CN108441067B - 一种基于石墨烯的蜂窝角锥吸波材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于石墨烯的蜂窝角锥吸波材料及其制备方法和应用。制备方法包括：(1)配制氧化石墨烯复合浆料：将氧化石墨烯、乙炔炭黑、双组份树脂、无水乙醇、分散剂和润湿剂按照(50～65):(6～10):(1800～2000):(300～400):(1.3～3):(0.9～2)的质量比混合，得到石墨烯复合浆料；(2)制作蜂窝角锥；(3)浸渍处理；(4)保护处理；(5)固化处理；和(6)后处理。利用该方法制得的吸波材料不仅能够起到强烈吸收电磁波的效果，而且借助于蜂窝孔的特殊设计使其具备通风、散热、耐受功率、长期使用的优点，非常适用于制作微波暗室。

Description

一种基于石墨烯的蜂窝角锥吸波材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及隐身材料技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯的蜂窝角锥吸波材料及其制备方法和应用。

背景技术

微波暗室主要是由角锥吸波材料和金属屏蔽体组建的特殊房间，它为设计提供空旷的“自由空间”条件，在微波暗室内做天线、雷达等无线通讯产品，以及电子产品与目标件测试可以免受杂波干扰，提高被测件测试精度和效率。角锥吸波材料利用自身电损耗或磁损耗特性，通过共振、驰豫、极化等机制，大量吸收电磁波的辐射能量，再通过耦合把电磁波的能量转变成热能或其他形式的能量而耗散掉。因此，角锥吸波材料的好坏在很大程度上决定微波暗室背景环境的优良，对整个微波暗室的设计及测试精度具有重要意义。

将聚氨酯类的泡沫塑料在含吸收组分的浆料中浸渍，经过一定的成型工艺，可以获得微波暗室用角锥吸波材料。这种材料具有优良的阻燃性，在微波暗室建造中被广泛使用。角锥吸波材料具备宽频吸收性能，并且吸收响应角度宽，是建造微波暗室的关键材料。为使其波传输阻抗尽可能与周围空气介质的阻抗相接近，角锥介质均制成棱锥状、圆锥状或楔形。锥体的长度与欲吸收的电磁波频率有关，电磁波的频率越低，则锥体的长度越长，通常应该大于或等于最低吸收频率的四分之一波长。但是，由于锥体长度太长，暗室的有效空间大大减小，同时土建费也会增加。

反射率(R，单位dB)是衡量角锥吸波材料吸收性能的重要指标，其定义为：

式(1)中，Ei是入射到角锥吸波材料上平面波的电场强度(V/m)；Er是平面波入射到角锥吸波材料后反射回来的电场强度(V/m)。式(2)是IEEE推荐标准中给出的公式，式中Pr是反射波的功率密度，而Pi是入射波的功率密度。上式表明，反射率全为负值，反射率越小(绝对值越大)，吸波材料的性能越好。

传统的聚氨酯发泡角锥虽然可以满足微波暗室的使用要求，但是当测试天线长时间照射时，材料内部容易集聚热量而带来安全隐患，于此同时也牺牲的微波吸收性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对传统的聚氨酯发泡角锥存在的上述问题，本发明提供了一种基于石墨烯的蜂窝角锥吸波材料及其制备方法和应用。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种基于石墨烯的蜂窝角锥吸波材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)配制氧化石墨烯复合浆料：将氧化石墨烯、乙炔炭黑、双组份树脂、无水乙醇、分散剂和润湿剂按照(50～65):(6～10):(1800～2000):(300～400):(1.3～3):(0.9～2)的质量比混合，得到石墨烯复合浆料；

(2)制作蜂窝角锥：将蜂窝芯材加工成角锥形状，得到蜂窝角锥；

(3)浸渍处理：将步骤(1)制得的石墨烯复合浆料用无水乙醇稀释，然后将步骤(2)制得的蜂窝角锥置于稀释后的氧化石墨烯复合浆料中浸渍；

(4)保护处理：将经浸渍处理后的蜂窝角锥置于清漆中浸渍；

(5)固化处理：将经保护处理后的蜂窝角锥进行固化；和

(6)后处理：将经固化处理后的蜂窝角锥固定到背板表面，得到所述蜂窝角锥吸波材料。

优选地：在步骤(5)中，将所述蜂窝角锥置于65～75℃的温度条件下进行所述固化，并且将所述固化的时间控制在4～5小时。

优选地：在步骤(4)中，所述蜂窝角锥在所述清漆中浸渍的时间为10～15分钟。

优选地：在步骤(3)中，所述蜂窝角锥在稀释后的氧化石墨烯复合浆料中浸渍的次数为5～8次，优选为5～7次。

优选地：浸渍时，从第一次浸渍至最后一次浸渍，浸渍的时间依次递减。

优选地：第一次浸渍的时间为3～5小时，后续浸渍时，浸渍时间比上一次浸渍的时间减少30～40分钟。

优选地：在步骤(3)中，稀释时，所用无水乙醇的质量与所述石墨烯复合浆料的质量之比为(8～10)：20。

优选地：在步骤(1)中，所述双组份树脂为双组份环氧树脂。

一种基于石墨烯的蜂窝角锥吸波材料，采用上述制备方法制得。

上述基于石墨烯的蜂窝角锥吸波材料在微波暗室中的应用。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)本发明提供的基于石墨烯的蜂窝角锥吸波材料不仅能够起到强烈吸收电磁波的效果，而且借助于蜂窝孔的特殊设计使其具备通风、散热、耐受功率、长期使用的优点。

(2)本发明提供的制备方法的成本低、工艺简单且操作方便、易于实现工业化生产，制得的产品性能可靠，质量稳定，不仅能够起到吸收电磁波的效果，而且还具备通风、散热、耐受功率、长期使用的优点。

附图说明

图1是实施例1制得的蜂窝角锥吸波材料的结构示意图；

图2是实施例1制得的蜂窝角锥吸波材料的反射率曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于石墨烯的蜂窝角锥吸波材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)配制氧化石墨烯复合浆料：将氧化石墨烯、乙炔炭黑、双组份树脂、无水乙醇、分散剂和润湿剂混合，得到石墨烯复合浆料。上述各制备组分的质量比为(50～65):(6～10):(1800～2000):(300～400):(1.3～3):(0.9～2)，优选为50:6:1800:300:1.3:0.9。其中所用的氧化石墨烯可以选自市售产品，也可以按照现有的方法进行制备。所用的双组份树脂优选为双组份环氧树脂，可以选用市售产品。所用的分散剂和润湿剂也均为市售产品，例如，分散剂可以选用BYK-346或SN-5029，润湿剂可以选用PE-100。当然，除了上述提到的分散剂或润湿剂，还可以选用其它型号的产品。此处列举上述几种产品仅为了说明，而不能将其理解为其对分散剂或润湿剂的限定。为了将上述各组分混合均匀，可以采用均质机对上述各组分混合后得到的混合物进行高速分散处理。优选地，采用均质机对混合物分散0.5～1小时，均质机转速设置为500～1000r/min。

(2)制作蜂窝角锥：将蜂窝芯材(选用常规蜂窝芯材即可)加工成符合设计要求的角锥形状，得到蜂窝角锥。

(3)浸渍处理：将步骤(1)制得的石墨烯复合浆料用无水乙醇稀释，所用无水乙醇的质量与所述石墨烯复合浆料的质量之比可以控制在(8～10)：20，然后将步骤(2)制得的蜂窝角锥置于稀释后的氧化石墨烯复合浆料中反复多次浸渍，浸渍的次数为5～10次，优选为5～7次。浸渍时，从第一次浸渍至最后一次浸渍，浸渍的时间依次递减。优选地，第一次浸渍的时间为3～5小时，后续浸渍时，浸渍时间比上一次浸渍的时间减少30～40分钟。

(4)保护处理：将经浸渍处理后的蜂窝角锥置于清漆中浸渍，从而在蜂窝角锥的表面覆盖一层清洗，用以阻止空气中水、碳氧化物、硫化物等对石墨烯层造成的侵蚀。在该步骤中，为了取得较好的浸渍效果，浸渍的时间可以控制在10～15分钟，并且浸渍结束后，将蜂窝角锥晾置表干20min。所用的清漆为市售产品。

(5)固化处理：将经保护处理后的蜂窝角锥进行固化，固化时的温度可以选择65～75℃(例如65℃、70℃、75℃)，固化的时间可以控制在4～5小时，从而使前续步骤中的浸渍材料取得较好的固化效果。

(6)后处理：可以在所述蜂窝角锥的底面粘接胶液或销接塑料螺栓，将经固化处理后的蜂窝角锥固定到背板表面，从而得到所述蜂窝角锥吸波材料。

本发明还提供了一种基于石墨烯的蜂窝角锥吸波材料，采用上述制备方法制得。

石墨烯作为一种新型的碳材料，具有优异的力学、热学和电学特性。尤为重要的是，石墨烯较高的介电常数以及外层电子易极化弛豫特性使其可作为介电损耗吸波基材。本发明采用氧化石墨烯与多种组分配制成的氧化石墨烯复合浆料作为涂层用料，再借助特定的固化处理、浸渍处理方法，充分发挥石墨烯的电学性能，使得本发明提供的吸波材料在26.5GHz～40GHz的宽频带范围内具有较低的反射率，即本发明提供的吸波材料在26.5GHz～40GHz的宽频带范围内能够起到强烈吸收电磁波的效果。而且借助于蜂窝孔的特殊设计，本发明提供的吸波材料还具备通风、散热、耐受功率、长期使用的优点。

本发明提供的基于石墨烯的蜂窝角锥吸波材料在微波暗室中的应用。

以下是本发明列举的实施例。

实施例1

S1、称取氧化石墨烯50g、乙炔炭黑6g、双组份环氧树脂1800g、无水乙醇300g、BYK-346分散剂1.3g、PE-100润湿剂0.9g混合，将混合物经均质机高速分散处理，得到石墨烯复合浆料。制备石墨烯复合物浆料的原料的来源广泛、成本低廉，在保证吸波效果的同时，还能显著降低制备蜂窝结构材料的成本。同时，丰富的原料来源也利于产品性能和质量的稳定，提高制得的蜂窝角锥吸波材料的可靠性。

S2、将蜂窝芯材按电性能设计要求加工成角锥形状，得到制作用的蜂窝角锥。

S3、取石墨烯复合浆料2000g，用1000mL无水乙醇稀释，然后将稀释后的石墨烯复合浆料注入600mm×600mm×500mm的不锈钢液槽中，再将蜂窝角锥浸入其中浸泡3小时，这是第一次浸渍，一共浸渍5次。后续浸渍的时间均比上一次浸渍的时间递减0.5小时，因此，第二次浸渍的时间为2.5小时，第三次浸渍的时间为2小时，第四次浸渍的时间为1.5小时，第五次浸渍的时间为1小时，浸渍的方式同第一次浸渍的方式相同。而且，为了确保浸渍效果，每一次浸渍结束后，用细铁丝勾住蜂窝角锥的两个角提起，放到工装架上晾置20min，然后再进行下一次浸渍。

S4、对浸渍后的蜂窝角锥进行保护处理，具体做法为：将浸渍后的蜂窝角锥浸入清漆中浸泡10分钟，然后将蜂窝角锥晾置表干20min。通过这一保护处理，可以阻止空气中水、碳氧化物、硫化物等对石墨烯层造成的侵蚀。

S5、对蜂窝角锥壁面上的浸渍材料进行固化处理，具体做法为：将经上述保护处理的蜂窝角锥放入烘箱内，烘箱内的温度控制在70℃，在这一温度条件下下保持4h。

S6、在经固化处理的蜂窝角锥的底面粘接胶液，固定到背板表面，最终形成基于石墨烯的蜂窝角锥吸波材料。

根据本实施例得到的蜂窝角锥吸波材料，成本低、制备工艺简单且操作方便、易于实现工业化生产，制得的产品性能可靠，质量稳定，不仅能够起到吸收电磁波的效果，而且还具备通风、散热、耐受功率、长期使用的优点。

如图1所示，本发明的蜂窝角锥吸波材料从上到下依次包括：蜂窝角锥和背板。采用多次反射吸波结构遵循电磁波空间传输阻抗匹配原理，电磁波入射到相邻角锥与蜂窝孔壁，渐进渐入，逐步衰减。以石墨烯复合物浆料作为吸收剂浸泡蜂窝芯，能够使蜂窝结构雷达吸波材料具备宽频隐身性能，有效吸收带宽涵盖26.5～40GHz。

图2示出了本实施例的蜂窝角锥吸波材料的反射率曲线示意图。图中，横坐标为频率，单位为GHz，纵坐标为反射率，单位为dB。根据图2可知，蜂窝角锥吸波材料在26.5GHz～40GHz的宽频带范围内的反射率极低(＜-60dB)，具备非常好的吸波性能。

综上所述，本发明提供的这一吸波材料无论是从成本、制备工艺，还是从吸波性能上考虑，均为一种优异的微波暗室制作材料。而且该吸波材料不但具有优异的吸波性能，还具备通风、散热、耐受功率、长期使用的优点。

实施例2

制备方法同实施例1基本上相同，不同之处在于：

在S3中，第一次浸渍的时间为4小时，第二次浸渍的时间为3.5小时，第三次浸渍的时间为3小时，第四次浸渍的时间为2.5小时，第五次浸渍的时间为2小时。

在S5中，固化的温度为75℃，固化的时间为5小时。

对该实施例制得的产品的反射率进行检测得知，蜂窝角锥吸波材料在26.5GHz～40GHz的宽频带范围内的反射率最大值为-66dB，具备非常好的吸波性能。

实施例3

制备方法同实施例1基本上相同，不同之处在于：

在S3中，第一次浸渍的时间为5小时，第二次浸渍的时间为4.5小时，第三次浸渍的时间为4小时，第四次浸渍的时间为3.5小时，第五次浸渍的时间为3小时。

在S5中，固化的温度为75℃，固化的时间为5小时。

对该实施例制得的产品的反射率进行检测得知，蜂窝角锥吸波材料在26.5GHz～40GHz的宽频带范围内的反射率最大值为-68dB，具备非常好的吸波性能。

实施例4

制备方法同实施例1基本上相同，不同之处在于：

在S3中，浸渍的次数为6次，第一次浸渍的时间为3小时，第二次浸渍的时间为2.5小时，第三次浸渍的时间为2小时，第四次浸渍的时间为1.5小时，第五次浸渍的时间为1小时，第六次浸渍的时间为0.5小时。

在S5中，固化的温度为75℃，固化的时间为5小时。

对该实施例制得的产品的反射率进行检测得知，蜂窝角锥吸波材料在26.5GHz～40GHz的宽频带范围内的反射率最大值为-64dB，具备非常好的吸波性能。

实施例5

制备方法同实施例1基本上相同，不同之处在于：

配制氧化石墨烯复合浆料的各组分用量为：氧化石墨烯55g、乙炔炭黑8g、双组份环氧树脂1900g、无水乙醇350g、SN-5029分散剂2.5g、PE-100润湿剂1.5g。

对该实施例制得的产品的反射率进行检测得知，蜂窝角锥吸波材料在26.5GHz～40GHz的宽频带范围内的反射率最大值为-66dB，具备非常好的吸波性能。

实施例6

制备方法同实施例1基本上相同，不同之处在于：

配制氧化石墨烯复合浆料的各组分用量为：氧化石墨烯65g、乙炔炭黑10g、双组份环氧树脂2000g、无水乙醇400g、BYK-346分散剂3g、PE-100润湿剂2g。

对该实施例制得的产品的反射率进行检测得知，蜂窝角锥吸波材料在26.5GHz～40GHz的宽频带范围内的反射率最大值为-69dB，具备非常好的吸波性能。

对比例

采用申请人在2016年3月22号申请的发明专利(申请公布号为CN105818453A)中公开的方法制作吸波材料，具体的制备方法包括如下步骤：

配制功能化石墨烯浆料：称取功能化石墨烯30g、乙炔炭黑15g、耐高温树脂200g、无水乙醇350g、分散剂2.3g、润湿剂1.3g，经均质机高速分散处理，得到混合均匀功能化石墨烯浆料；

蜂窝芯浸渍功能化石墨烯浆料：取石墨烯浆料150g，加溶剂稀释，使石墨烯浆料的质量占总质量的20wt％，然后注入600mm×600mm×500mm的不锈钢液槽，将蜂窝芯浸入石墨烯浆料中浸泡2h，用细铁丝勾住蜂窝两个角提起，放到工装架上晾置20min，反复浸渍、称重,直至达到所需的浸泡时间，其中，第三吸波蜂窝浸泡3次，第二吸波蜂窝浸泡4次，第一吸波蜂窝浸泡5次；最后，将浸渍功能化石墨烯浆料后的蜂窝芯放入烘箱内进行固化处理，固化工艺条件为160℃下保持2h。

粘接3层蜂窝结构：使用耐高温胶粘接将第一至第三吸波蜂窝，常温下凉置30min后固化，固化工艺条件为120℃下保持1h。

粘接蜂窝上下表面的PMI(即聚甲基丙烯酰亚胺)蒙皮：将PMI蒙皮覆盖在成型后的蜂窝上下表面，使用耐高温胶粘接，常温下凉置30min后固化，固化工艺条件为120℃下保持1h。

粘接金属基底反射层：将金属基底反射层贴敷在蜂窝下蒙皮，使用耐高温胶粘接，常温条件下凉置30min后固化，固化工艺条件为120℃下保持1h，最终得到吸波材料。

采用这一方法制得的吸波材料的频带范围为2～12GHz，并且在这一宽频带范围内的反射率最大值为-25dB。该吸波材料的频带范围与本发明制得的吸波材料不同，而且反射率也与本发明制得的吸波材料相差较大(本发明制得的吸波材料的反射率更小)。对比例1制得的吸波材料适用于雷达等武器装备的隐身，本发明制得的吸波材料的吸波性能更好，再加上具备通风、散热、耐受功率、长期使用的优点，更适用于制作微波暗室。

综上所述，本发明采用氧化石墨烯与多种组分配制成的氧化石墨烯复合浆料作为涂层用料，再借助特定的固化处理、浸渍处理方法，充分发挥石墨烯的电学性能，使得本发明提供的吸波材料在26.5GHz～40GHz的宽频带范围内具有较低的反射率，即本发明提供的吸波材料在26.5GHz～40GHz的宽频带范围内能够起到强烈吸收电磁波的效果。而且借助于蜂窝孔的特殊设计，本发明提供的吸波材料还具备通风、散热、耐受功率、长期使用的优点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于石墨烯的蜂窝角锥吸波材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：

(1)配制氧化石墨烯复合浆料：将氧化石墨烯、乙炔炭黑、双组份环氧树脂、无水乙醇、分散剂和润湿剂按照(50～65):(6～10):(1800～2000):(300～400):(1.3～3):(0.9～2)的质量比混合，得到石墨烯复合浆料；

(2)制作蜂窝角锥：将蜂窝芯材加工成角锥形状，得到蜂窝角锥；

(3)浸渍处理：将步骤(1)制得的石墨烯复合浆料用无水乙醇稀释，然后将步骤(2)制得的蜂窝角锥置于稀释后的氧化石墨烯复合浆料中浸渍；浸渍的次数为5～8次；浸渍时，从第一次浸渍至最后一次浸渍，浸渍的时间依次递减；第一次浸渍的时间为3～5小时，后续浸渍时，浸渍时间比上一次浸渍的时间减少30～40分钟；

(4)保护处理：将经浸渍处理后的蜂窝角锥置于清漆中浸渍；

(5)固化处理：将经保护处理后的蜂窝角锥进行固化；和

(6)后处理：将经固化处理后的蜂窝角锥固定到背板表面，得到所述蜂窝角锥吸波材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤(5)中，将所述蜂窝角锥置于65～75℃的温度条件下进行所述固化，并且将所述固化的时间控制在4～5小时。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述蜂窝角锥在所述清漆中浸渍的时间为10～15分钟。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述蜂窝角锥在稀释后的氧化石墨烯复合浆料中浸渍的次数为5～7次。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤(3)中，稀释时，所用无水乙醇的质量与所述石墨烯复合浆料的质量之比为(8～10)：20。

6.一种基于石墨烯的蜂窝角锥吸波材料，其特征在于，采用权利要求1至5任一项所述制备方法制得。

7.权利要求6所述的基于石墨烯的蜂窝角锥吸波材料在微波暗室中的应用。

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