CN107785668A - 一种毫米波电磁波吸收材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波电磁波吸收材料，所述电磁波吸收材料由第一层复合材料、第二层复合材料复合而成，所述第一层复合材料为铁基稀土金属间化合物磁粉和高分子粘接剂复合材料，所述第二层复合材料为碳材料和高分子粘接剂复合材料。本发明还公开了一种毫米波电磁波吸收材料制备方法，该电磁波吸收材料具有薄层、轻量、宽频和高效等优点。充分满足通讯、雷达探测等军用和民用毫米波波段吸收材料的应用需求，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种毫米波电磁波吸收材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及材料领域，具体地涉及一种毫米波电磁波吸收材料及其制备方法和应用。

背景技术

毫米波可以广泛应用于军事雷达系统、射电天文学和太空、汽车雷达、医学应用的毫米波成像以及短距离无线高速传输等领域。为了解决毫米波电磁波辐射干扰和电磁污染问题，利用吸收材料来将电磁波能量转化为其他形式的能量来抑制电磁波的辐射和干扰意义重大，在军事和民用领域具有广泛应用前景。

发明专利CN201110302144.9B和CN201110302218.9B公开了一种厘米波-毫米波兼容吸波复合材料，采用通过五层不同电磁波吸收剂设计制备出的吸收材料，在毫米波和厘米波波段均有-10dB左右的吸收效能；发明专利CN201410008943.9B公开了一种毫米波吸波涂层材料，采用钡铁氧体、碳纳米管和氧化物复合制备出在毫米波波段-20dB吸收效能的吸波复合材料；发明专利CN201210552007.5B公开了一种毫米波段电磁波吸收剂的制备方法，以M型钡六角铁氧体为原料，通过调整配比来达到改变复合材料电磁参数目的，该方法制备得到M型钡六角铁氧体电磁波在26.5～40GHz范围内电阻率高、介电常数较低、吸收损耗高。

虽然对毫米波吸收材料应用已有先例，常用的吸收剂主要有金属软磁材料吸收剂，铁氧体吸收剂以及碳材料吸收剂。对于单层吸收剂，其复合材料吸收峰较强，但是较难同时满足电磁损耗特性和阻抗匹配特性，并且吸收频宽窄；采用结构设计的方法，能够有效解决单层吸收剂所面临的难题，即在保证吸收峰强在一定数值的情况下，同时也能拓展复合材料的频宽，然而若多层设计层数超过三层时，会使得设计繁琐、工艺过程相对复杂，层的厚度以及层与层之间的附着力和粘结强度难以保证。

因此，本领域急需开发一种新型的兼具制备简单、轻量、宽频和高效等特点的毫米波波段吸收材料。

发明内容

针对现有技术中毫米波吸收材料制备复杂、吸收频宽窄、低效等缺点，本发明提供一种毫米波电磁波吸收材料及其制备方法和应用。该电磁波吸收材料具有薄层、轻量、宽频和高效等优点。

本发明的第一实施方式提供了一种毫米波电磁波吸收材料，所述电磁波吸收材料由第一层复合材料、第二层复合材料复合而成，所述第一层复合材料为铁基稀土金属间化合物磁粉和高分子粘接剂复合材料，所述第二层复合材料为碳材料和高分子粘接剂复合材料。

作为优选，在所述第一层复合材料中，铁基稀土金属间化合物磁粉质量分数占比50％～75％，在该优选范围内复合材料能够在毫米波波段满足阻抗匹配条件,进而展现优异的吸波性能。余量为高分子粘接剂。

所述铁基稀土金属间化合物磁粉组成由式(I)所示：

FeR_aM_b (I)

其中，R为稀土元素，且为Y、Ce、Nd、Pr、Sm、Er、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Lu中的一种或其任意组合；M为Nb、Ti、Cu、Mo、Ni、Co、Mn、Al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5～25％，M的原子个数百分含量b为0～15％，余量为Fe。

作为优选，所述铁基稀土金属间化合物磁粉的粒径不大于5μm。

作为优选，在所述第二层复合材料中，所述碳材料质量分数占比1～10％，在该优选范围内，一方面碳材料能够较均匀的分散在高分子粘结剂中，另一方面，所得复合材料能够满足阻抗匹配条件，在毫米波波段具有较好的吸收特性。余量为高分子粘接剂材料。

作为优选，所述碳材料为石墨粉、碳纳米管、碳纤维、石墨烯中的一种或其任意组合。

作为优选，所述高分子粘接剂为热固性树脂、热塑性树脂或橡胶材料等。

作为优选，所述电磁波吸收材料厚度为0.3～1mm，所述第一层复合材料与第二层复合材料的厚度均不小于0.3mm。

所述电磁波吸收材料在毫米波波段峰值吸收强度优于-15dB，小于-10dB吸收有效带宽超过10GHz。

本发明的第二实施方式提供了一种第一实施方式提供的毫米波电磁波吸收复合材料的制备方法，包括以下步骤：

首先，所述铁基稀土金属间化合物磁粉、碳材料分别与高分子粘接剂按照比例混合后，利用溶剂溶解高分子粘接剂，搅拌混合制成磁粉粘接剂浆料和碳材料粘接剂浆料；

然后，利用流延或涂布工艺将所述磁粉粘接剂浆料和所述碳材料粘接剂浆料制备成膜片，并叠压至指定厚度；或采用喷涂工艺将所述碳材料粘接剂浆料和所述磁粉粘接剂浆料依次喷涂至基底表面至指定厚度，获得所述毫米波电磁波吸收复合材料。

本发明的第三实施方式提供了一种第一实施方式提供的毫米波电磁波吸收复合材料在吸波、屏蔽领域的应用。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明实施方式将所选铁基稀土金属间化合物磁粉复合材料在毫米波段具有优良磁电特性与所述碳材料在毫米波段具有优良磁电特性相结合，使制备得到的电磁波吸收材料具有优异的磁电特性，该吸收材料的峰值吸收强度优于-15dB，小于-10dB吸收有效带宽超过10GHz；

(2)基于所述碳材料的轻薄特性，再加上整体厚度小于1mm，使得所述电磁波吸收材料质地轻薄，便于使用；

(3)所述电磁波吸收材料制备方法简单，便于操作。

附图说明

图1是本发明实施例提供的电磁波吸收材料的结构示意图；

图2是实施例1中石墨烯复合材料、Ce₂Fe₁₇复合材料的磁导率虚部随频率变化图；

图3是实施例1中石墨烯复合材料、Ce₂Fe₁₇复合材料的磁导率实部随频率变化图；

图4为实施例1中厚度为0.6mm石墨烯复合材料、Ce₂Fe₁₇复合材料以及两者复合后所得吸收材料的反射损耗随频率变化图；

图5是实施例2中石墨复合材料、Y₂Co₇Fe₁₀复合材料的磁导率实部随频率变化图；

图6是实施例2中石墨复合材料、Y₂Co₇Fe₁₀复合材料的磁导率虚部随频率变化图；

图7是实施例2中厚度为0.8mm石墨复合材料、Y₂Co₇Fe₁₀复合材料以及两者复合后所得吸收材料的反射损耗随频率变化图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

以下实施例中，测量材料反射损耗随频率变化的仪器均为N5225A矢量网络分析仪，测试方法均为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模拟计算得到反射损耗随频率变化关系。

图1为本发明实施例提供的电磁波吸收材料的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的电磁波吸收材料由叠放于基底3上的第一层复合材料1、第二层复合材料2复合而成，第一层复合材料1为铁基稀土金属间化合物磁粉和高分子粘接剂复合材料，所述第二层复合材料2为碳材料和高分子粘接剂复合材料。

实施例1

本实施例中，铁基稀土金属间化合物磁粉为Ce₂Fe₁₇，碳材料为石墨烯，高分子粘接剂为聚氨酯。

按合金配比称取Ce、Fe元素，通过熔炼、快淬、球磨工艺获得粉体粒径小于5μm的金属粉体，其组成为Ce₂Fe₁₇，平均粒径约为3.5μm。

将聚氨酯(PU)溶解于环己酮中，按照聚氨酯和金属粉体的重量比为1:2.3的比例混合成磁粉粘接剂浆料，通过流延、热压工艺制备厚度为1mm的Ce₂Fe₁₇复合材料，随后裁切成环形样品，利用矢量网络分析仪分析其磁电特性。

同上述工艺条件，制备出厚度为1mm的石墨烯复合材料，其中聚氨酯和石墨烯的重量比为99:1。利用矢量网络分析仪分析其磁电特性。

本实施例中，将Ce₂Fe₁₇复合材料和石墨烯复合材料制备成1mm厚度，是为了用N5225A矢量网络分析仪测试样品的电磁特性(磁导率实部和虚部)，该Ce₂Fe₁₇复合材料的电磁特性与厚度无关、与该复合材料磁粉的质量分数有关，厚度为1mm仅仅是为了降低测量数值的误差。

图2和图3是本实施例中石墨烯复合材料、Ce₂Fe₁₇复合材料的磁导率虚部、实部随频率变化图。

图4为本实施例电磁波吸收材料、石墨烯复合材料、Ce₂Fe₁₇复合材料在厚度为0.6mm时吸波性能仿真实验结果，该仿真实验结果与实际做成的吸收材料样品的测试结果基本一致。电磁波吸收材料是由第一层厚度为0.3mm Ce₂Fe₁₇复合材料、第二层厚度为0.3mm石墨烯复合材料复合而成。由图4可得，该吸收材料在26.5～40GHz范围内小于-10dB的频宽为10.6GHz，超过同厚度下Ce₂Fe₁₇复合材料3GHz，在保证吸收效率的条件下，兼具轻量、制备简单的特点，能够满足当前应用需求。

实施例2

本实施例中，铁基稀土金属间化合物磁粉为Y₂Co₇Fe₁₀，碳材料为石墨，高分子粘接剂为环氧树脂。

按合金配比称取Y、Fe、Co元素，通过熔炼、快淬、球磨工艺获得粉体粒径小于5μm的金属粉体，其组成为Y₂Co₇Fe₁₀，平均粒径约为3.5μm。

将环氧树脂溶解于丙酮中，按照环氧树脂和金属粉体的重量比为1:1.72的比例混合成磁粉粘接剂浆料，通过流延、热压工艺制备厚度为1mm的Y₂Co₇Fe₁₀复合材料，随后裁切成环形样品，利用矢量网络分析仪分析其磁电特性。

同上述工艺条件，制备出厚度为1mm的石墨复合材料，其中环氧树脂和石墨的重量比为19:1。利用矢量网络分析仪分析其磁电特性。

本实施例中，将Y₂Co₇Fe₁₀复合材料和石墨复合材料制备成1mm厚也是为了降低利用矢量网络分析仪分析其磁电特性的测量误差。

图2和图3是本实施例中石墨复合材料、Y₂Co₇Fe₁₀复合材料的磁导率虚部、实部随频率变化图。

图7为本实施例电磁波吸收材料、石墨复合材料、Y₂Co₇Fe₁₀复合材料在厚度为0.8mm时吸波性能能仿真实验结果，该仿真实验结果与实际做成的吸收材料样品的测试结果基本一致。本实施例电磁波吸收材料是由第一层厚度为0.35mm Y₂Co₇Fe₁₀复合材料、第二层厚度为0.45mm石墨复合材料复合而成。由图7可得，该复吸收材料在26.5～40GHz范围内小于-10dB的频宽为10.5GHz，超过同厚度下Y₂Co₇Fe₁₀复合材料4.3GHz，且吸收峰强度为-23.7dB，在保证吸收效率的条件下，兼具轻量、制备简单的特点，能够满足当前应用需求。

实施例3～10

实施例3～10的制备过程同实施例1，复合材料性能参数如下表所示：

由上表可知，通过不同稀土铁基金属间化合物吸收剂与对应碳材料复合后，所得吸收材料在毫米波波段峰值吸收强度均优于-20dB，小于-10dB吸收有效带宽超过10GHz，且吸收材料整体厚度小于1mm。

以上制备得到的电磁波吸收材料均具有制备简单、轻量、宽频和高效等优点。可以广泛应用于军事雷达系统、射电天文学和太空、汽车雷达、医学应用的毫米波成像以及短距离无线高速传输等领域。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种毫米波电磁波吸收材料，其特征在于，所述电磁波吸收材料由第一层复合材料、第二层复合材料复合而成，所述第一层复合材料为铁基稀土金属间化合物磁粉和高分子粘接剂复合材料，所述第二层复合材料为碳材料和高分子粘接剂复合材料。

2.如权利要求1所述的毫米波电磁波吸收材料，其特征在于，在所述第一层复合材料中，铁基稀土金属间化合物磁粉质量分数占比50％～75％，余量为高分子粘接剂。

3.如权利要求1所述的毫米波电磁波吸收材料，其特征在于，所述铁基稀土金属间化合物磁粉组成由式(I)所示：

FeR_aM_b (I)

其中，R为稀土元素，且为Y、Ce、Nd、Pr、Sm、Er、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Lu中的一种或其任意组合；M为Nb、Ti、Cu、Mo、Ni、Co、Mn、Al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5～25％，M的原子个数百分含量b为0～15％，余量为Fe。

4.如权利要求1所述的毫米波电磁波吸收材料，其特征在于，在所述第二层复合材料中，所述碳材料质量分数占比1～10％，余量为高分子粘接剂材料。

5.如权利要求1所述的毫米波电磁波吸收材料，其特征在于，所述碳材料为石墨粉、碳纳米管、碳纤维、石墨烯中的一种或其任意组合。

6.如权利要求1所述的毫米波电磁波吸收材料，其特征在于，所述高分子粘接剂为热固性树脂、热塑性树脂或橡胶材料。

7.如权利要求1所述的毫米波电磁波吸收材料，其特征在于，所述电磁波吸收复合材料厚度为0.3～1mm，所述第一层复合材料与第二层复合材料的厚度均不小于0.3mm。

8.一种如权利要求1～7任一所述的毫米波电磁波吸收材料的制备方法，包括以下步骤：

首先，所述铁基稀土金属间化合物磁粉、碳材料分别与高分子粘接剂按照比例混合后，利用溶剂溶解高分子粘接剂，搅拌混合制成磁粉粘接剂浆料和碳材料粘接剂浆料；

然后，利用流延或涂布工艺将所述磁粉粘接剂浆料和所述碳材料粘接剂浆料制备成膜片，并叠压至指定厚度；或采用喷涂工艺将所述碳材料粘接剂浆料和所述磁粉粘接剂浆料依次喷涂至基底表面至指定厚度，获得所述毫米波电磁波吸收复合材料。

9.一种如权利要求1～7任一所述的毫米波电磁波吸收材料在吸波、屏蔽领域的应用。