铜线段阵列尺寸，进而形成本发明所述吸波体结构。
本实施例所用吸波体结构具体尺寸参数为(单位mm)：r＝0.22，t＝0.6，a＝25，l＝21，d＝5。
本实施例在垂直入射TE或TM波情况下，在12GHz附近有较强的吸波性能，该结构在12GHz达到最强吸波效果，反射系数为-24dB。其反射率小于-10dB的频段为10.2-14.5GHz。
以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种包含石墨烯材料的吸波体结构，其特征在于，该吸波体结构包括金属平板、涂覆于金属平板之上的吸波涂层、设于吸波涂层之上的轻质泡沫层，轻质泡沫层的表面周期性的设有铜线阵列，所述铜线表面包覆有石墨烯复合吸波纤维。
2.根据权利要求1所述的一种包含石墨烯材料的吸波体结构，其特征在于，该吸波涂层是由16％质量比例的核壳结构空心玻璃微珠/Fe3O4复合材料和余量的异氰酸酯配置而成。
3.根据权利要求2所述的一种包含石墨烯材料的吸波体结构，其特征在于，该吸波涂层的厚度为0.4～0.6mm。
4.根据权利要求1所述的一种包含石墨烯材料的吸波体结构，其特征在于，所述石墨烯复合吸波纤维为掺杂有铁纳米线、Fe3O4纳米粒子的石墨烯复合吸波纤维，所述复合吸波纤维主要成分为石墨烯、铁纳米线、Fe3O4纳米粒子。
5.根据权利要求4所述的一种包含石墨烯材料的吸波体结构，其特征在于，所述石墨烯复合吸波纤维中，铁纳米线所占质量比为4％。
6.根据权利要求5所述的一种包含石墨烯材料的吸波体结构，其特征在于，所述铁纳米线长度为5μm。
7.根据权利要求4所述的一种包含石墨烯材料的吸波体结构，其特征在于，所述石墨烯复合吸波纤维中，Fe3O4纳米粒子所占质量比为13％。
8.根据权利要求7所述的一种包含石墨烯材料的吸波体结构，其特征在于，所述Fe3O4纳米粒子粒径为100nm。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的一种包含石墨烯材料的吸波体结构，其特征在于，该吸波体结构的制备过程：
步骤1，制备吸波涂层
a)将HGMs水洗，筛选出直径为50μm，将其放置于0.5M NaOH溶液中保持30min，以清除表面杂质，然后水洗，再烘干备用；
b)取20g上述HGMs，12g NaOH，25ml Fe(CO)5，400ml乙醇胺，30ml水合肼(85％)加入到不锈钢反反应釜中，在160℃保温10～15h，自然冷却到室温，得到黑色沉淀，将其清洗干净，烘干后即得到核壳结构空心玻璃微珠/Fe3O4复合材料；
c)将上述的核壳结构空心玻璃微珠/Fe3O4复合材料和异氰酸酯配置成涂料，涂覆在金属平板，形成吸波涂层，然后在吸波涂层表面再设置轻质泡沫层；
步骤2，制备石墨烯复合吸波纤维
a)在质量浓度为0.3％～3％的氧化石墨烯液晶中加入质量分数为4％的铁纳米线、13％的Fe3O4纳米粒子，以100～1000rpm的搅拌速度搅拌均匀形成氧化石墨烯/铁纳米线/Fe3O4纳米粒子纺丝液溶胶；
b)取上步中所得的氧化石墨烯/铁纳米线/Fe3O4纳米粒子纺丝液溶胶，以1～100mL/h的挤出速度通过直径为5～500μm的纺丝管后，于5～80℃的凝固液中停留1～100s凝固成丝，再洗涤干燥后，得到氧化石墨烯复合吸波纤维；
c)将上步中所得的氧化石墨烯复合吸波纤维纤维置于还原剂中还原0.1～100h后洗涤或者进行热还原后得到石墨烯复合吸波纤维；
步骤3，制备吸波体结构
将上述的石墨烯复合吸波纤维包覆在铜线表面，设置铜线段阵列尺寸，进而形成本发明所述吸波体结构。
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CN110804772A (zh) * 2019-11-21 2020-02-18 台州市旭泓服饰有限公司 一种电磁屏蔽纺织物用核壳型纤维及制备方法
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