CN107949261B - 一种电磁波吸收材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁波吸收材料，包含反射背衬层和至少一层的吸收体层，所述吸收体层包含等间距网格状正交排布的铁磁性非晶丝材。同时公开了所述的电磁波吸收材料的制备方法，包括：(1)将铁磁性非晶丝材等间距网格状正交排布，并利用粘结剂附着于基体表面或内部制备得到单层吸收体层；(2)依次构建反射背衬层和吸收体层。本发明利用铁磁性非晶丝材形成的网格间距和吸收体层层间距变化进行结构调控，从而实现电磁波的高效吸收。

Description

一种电磁波吸收材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及电磁波吸收材料领域，具体地涉及一种轻质高效电磁波吸收材料及其制备方法。

背景技术

随着现代信息传递和处理速度的不断提升，大量电磁波辐射导致电磁波与电子器件间的干扰问题日益严重，不可避免对信息安全和人体健康造成危害。而微波吸收材料是通过将入射的电磁波转换为热能损耗掉或者改变电磁波相位使其干涉相消两种手段实现吸波的。目前X波段(8-12GHz)广泛应用于军事和民用空间通讯、探测卫星，对国家安全和社会发展具有重大意义，因而开发X波段防电磁干扰和吸波材料显得尤为迫切。

采用铁磁性非晶丝作为吸波剂可以突破传统吸波材料吸波效能低、面密度大的缺点。此外，磁性非晶丝除了有良好的吸波能力外，对结构材料起到承载强化的作用，因此将其均匀分散在具有承载加工能力材料中做成结构型吸波材将不增加多余的体积和质量，这在军事和民用领域均有重大应用前景。

国内外对于铁磁性非晶丝作为电磁波吸波材料吸收剂鲜有报道，如公开号为CN101740143 A的中国发明专利文献公开了一种含有非晶纤维的电磁波吸收材料及其制备方法，该电磁波吸收材料包括非晶纤维作为吸波组分且为短切纤维，通过筛分的方式将非晶纤维无序散布在基体材料。

而公开号为CN 101901660 A的中国发明专利文献公开了一种含有非晶丝材的电磁波吸收材料及其制备方法，该专利采用的是连续玻璃包覆非晶丝，通过绕线的方式将非晶丝材单根等间距平行排列在基体材料上。

公开号为CN 106288961 A的中国发明专利文献公开了一种可以利用外场对材料吸波性能进行调谐的智能吸波织物，该吸波织物中含有玻璃包非晶纤维，玻璃包非晶纤维直接混入基体材料。

以上现有技术非晶丝均未引入结构设计理念，制备方法单一，无法实现对吸收峰位置和强度的有效调控。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种X波段高效轻质电磁波吸收材料及其制备方法。

本发明的具体技术方案如下：

一种电磁波吸收材料，包含反射背衬层和至少一层吸收体层，所述吸收体层包含等间距正交排列构成的铁磁性非晶丝材。

所述的铁磁性非晶丝材为玻璃包覆铁磁性非晶丝和铁磁性非晶裸丝中的至少一种，所述铁磁性非晶裸丝的组成如式(I)所示：

Co_aFe_bB_cSi_dNb_e (I)

其中，20≤a≤70，20≤b≤70，15≤c≤35，1≤d≤10，1≤e≤9，且a+b+c+d+e＝100，a、b、c、d、e为对应原子的原子百分比。

所述的铁磁性非晶丝材的直径≤70μm。作为优选，所述的铁磁性非晶丝材的直径为10～60μm。由于形状各向异性和高频交变磁场下趋肤效应的存在，电磁波集中仅作用于铁磁性非晶丝材表面，铁磁性非晶丝材直径的增加不利于有效磁导率和共振频率的提升。

所述的铁磁性非晶丝材形成的网格间距为1～3.5mm。铁磁性非晶丝材形成的网格间距会影响电磁波吸收材料的反射损耗值，可以通过调节网格间距来调控实现电磁波的高效吸收，作为优选，铁磁性非晶丝材形成的网格间距为1.8～3.0mm，进一步优选，铁磁性非晶丝材形成的网格间距为2.0～2.8mm。

所述的反射背衬层的材料为导电金属。作为优选，所述反射背衬层的材料为铜箔、铝箔和银箔中的一种或其任意组合。

吸收体层的层数会影响电磁波吸收材料的吸波性能，作为优选，所述吸收体层的层数为1～2层。

当吸收体层为单层时，反射背衬层和吸收体层的间距为0～1mm，此间距下X波段最低反射损耗值≤-5dB；反射背衬层和吸收体层的间距会影响电磁波吸收材料的反射损耗值，作为优选，反射背衬层和吸收体层的间距为0.1～0.6mm；进一步优选，反射背衬层和吸收体层的间距为0.1～0.3mm，该范围内电磁波吸收材料的吸波性能最好，X波段最低反射损耗值≤-15dB。

当吸收体层的层数为2时，与反射背衬层相邻的为第一吸收体层，反射背衬层和第一吸收体层的间距为0～0.7mm，反射背衬层和第一吸收体层的间距会影响电磁波吸收材料的反射损耗值，作为优选，反射背衬层和第一吸收体层的间距为0～0.3mm，进一步优选，反射背衬层和第一吸收体层的间距为0～0.1mm。

当吸收体层的层数为2时，第一吸收体层和第二吸收体层的间距为0～0.8mm。吸收体层的层间距对电磁波吸收材料的吸波性能有重要影响，作为优选，第一吸收体层和第二吸收体层的间距为0～0.4mm；进一步优选，第一吸收体层和第二吸收体层的间距为0～0.1mm，在该范围内，电磁波吸收材料的反射损耗值最佳。

优选地，所述电磁波吸收材料由反射背衬层和单层吸收体层组成，吸收体层包含网格间距为2.4mm的等间距网格状正交排布的铁磁性非晶丝材，反射背衬层和吸收体层的间距为0.1～0.3mm，在该条件下，X波段最低反射损耗值≤-15dB。

优选地，所述电磁波吸收材料由反射背衬层、第一吸收体层和第二吸收体层依次组成，第一吸收体层和第二吸收体层分别包含网格间距为2.4mm和2.8mm的等间距网格状正交排布的铁磁性非晶丝材，第一吸收体层紧贴反射背衬层的表面，第一吸收体层和第二吸收体层的间距为0～0.2mm，在该条件下，X波段最低反射损耗值≤-11dB。

优选地，所述电磁波吸收材料由反射背衬层、第一吸收体层和第二吸收体层依次组成，第一吸收体层和第二吸收体层分别包含网格间距为2.4mm和2.8mm的铁磁性非晶丝材，反射背衬层和第一吸收体层的间距为0～0.3mm，第一吸收体层和第二吸收体层紧密贴合，随着反射背衬层和第一吸收体层的间距增加，反射损耗曲线由开始的单吸收峰向双吸收峰转变。

本发明还提供了一种上述电磁波吸收材料的制备方法，包括：

(1)将铁磁性非晶丝材等间距网格状正交排布，并利用粘结剂附着于基体表面或内部制备得到单层吸收体层；

(2)依次构建反射背衬层和吸收体层。

其中，铁磁性非晶裸丝采用熔融抽丝法制备；玻璃包覆铁磁性非晶丝是根据Taylor-Ulirovsky原理，通过玻璃包覆合金的熔融拉丝法制备得到。

步骤(1)中，所述的基体为硅胶、丁苯橡胶、聚氨酯、聚酯薄膜等。

与现有技术相比，本发明具有以下主要优点：

(1)所述铁磁性非晶丝材在X波段获得较强吸波效能，电磁波吸收率能达到99％；(2)所述铁磁性非晶丝材的面密度和厚度远小于现有技术，面密度≤0.2kg/m²，厚度≤0.4mm；(3)所述铁磁性非晶丝材能与结构材料结合，满足材料吸波和承载的双重功效；(4)利用铁磁性非晶丝材形成的网格间距和电磁波吸收体层层间距变化进行结构调控，从而实现电磁波的高效吸收。

附图说明

图1为本发明所得电磁波吸收材料的结构示意图；

图2为实施例1中不同网格间距条件下电磁波吸收材料的反射损耗值。

具体实施方式

以下实施例中，反射损耗随频率变化的测试方法如下：

测试仪器：N5225A矢量网络分析仪

测试方法：使用波导法测试吸波材料的反射损耗值，矩形波导的型号为国际标WR90，测试频率范围为8.20-12.5GHz，尺寸为22.86*10.16mm。

本发明所得电磁波吸收材料的结构示意图如图1所示，其中，吸收体层中铁磁性非晶丝材形成的网格间距为d，第一吸收体层和第二吸收体层的间距为t₁，第一吸收体层和反射背衬层的间距为t₂。

铁磁性非晶裸丝的制备

将纯度99.9％以上的Co、Fe、Si、Fe-B、Fe-Nb合金按Co₆₃Fe₄B_22.4Si_5.6Nb₅原子百分比配比，采用熔融抽丝法制备得到直径为60μm的铁磁性非晶裸丝。该体系铁磁性非晶裸丝具有优异的软磁性能，在400A/m的外场强度下饱和磁感应强度为0.54T，且兼具高的磁导率和磁各向异性。

实施例1

将得到的铁磁性非晶裸丝连续性等间距网格状正交排布，并利用双面胶附着于单层耐高温聚酯薄膜(PET膜)表面制成单层吸收体层。

单层吸收体层与反射背衬层(金属铜箔)紧密结合，通过调整吸收体层中铁磁性非晶裸丝形成的网格间距d构建不同的电磁波吸收材料，测试不同网格间距条件下电磁波吸收材料的反射损耗值，结果如图2所示。结果表明：随着网格间距d的增大，电磁波吸收材料的最强吸收峰强度(即最低反射损耗值)先增强后减弱，当d值为2.4mm时，最低反射损耗值达到-5.8dB。

实施例2

将组成为Co₆₃Fe₄B_22.4Si_5.6Nb₅的铁磁性非晶裸丝按照间距d为2.4mm连续性等间距网格状正交排布，并利用双面胶附着于单层PET膜表面制成单层吸收体层，对应铁磁性非晶裸丝的面密度为0.103kg/m²。

通过调整吸收体层与反射背衬层(金属铜箔)的间距t₂构建不同的电磁波吸收材料，测试不同间距条件下电磁波吸收材料的反射损耗值，其中间距t₂的变化值分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5和0.6mm。具体反射损耗参数见表1：

表1

间距t<sub>2</sub>(mm)	0	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6
								最强吸收峰位置(GHz)	10.5	10.4	10.2	10.0	9.8	9.6	9.5
最低反射损耗值(dB)	-5.8	-15	-24.6	-17.4	-8.5	-6.8	-6.3

由表1可知，随着吸收体层与反射背衬层间距的增加，最强吸收峰的位置往低频移动，而对应的最强吸收峰强度出现先增强后减弱的趋势。当吸收体层与反射背衬层的间距为0.2mm时，最强吸收峰位置在10.2GHz，最低反射损耗值为-24.6dB。

实施例3

将实施例2制备的单层吸收体层作为第一吸收体层；

将组成为Co₆₃Fe₄B_22.4Si_5.6Nb₅的铁磁性非晶裸丝按照间距d为2.8mm连续性等间距网格状正交排布，并利用双面胶附着于单层PET膜表面制成第二吸收体层，对应铁磁性非晶裸丝的面密度为0.082kg/m²。

将第一吸收体层紧贴于反射背衬层的表面(即二者间距为0)，通过调整第一吸收体层与第二吸收体层的间距t₁构建不同的电磁波吸收材料，测试不同间距条件下的反射损耗值，其中间距t₁的变化值分别为0、0.1、0.2、0.3和0.4mm。具体反射损耗参数见表2：

表2

间距t<sub>1</sub>(mm)	0	0.1	0.2	0.3	0.4
						最强吸收峰位置(GHz)	9.7	9.6	9.4	9.1	8.8
最低反射损耗值(dB)	-29.7	-16.5	-11.3	-8.2	-6.8

由表2可知，随着第一吸收体层与第二吸收体层的间距t₁的增加，最佳吸收峰位置向低频移动，对应最强吸收峰强度呈现下降趋势。当第一吸收体层与第二吸收体层的间距为0mm，即第一吸收体层与第二吸收体层紧密贴合，最强吸收峰位置在9.7GHz，最强吸收峰强度为-29.7dB。

实施例4

本实施例电磁波吸收材料中，反射背衬层、第一吸收体层和第二吸收体层的组成与实施例3相同。

根据实施例3的结果，选取t₁为0mm作为第一吸收体层与第二吸收体层的间距，即第一吸收体层与第二吸收体层紧密贴合，再通过调整第一吸收体层与反射背衬层的间距t₂构建不同的电磁波吸收材料，测试不同间距条件下的反射损耗值，其中间距t₂的变化值分别为0、0.1、0.2、0.3和0.4mm。具体反射损耗参数见表3：

表3

间距t<sub>2</sub>(mm)	0	0.1	0.2	0.3	0.4
						最强吸收峰1位置(GHz)	9.7	9.6	9.4	9.0	8.6
最强吸收峰1对应的最低反射损耗值(dB)	-29.7	-13.9	-11.5	-7.8	-6.5
						最强吸收峰2位置(GHz)	/	10.5	10.4	10.1	9.9
最强吸收峰2对应的最低反射损耗值(dB)	/	-3.2	-4.7	-6.8	-5.3

由表3可知，随着第一吸收体层与反射背衬层的间距t₂增加，反射损耗曲线由开始的单吸收峰向双吸收峰转变，最佳吸收峰1位置向低频移动，对应最强吸收峰强度同样呈下降趋势；最佳吸收峰2位置同样向低频移动，而对应最强吸收峰强度呈现先上升后下降的趋势。当第一吸收体层与反射背衬层的间距t₂为0.3mm，最强吸收峰1位置在9.0GHz，最强吸收峰1强度(最低反射损耗值)为-7.8dB；最强吸收峰2位置在10.1GHz，最强吸收峰2强度(最低反射损耗值)为-6.8dB。

Claims (4)

1.一种电磁波吸收材料，其特征在于，所述的电磁波吸收材料由反射背衬层、第一吸收体层和第二吸收体层依次组成，反射背衬层和第一吸收体层的间距为0.1～0.4mm，第一吸收体层和第二吸收体层的间距为0mm；所述吸收体层包含等间距网格状正交排布的组成为Co₆₃Fe₄B_22.4Si_5.6Nb₅的铁磁性非晶裸丝。

2.根据权利要求1所述的电磁波吸收材料，其特征在于，所述的铁磁性非晶裸丝的直径为10～60μm。

3.根据权利要求1所述的电磁波吸收材料，其特征在于，所述的铁磁性非晶裸丝形成的网格间距为1.8～3.0mm。

4.一种根据权利要求1～3任一项所述的电磁波吸收材料的制备方法，其特征在于，包括：

(1)将铁磁性非晶裸丝等间距网格状正交排布，并利用粘结剂附着于基体表面或内部制备得到单层吸收体层；

(2)依次构建反射背衬层和吸收体层。

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