CN107745557B - 一种防隔热/吸波一体化结构材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电磁波吸收材料领域，具体涉及一种防隔热/吸波一体化结构材料及其制备方法。所述防隔热/吸波一体化结构材料，由两层组合而成，外层为高硅氧玻璃钢防热材料层，内层为隔热材料层，所述的高硅氧玻璃钢防热材料层的基体树脂中添加或不添加电磁波吸收剂，所述的隔热材料层的基体树脂中添加电磁波吸收剂。本发明制得的防隔热/吸波一体化结构材料在满足原烧蚀防热性能基础上，同时具有隐身性能，在S、C、X频段内实现了较好的雷达吸波性能，降低防热和隐身总体重量。

Description

一种防隔热/吸波一体化结构材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电磁波吸收材料领域，具体涉及的是一种防隔热/吸波一体化结构材料，特别是利用电磁波吸收剂进行改性的一种防隔热/吸波一体化结构材料及其制备方法。
背景技术
针对现代以及未来防御系统拦截威胁，隐身技术作为导弹突防技术的重要手段之一，已逐渐应用到超声速飞行器的研制之中。通过吸波材料、吸波结构设计可以减小雷达散射截面，缩短敌方雷达的探测距离，从而提高导弹的生存机率和作战有效性。
航天器采用的防热结构分为吸热式防热结构、辐射式防热结构和烧蚀防热结构，弹道导弹普遍采用烧蚀防热结构，其防热性能主要取决于烧蚀防热层的性能和内隔热层的性能。防隔热层普遍采用碳酚醛、高硅氧酚醛材料，其本身不具有隐身功能，主要通过在导弹零部件表面或在防隔热层与金属承力层之间喷涂吸波材料或粘接吸波贴片等措施，吸波材料与防热层分步成型与制备，不但增加工艺的难度和复杂性，增加制造成本，而且零部件重量大，涂层在储运和使用过程中容易脱落，降低了整体结构的可靠性。
目前，针对烧蚀用酚醛复合材料的改性研究侧重于提高其耐烧蚀性能和机械性能，对于其隐身方面的研究国内研究较少。
发明内容
为了克服在防热层内涂覆吸波材料所带来的工艺复杂、喷涂厚度在生产过程中不易控制、成本较高等问题，本发明将能够和防热层成型所用的酚醛树脂相容的电磁波吸收剂，同酚醛树脂体系按一定的配比进行分散及混合，按复合材料成型固化工艺进行防热层成型。在不明显增加复合材料密度的情况下，研究添加吸波剂能否提高复合材料导弹防热层的雷达波吸收性能。
本发明解决技术问题采用的技术方案是：
一种防隔热/吸波一体化结构材料，由两层组合而成，外层为高硅氧玻璃钢防热材料层，内层为隔热材料层，所述的高硅氧玻璃钢防热材料层的基体树脂中添加或不添加电磁波吸收剂，所述的隔热材料层的基体树脂中添加电磁波吸收剂。
其中，所述的隔热材料优选低密度隔热材料。
吸收剂是决定材料电性能的关键因素，本发明首先采用RAMOptimizer优化设计软件来仿真计算一体化结构材料的反射率曲线。通过对碳纤维、石墨烯、碳纳米管、炭黑/石墨等常见吸收剂体系的优化设计，最终确定高硅氧玻璃钢防热材料层中添加的电磁波吸收剂为石墨烯、碳纳米管和炭黑/石墨中的一种，重量含量分别为一体化结构材料的3％、1％、2％；隔热材料层中添加的电磁波吸收剂是碳纤维、石墨烯中的一种，重量含量分别为一体化结构材料0.5％、3％。
优选地，所述的防隔热/吸波一体化结构材料厚度为15±1mm，高硅氧玻璃钢防热材料层厚度为10±0.5mm，隔热材料层厚度为5±0.5mm。
本发明还公开了所述的防隔热/吸波一体化结构材料的制备方法，是按防热材料层和隔热材料层配方分别制得预混料，再通过模压成型工艺制备。
在制备预混料时，由于单纯的吸收剂在有机树脂中极易形成团聚，分散不均匀，造成吸波性能下降。本发明选用胶性硅酸镁锂来改变配方体系的流变性质，起到增稠、增粘、触变、分散等作用。通过调节不同吸收剂含量、分散剂含量，最终确定表1浆料配方，将吸收剂、溶剂、增稠剂放入高速分散机进行分散，转速1500r/min，分散时间30min后得到相应的吸波浆料。
表1吸波剂浆料配方表
Figure GDA0002453317030000031
因此，优选地，在预混料制备过程中，吸收剂的添加操作是：以硅酸镁锂为增稠剂，将吸收剂、增稠剂、溶剂分散制成吸收剂浆料，再添加到基材中。
所述的防隔热/吸波一体化结构材料反射率在S(2.9GHz-3.8GHz)、C(4GHz-6GHz)、X(9GHz-11GHz)频段分别不大于-10dB，-5dB，-10dB。
本发明针对聚合物基防热材料本身进行改性，在基体树脂中加入各种吸波剂如碳纤维、石墨烯、石墨/炭黑、纳米碳管等，通过改善基体的电学、磁学性能以获得电耗型吸波效应或磁耗性吸波效应，研制开发出一种新型轻质、防隔热、隐身一体化多功能复合材料。本发明制得的防隔热/吸波一体化结构材料在满足原烧蚀防热性能基础上，同时具有隐身性能，在S、C、X频段内实现了较好的雷达吸波性能，降低防热和隐身总体重量。
附图说明
图1是防隔热/吸波一体化结构材料结构示意图。
图2是实施例1制备防隔热/吸波一体化结构材料的反射率图。
图3是实施例6制备防隔热/吸波一体化结构材料的反射率图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施案例，注意这些案例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1：对比例
一种防隔热/吸波一体化结构材料，由两层组合而成，外层为高硅氧玻璃钢防热层，内层为低密度隔热层。
所述隔热层的组成及组分的重量份数如下：
玻璃空心微球 0.87份
镁酚醛树脂(含47wt％酒精) 10.20份
高硅氧纤维 3.23份
所述防热层的组成及组分的重量份数如下：
镁酚醛树脂(含47wt％酒精) 6.36份
高硅氧纤维 6份
制备方法主要包括如下步骤：
外层防热层：将高硅氧纤维加入捏合机中，转动状态下加入酚醛树脂液(20～40rpm，30～50min)，撕松晾置，经80度烘箱热处理约30分钟制备获得预混料。
内层隔热层：将高硅氧纤维加入捏合机中，转动状态下加入空心微球、酚醛树脂液(20～40rpm，30～50min)，撕松晾置，经80度烘箱热处理约30分钟制备获得预混料。
将上述一定质量的预混料铺放在模具中，合模后加热，升温速率为25℃每小时，压力10Mpa，升温至150℃时保温4小时，之后降温得到吸收剂改性的防隔热/吸波一体化平板试片，最后加工成电性能检测试样。
实施例2：
一种防隔热/吸波一体化结构材料，如图1A，外层为改性的高硅氧玻璃钢防热层3，内层为改性的低密度隔热层2；通过向内层隔热材料基体树脂中添加碳纤维进行隔热层改性；通过向外层防热材料基体树脂中添加石墨烯进行防热层改性。
所述改性隔热层的组成及组分的重量份数如下：
Figure GDA0002453317030000051
所述改性防热层的组成及组分的重量份数如下：
石墨烯浆料 4.07份
镁酚醛树脂(含47wt％酒精) 6.36份
高硅氧纤维 5.72份
所述的高硅氧纤维短切长度24mm，碳纤维经纤维切割机短切成长度2.0mm。
上述材料的制备方法主要包括如下步骤：
外层防热层：采用篮式研磨机进行吸收剂的分散，首先将碳纤维、分散剂加入乙醇中制备成碳纤维吸波剂浆料；将其加入酚醛树脂中，搅拌桨搅拌5～10min至均匀，制备得到树脂液；然后将纤维加入捏合机中，转动状态下加入上述树脂液(20～40rpm，30～50min)，撕松晾置，经80度烘箱热处理约30分钟制备获得预混料。
内层隔热层：采用了篮式研磨机进行吸收剂的分散，首先将石墨烯、分散剂加入乙醇中制备成石墨烯吸波剂浆料；将吸波剂浆料、玻璃空心微球加入酚醛树脂中，搅拌桨搅拌5～10min至均匀，制备得到树脂液；然后将纤维加入捏合机中，转动状态下加入上述树脂液(20～40rpm，30～50min)，撕松晾置，经80度烘箱热处理约30分钟制备获得预混料。
将上述一定质量的预混料铺放在模具中，合模后加热，升温速率为25℃每小时，压力10Mpa，升温至150℃时保温4小时，之后降温，获得防隔热/吸波一体化材料平板试片，最后加工成电性能检测试样。
实施例3：
一种防隔热/吸波一体化结构材料，由两层组合而成，如图1A，外层为改性的高硅氧玻璃钢防热层3，内层为改性的低密度隔热层2；通过向内层隔热材料基体树脂中添加石墨烯进行隔热层改性；通过向外层防热材料基体树脂中添加石墨烯进行防热层改性。
所述改性隔热层的组成及组分的重量份数如下：
Figure GDA0002453317030000061
所述改性防热层的组成及组分的重量份数如下：
石墨烯浆料 4.07份
镁酚醛树脂(含47wt％酒精) 6.36份
高硅氧纤维 5.72份
上述吸波材料的制备方法同实施例2。
实施例4：
一种防隔热/吸波一体化结构材料，由两层组合而成，如图1A，外层为改性的高硅氧玻璃钢防热层3，内层为改性的低密度隔热层2；通过向内层隔热材料基体树脂中添加碳纤维进行隔热层改性；通过向外层防热材料基体树脂中添加碳纳米管进行防热层改性。
所述改性隔热层的组成及组分的重量份数如下：
Figure GDA0002453317030000062
Figure GDA0002453317030000071
所述改性防热层的组成及组分的重量份数如下：
碳纳米管浆料 1.36份
镁酚醛树脂(含47wt％酒精) 6.36份
高硅氧纤维 5.91份
上述吸波材料的制备方法同实施例2。
实施例5：
一种防隔热/吸波一体化结构材料，由两层组合而成，如图1A，外层为改性的高硅氧玻璃钢防热层3，内层为改性的低密度隔热层2；通过向内层隔热材料基体树脂中添加碳纤维进行隔热层改性；通过向外层防热材料基体树脂中添加炭黑/石墨进行防热层改性。
所述改性隔热层的组成及组分的重量份数如下：
Figure GDA0002453317030000072
所述改性防热层的组成及组分的重量份数如下：
炭黑/石墨浆料 3.66份
镁酚醛树脂(含47wt％酒精) 6.36份
高硅氧纤维 5.81份
上述吸波材料的制备方法同实施例2。
实施例6：
一种防隔热/吸波一体化结构材料，由两层组合而成，如图1B，外层为传统的高硅氧玻璃钢防热层1，内层为改性的低密度隔热层2，通过向内层隔热材料基体树脂中添加碳纤维进行改性。
所述改性隔热层的组成及组分的重量份数如下：
Figure GDA0002453317030000081
所述防热层的组成及组分的重量份数如下：
镁酚醛树脂(含47wt％酒精) 6.36份
高硅氧纤维 6份
上述吸波材料的制备方法同实施例2。
表2为不同吸收剂改性防、隔热材料的基本热物性参数，可以看出，对于高硅氧/酚醛/吸波剂复合材料(防热层)，添加吸波剂后，密度基本没有影响，拉伸模量和断裂伸长率变化很小，拉伸强度下降，热导率略有上升。对于高硅氧/酚醛/玻璃小球/吸波剂复合材料(隔热层)，添加吸波剂后，密度下降，碳纤维改性材料的拉伸强度和断裂伸长率略有下降，石墨烯改性材料较未改性隔热层有所提高。
表2实施例1-6制备防、隔热材料的热物性参数对比
Figure GDA0002453317030000082
复合材料吸波性能采用GJB 2038A-2011“雷达吸波材料反射率测试方法”中的“6弓形测试法”测量，测试频率为2-18GHz，材料尺寸为300mm×300mm，测试结果对比见表3。
表3实施例1-6制备复合材料吸波性能对比
Figure GDA0002453317030000091
结合图2、3的反射率测试曲线可知，经过改性的防隔热层材料相比传统的材料在S、C、X频段内吸波性能有所改善，改性防、隔热材料组合反射率平均在-5dB以下，吸收剂改性隔热层与未改性防热层的组合效果更为明显，实施例6反射率在S(2.9GHz-3.8GHz)≤-15dB、C(4GHz-6GHz)≤-8dB、X(9GHz-11GHz)≤-8dB，实现了部分吸波隐身功能，表明该结构-功能一体化隐身/防隔热复合材料设计制备具有可行性和工程实用性。

Claims (1)

1.一种防隔热/吸波一体化结构材料，其特征在于，由两层组合而成，外层为高硅氧玻璃钢防热层，内层为改性隔热层，通过向内层隔热材料基体树脂中添加碳纤维进行改性；
所述改性隔热层的组成及组分的重量份数如下：
碳纤维浆料4.75份，空心玻璃微球1.21份，含47wt％酒精的镁酚醛树脂8.55份，高硅氧纤维3.55份；
所述防热层的组成及组分的重量份数如下：
含47wt％酒精的镁酚醛树脂6.36份，高硅氧纤维6份；
所述防隔热/吸波一体化结构材料通过以下方法制备：
外层防热层：含47wt％酒精的镁酚醛树脂，搅拌桨搅拌均匀，得到树脂液；将高硅氧纤维加入捏合机中，转动状态下加入上述树脂液，20～40rpm，30～50min，撕松晾置，经80度烘箱热处理约30分钟制备获得预混料；
内层隔热层：采用了篮式研磨机进行碳纤维的分散，首先将碳纤维、硅酸镁锂、乙醇分散制备成吸波剂浆料；将吸波剂浆料、玻璃空心微球加入含47wt％酒精的酚醛树脂中，搅拌桨搅拌5～10min至均匀，制备得到树脂液；然后将高硅氧纤维加入捏合机中，转动状态下加入上述树脂液，20～40rpm，30～50min，撕松晾置，经80度烘箱热处理约30分钟制备获得预混料；
将上述一定质量的预混料铺放在模具中，合模后加热，升温速率为25℃每小时，压力10Mpa，升温至150℃时保温4小时，之后降温，获得防隔热/吸波一体化材料平板试片。
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