CN107474618A - 一种高温电磁波吸收剂、吸波涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温电磁波吸收剂，该高温电磁波吸收剂呈现软磁性能，且居里温度高于700℃。本发明还公开了由所述的高温电磁波吸收剂和粘结剂复合得到的吸波涂层，所得吸波涂层工作温度高于400℃，吸波性能较常温状态降低量小于20％。因此，所述吸波涂层能够充分满足通讯、雷达探测等军用和民用耐高温吸波材料的应用需求，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种高温电磁波吸收剂、吸波涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料领域，具体地涉及一种高温电磁波吸收剂、吸波涂层及其制备方法。
背景技术
为了解决电磁波辐射干扰、电磁污染和飞行器隐身问题，利用吸波材料来将电磁波能量转化为其他形式的能量或者通过电磁波的干涉相消作用，来抑制电磁波的辐射和干扰意义重大。按照工作温度划分，吸波材料可分为常温吸波和高温吸波材料两类。在发动机、航空器和特别工作环境下，需求耐高温吸波材料。常温吸波材料大都采用磁损耗型吸收剂比如铁氧体、羰基铁粉等，在常温下具有好的吸收效能。因为大部分磁性吸收剂的居里温度较低，在高温情况下无法实现电磁波的有效吸收。而采用具有较高工作温度的电损耗型吸收剂，仅依靠材料电损耗吸收电磁波，因吸收效率低要求高温吸波材料具有较大的厚度。
申请号为201010590137.9的中国发明专利文献公开了一种复合耐高温吸波涂层材料，该复合耐高温吸波涂层材料由磷酸二氢铝、氧化镁、氧化铝、结晶硅组成，采用介电型氧化物实现高温电磁波吸收。
申请号为201610892299.5的中国发明专利文献公开了一种耐高温吸波涂层，采用上下界面涂覆隔热阻氧层实现了350℃的电磁波有效吸收。
申请号为CN201510187494.3的中国发明专利文献公开了一种耐高温吸波材料及其制备方法，采用短切碳纤维复合石英纤维等制备了耐高温吸波材料，在3.5mm情况下8～18GHz实现低于-8dB的吸收性能。
为了实现高温吸波材料的高效能和薄层化，本领域急需开发一种新型的兼具高居里温度和优良磁电特性的高温吸波剂及其复合吸波材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于制备兼具高温、薄层和高效等特点的电磁波吸收剂、吸波涂层及其制备方法。
本发明的第一方面，提供一种高温电磁波吸收剂，所述高温电磁波吸收剂为组成如式(I)所示的金属粉体，
RaCobMc (I)
其中，R选自以下的稀土元素：Y、Pr、Nd、Er、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm和Lu中的一种或其任意组合；
M选自以下元素：Ni、Fe、Mn、Al、Ga、Ti、Mo、Cu和Nb中的一种或其任意组合；
且按式(I)所示组成的原子总数计，R的原子个数百分含量a为10-30％，Co的原子个数百分含量b为45-90％，M的原子个数百分含量c为0-43％，具有该组成成分的金属粉体易于生成磁晶各向异性为平面型的物相。
作为优选，按式(I)所示组成的原子总数计，R的原子个数百分含量a为15-25％，Co的原子个数百分含量b为75-90％，M的原子个数百分含量c为10-15％，在该优选范围内，由于Co元素的含量较高，从而生成的物相具有较高的居里温度。
所述的高温电磁波吸收剂呈现软磁特征，居里温度高于700℃，金属粉体的粒径为1-10μm。
作为优选，所述的高温电磁波吸收剂居里温度高于800℃，金属粉体的粒径为2-6μm，能够满足在高温下仍然保留较高数值的磁导率，进而能够保证吸波性能较常温状态降低量在可控范围内。
本发明的第二方面，提供了一种吸波涂层，所述吸波涂层包括上述的高温电磁波吸收剂和粘结剂，其中，高温电磁波吸收剂和粘结剂的重量比为2-10：1-5。
本发明吸波涂层的工作温度高于400℃。
优选地，所述的粘结剂为耐高温粘结剂，工作温度高于500℃，具体选自有机硅树脂和环氧树脂。进一步优选，所述的粘结剂工作温度高于700℃。
本发明的第三方面，提供了上述吸波涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)将高温电磁波吸收剂和粘结剂加入溶剂中，充分搅拌，形成混合物；
(2)利用喷枪将混合物喷涂至金属表面，形成一定厚度的涂层，经固化后即得所述的吸波涂层。
所述的溶剂为丙酮、正己烷、环己酮、丁苯、二甲苯、异丁醇、甲氧基乙酸丙酯和庚烷中的至少一种。
所述的金属为铜箔(铜板)、铝箔(铝板)、铁箔(铁板)、银箔(银板)或其组合。
所述的吸波涂层的厚度为0.1～3mm，作为优选，所述的吸波涂层的厚度为1.2～2mm，在该优选范围内，吸波涂层能够满足阻抗匹配条件，进而展现优异的吸波性能。
步骤(2)中，所述的固化指在200～300℃下固化30～60min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明高温电磁波吸收剂的居里温度均在700℃以上，高出常用铁氧体材料体系300～600℃；
(2)本发明吸波涂层具有优良磁电特性，高温下吸波性能较常温状态降低小于20％，峰位偏移小于1GHz；
(3)本发明提供一种可用于制备兼具高温、薄层和高效等特点的电磁波吸收剂及吸波涂层。
附图说明
图1为实施例1所得Y2Co17金属粉体1的热重曲线；
图2为实施例1所得吸波涂层1在常温以及高温500℃条件下的反射损耗曲线；
图3为实施例2所得Y2Co9Fe8金属粉体2的热重曲线；
图4为实施例2所得吸波涂层2在常温以及高温500℃下的反射损耗曲线；
图5为实施例3所得Nd2Co17金属粉体3的热重曲线；
图6为实施例3所得吸波涂层3在常温以及高温500℃条件下的反射损耗曲线。
具体实施方式
反射损耗随频率变化的测试方法
测试仪器：N5225A矢量网络分析仪
测试方法：使用同轴线法测试吸波涂层的电磁参数，然后利用传输线理论计算得到反射损耗随频率变化关系，高温下样品电磁参数的测量方法及装置参考文献Cao M S,Song W L,Hou Z L,et al.Carbon,2010,48(3):788-796.
实施例1Y2Co17金属粉体1、耐高温有机硅树脂复合的吸波涂层1
按合金配比称取Y、Co元素，通过熔炼、快淬、球磨工艺获得粉体粒径小于5微米的金属粉体1,即为所述的高温电磁波吸收剂，其组成为Y2Co17，粒径约为3.5微米。
按体积比1:1:15配备二甲苯、异丁醇、甲氧基乙酸丙酯作为混合溶剂，将聚氨酯改性有机硅树脂溶解于上述混合溶剂中，按照聚氨酯改性有机硅树脂和金属粉体1的重量比为2:3的比例混合成吸波浆料，将混合均匀的浆料转移到容量为500ml的喷枪中，控制喷涂时间及速率，在铜板基体上喷涂厚度为1.43mm的涂层，随后在250℃条件下固化30min，得到所述的吸波涂层1。
将上述所得吸波涂层1裁切成环形样品，利用矢量网络分析仪分析其磁电特性，从而获得吸波涂层材料在常温以及高温(低于居里温度)下的吸波效能。
图1为实施例1所得Y2Co17金属粉体1的热重曲线。由图可得，Y2Co17金属粉体1的居里温度在870℃左右，高出常用铁氧体材料体系300～600℃。
图2为实施例1所得吸波涂层1在常温以及高温500℃条件下的反射损耗曲线。具体的，其显示了厚度为1.43mm的由Y2Co17金属粉体1和耐高温环氧树脂复合所得吸波涂层1的反射损耗随频率变化图，由图可以得出：常温下吸收峰值在17.1GHz，峰值吸收效能为-33.9dB，小于-10dB的有效带宽为4.26GHz；高温500℃条件下吸收峰出现在17.5GHz，峰值吸收效能为-29.9dB，小于-10dB的有效带宽为4.02GHz。相比于常温状态，在500℃高温条件下，吸波涂层的吸波性能仅降低11.8％，并且峰位偏移仅0.4GHz。
实施例2Y2Co9Fe8金属粉体2、耐高温有机硅复合的吸波涂层2
按合金配比称取Y、Fe和Co元素，通过熔炼、快淬、球磨工艺获得粉体粒径小于5微米的金属粉体2,即为所述的高温电磁波吸收剂，其组成为Y2Co9Fe8，粒径约为3.5微米。
按体积比1:1:15配备二甲苯、异丁醇、甲氧基乙酸丙酯混合溶剂，将有机硅环氧杂化树脂溶解于上述溶剂中，按照有机硅环氧杂化树脂和金属粉体2的重量比为1:1.8的比例混合成吸波浆料，将混合均匀的浆料转移到容量为500ml的喷枪中，控制喷涂时间及速率，在铜板基体上喷涂厚度为1.84mm的涂层，随后在250℃条件下固化30min，得到所述的吸波涂层2。
将所得吸波涂层2裁切成环形样品，利用矢量网络分析仪分析其磁电特性，并获得在常温以及高温(低于居里温度)下的吸波效能。
图3为实施例2所得Y2Co9Fe8金属粉体2的热重曲线。由图可得，Y2Co9Fe8金属粉体2的居里温度在730℃左右，高出常用铁氧体材料体系300～600℃。
图4为实施例2所得吸波涂层2在常温以及高温500℃下的反射损耗曲线。具体地，其显示了厚度为1.84mm的由Y2Co9Fe8金属粉体2和耐高温硅胶复合所得吸波涂层2的反射损耗随频率变化图。由图可以得出：常温下吸收峰值在12.2GHz，峰值吸收效能为-34.9dB，小于-10dB的有效带宽为6.6GHz；高温500℃条件下吸收峰出现在13GHz，峰值吸收效能为-30.2dB，小于-10dB的有效带宽为6.73GHz。相比于常温状态，在500℃高温条件下，吸波涂层的吸波性能仅降低13.5％，并且峰位偏移仅0.8GHz。
实施例3 Nd2Co17金属粉体3、耐高温有机硅树脂复合的吸波涂层3
按合金配比称取Nd、Co元素，通过熔炼、快淬、球磨工艺获得粉体粒径小于5微米的金属粉体3,即为所述的高温电磁波吸收剂，其组成为Nd2Co17，粒径约为3微米。
按体积比1:1:15配备二甲苯、异丁醇、甲氧基乙酸丙酯混合溶剂，将有机硅环氧杂化树脂溶解于上述溶剂中，按照有机硅环氧杂化树脂与金属粉体3的重量比为1:2.3的比例混合成吸波浆料，将混合均匀的浆料转移到容量为500ml的喷枪中，控制喷涂时间及速率，在铜板基体上喷涂厚度为1.75mm的涂层，随后在250℃条件下固化30min，得到所述的吸波涂层3。
将吸波涂层3裁切成环形样品，利用矢量网络分析仪分析其磁电特性，并获得在不同频率下的吸波效能。
图5为实施例3所得Nd2Co17金属粉体3的热重曲线。由图可得，Nd2Co17金属粉体3的居里温度在850℃左右，高出当前常用铁氧体材料体系300～600℃。
图6为实施例3所得吸波涂层3在常温以及高温500℃条件下的反射损耗曲线。具体地，其显示了厚度为1.75mm的由Nd2Co17金属粉体3和耐高温环氧树脂复合所得吸波涂层3的反射损耗随频率变化图。由图可以得出：常温下吸收峰值在9.34GHz，峰值吸收效能为-41.9dB，小于-10dB的有效带宽为4.43GHz；高温500℃条件下吸收峰值在10.2GHz，峰值吸收效能为-35.5dB，小于-10dB的有效带宽为4.61GHz。相比于常温状态，在500℃高温条件下，吸波涂层的吸波性能仅降低15.3％，并且峰位偏移仅0.86GHz。
实施例4～10
实施例4～10的制备过程同实施例1，高温电磁波吸收剂、粘结剂种类和技术参数如表1所示。
表1
由上表可知，不同元素、不同比例组成的高温电磁波吸收剂，其居里温度均在800℃以上，高出当前常用铁氧体材料体系300～600℃。并且对应的吸波涂层的工作温度均在500℃以上，最佳厚度均小于2mm，高温下吸波涂层的吸波性能较常温状态降低小于20％，峰位偏移量小于1GHz。总之，本发明吸波涂层兼具耐高温、薄层和高效等特点，能够满足当前应用要求。
对比例1～2
对比例1～2的制备过程同实施例1，吸收剂、粘结剂种类和技术参数如表2所示。
表2
由对比例比较可知，对比例1的组成为ZnFe2O4的锌铁氧体的居里温度在270℃左右，因而，在500℃高温条件下已经没有磁性，制备得到的吸波涂层的吸波性能只有-8dB；对于对比例2的六角晶型Co2Z铁氧体，在高温条件下吸波效能仅有-6dB。因此，无论是常用的尖晶石型铁氧体还是六角晶形铁氧体，由于其居里温度过低，从而导致在高温条件下复合材料吸波性能差，无法满足应用需求。
综上所述，本发明提供了一种兼具高居里温度和优良磁电特性的高温电磁吸波剂和吸波涂层。该吸波涂层在高温(400℃)条件下吸波效果显著，制备方法简便可靠，能够满足高温微波波段的通讯、雷达探测等军用和民用吸波材料的应用需求，具有广阔的市场应用前景。

Claims (9)

1.一种高温电磁波吸收剂，其特征在于，所述高温电磁波吸收剂为组成如式(I)所示的金属粉体，
RaCobMc (I)
其中，R选自以下的稀土元素：Y、Pr、Nd、Er、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm和Lu中的一种或其任意组合；
M选自以下元素：Ni、Fe、Mn、Al、Ga、Ti、Mo、Cu和Nb中的一种或其任意组合；
且按式(I)所示组成的原子总数计，R的原子个数百分含量a为10-30％，Co的原子个数百分含量b为45-90％，M的原子个数百分含量c为0-43％。
2.根据权利要求1所述的高温电磁波吸收剂，其特征在于，按式(I)所示组成的原子总数计，R的原子个数百分含量a为15-25％，Co的原子个数百分含量b为75-90％，M的原子个数百分含量c为10-15％。
3.根据权利要求1所述的高温电磁波吸收剂，其特征在于，所述的高温电磁波吸收剂呈现软磁特征，居里温度高于700℃，金属粉体的粒径为1-10μm。
4.根据权利要求3所述的高温电磁波吸收剂，其特征在于，所述的高温电磁波吸收剂居里温度高于800℃，金属粉体的粒径为2-6μm。
5.一种吸波涂层，其特征在于，所述吸波涂层包括权利要求1～4任一项所述的高温电磁波吸收剂和粘结剂，其中，高温电磁波吸收剂和粘结剂的重量比为2-10：1-5。
6.根据权利要求5所述的吸波涂层，其特征在于，所述的粘结剂为有机硅树脂或环氧树脂。
7.一种根据权利要求5所述的吸波涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将高温电磁波吸收剂和粘结剂加入溶剂中，充分搅拌，形成混合物；
(2)利用喷枪将混合物喷涂至金属表面，形成一定厚度的涂层，经固化后即得所述的吸波涂层。
8.根据权利要求7所述的吸波涂层的制备方法，其特征在于，所述的吸波涂层的厚度为0.1～3mm。
9.根据权利要求7所述的吸波涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的固化指在200～300℃下固化30～60min。
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