CN108441166A - 一种锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于吸波材料领域，公开了一种锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料及其制备方法，采用热蒸发法在碳纤维无纺布表面生长碳化硅纳米线，将碳化硅/碳纤维无纺布和碳纤维无纺布分别浸渍在锂铝硅先驱体粉末、增稠剂和表面活性剂制备的浆料中，叠层后真空烧结，获得锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料。本发明的三元复合吸波材料，质量轻，制备方法简单，吸波性能强，吸收频段宽，阻抗匹配性能好，是一种优异的轻质微波吸收材料。

Description

一种锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料及其 制备方法

技术领域

本发明涉及吸波材料领域，具体地说是一种锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料及其制备方法。

背景技术

电磁技术的迅速发展在给人类社会带来极大便利的同时，也不可避免地产生了一些问题。例如：涉密电磁信号如果不能及时消除，可能会导致泄密；电磁波干扰会导致一些电子产品无法正常使用；不同频率的电磁辐射充斥着人们的生活空间，破坏了人类良好的生态环境，造成了严重的电磁污染。另外，为适应现代战争的需要，隐身技术的研究已受到世界各军事大国的高度重视。因此，电磁波的吸收技术至关重要。

碳纤维由于其导电性良好、重量轻、成本低而被广泛用作电磁波吸收体。然而，弱吸收峰和窄吸收带限制了它的应用。碳化硅具有密度低、热稳定，机械强度优良，导电性可调的特点，此外，由于低维度和形状的影响，SiC纳米线表现出更好的电磁波吸收能力。因此，碳化硅纳米线涂覆的碳纤维可以实现不错的电磁波衰减，但由于碳材料介电常数大，因此与自由空间的阻抗匹配特性较差。而锂铝硅微晶玻璃具有优异的电磁波透过性，而且热膨胀系数低，密度低，耐高温，化学稳定性好，可以作为吸波材料的优良基体，用以调节材料的阻抗匹配，实现高效的吸波性能。

最近几年，有些研究者已经对碳化硅纳米线在碳纤维上的生长做过研究。现有的制备方法有化学气相沉积法、化学气相渗透法，还有本发明中采用的热蒸发法，但锂铝硅微晶玻璃作为碳化硅/碳纤维复合材料的基体，在保证轻质的前提下增强材料的阻抗匹配特性的报道还未有过。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术和材料性能的不足，提供了一种质量轻，吸波性能强，吸收频段宽，阻抗匹配性能好的三元复合吸波材料，同时还提供了一种制备出三元复合吸波材料的简单工艺路线。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

提供一种锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料的制备方法，包括如下制备步骤：

步骤一、将聚乙烯醇颗粒加入去离子水，加热至约95℃，搅拌均匀后获得聚乙烯醇水溶液；将FeNi50合金粉末配制成溶液，作为催化剂和乙炔黑粉末一起加入所述聚乙烯醇水溶液中，超声分散和机械搅拌至混合均匀，获得混合溶液；

步骤二、将碳纤维无纺布在所述混合溶液中浸渍，烘干；

步骤三、采用热蒸发法在碳纤维表面生长碳化硅纳米线，获得碳化硅/碳纤维复合材料；

步骤四、采用溶胶凝胶法制备锂铝硅凝胶先驱体粉末；

步骤五、将步骤四制得的锂铝硅凝胶先驱体粉末、增稠剂和表面活性剂通过球磨的方式混合，制成浆料，用该浆料分别浸渍碳纤维无纺布和碳化硅/碳纤维无纺布，将浸渍浆料的碳纤维布和碳化硅/碳纤维无纺布相互叠层后置入真空烧结炉中，以5℃/min的升温速率从室温升高到1300℃，并保温0.5h，得到锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料。

本发明创造性的将具有优异的电磁波透过性的锂铝硅微晶玻璃引入碳化硅/碳纤维复合材料中，同时，将碳纤维和碳化硅/碳纤维层叠，让电磁波在材料内部多次反射，衰减，进而被吸收，得到了一种全新的吸波材料，不仅使得复合材料的吸波、力学性能协同提高，还减小吸波体的厚度，满足部件轻量化的要求。在7.2GHz处反射损耗最小值达到了-37.8dB，对应厚度只有3.0mm，有效带宽4.6GHz，且在厚度为2-5mm范围内反射损耗达到-10dB以下所覆盖的频宽为4-18GHz。由于反射损耗达到-10dB以下意味着90％的电磁波得到吸收，因此与未引入锂铝硅的二元复合材料相比，该材料的反射损耗大大减小，有效吸收带宽增加。可见，加入锂铝硅后吸波材料的阻抗匹配得到满足，吸波性能得到了很大的提升。

优选的，所述碳纤维无纺布中碳纤维的直径为7μm。

优选的，步骤一中，所述聚乙烯醇水溶液的质量分数为3wt％。

优选的，步骤二中，烘干的温度约为45℃。

优选的，步骤三的具体工艺为：将硅粉平铺在氧化铝坩埚底部，同样大小的坩埚互相扣置，浸渍处理过的碳纤维无纺布放置于两坩埚中间，置于氩气气氛管式炉中，以8℃/min的升温速率将温度从室温升高到1500℃，并保温4h，得到硅碳摩尔比1∶3的碳化硅/碳纤维复合材料。

优选的，所述步骤四中溶胶凝胶法制备锂铝硅凝胶先驱体粉末的具体工艺为：将硝酸铝制成水溶液，加热至约75℃，向溶液中滴加氨水至粘稠，形成勃姆石溶胶，加入硝酸锂溶液，形成锂铝溶胶，再缓慢加入硅溶胶，搅拌3-4h得到锂铝硅溶胶，将形成的锂铝硅溶胶在100℃下烘干，研磨得到锂铝硅凝胶先驱体粉末。

优选的，所述步骤五中，增稠剂为甲基纤维素，表面活性剂为聚乙二醇；球磨时间为6h。

本发明同时提供了，一种采用上述制备方法制得的锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料，包括碳纤维无纺布，表面生长有碳化硅纳米线的碳纤维无纺布和锂铝硅微晶玻璃，被锂铝硅微晶玻璃所包覆的表面生长有碳化硅纳米线的碳纤维无纺布和碳纤维无纺布相互叠层。

优选的，所述碳化硅纳米线的直径为30nm；所述锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料的厚度为2-5mm；更优的，厚度为3mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

在工艺上，本发明制备方法简单，生长碳化硅纳米线的工艺中，将硅粉平铺在氧化铝坩埚底部，同样大小的坩埚互相扣置，浸渍处理过的碳纤维无纺布放置于两坩埚中间，置于氩气气氛管式炉中，这样设置可以使碳纤维和硅粉保持一定的距离，以保证与其反应的是硅蒸汽，从而充分反应，并且碳化硅纳米线生长的碳源是单独引入的乙炔黑，碳纤维布只作为生长的基体，从而保证了碳纤维的良好形貌，且得到的碳化硅纳米线产量高，性能好。在性能上，作为基体的锂铝硅透波性强，使材料与自由空间的阻抗匹配良好，减少了电磁波在材料前表面的反射，进而使大部分电磁波进入材料内部被吸收、转化而损耗，同时，将碳纤维和碳化硅/碳纤维层叠，让电磁波在材料内部多次反射，衰减，进而被吸收，大大提高材料的电磁波吸收性能。与碳化硅/碳纤维二元复合材料相比，材料的反射损耗大大减小，有效吸收带宽增加，阻抗匹配性能好，吸波性能得到增强。由于碳化硅、碳纤维和锂铝硅微晶玻璃密度低、耐高温、化学性能稳定，因此与传统的铁氧体吸波材料相比，该三元复合材料具有质量轻、性能稳定、吸波能力强的特点，是一种优异的新型复合吸波材料。

附图说明

图1为实施例2所涉及的扫描电子显微镜图片(a为碳纤维无纺布；b为碳化硅/碳纤维复合材料；c为进一步放大的碳化硅纳米线；d为本发明所制得的锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料)。

图2是不同厚度(2mm，3mm，4mm，5mm)的碳化硅/碳纤维复合材料和锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合材料的反射损耗曲线(a为碳化硅/碳纤维复合材料，b为锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1：一种锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料的制备方法，包括如下制备步骤：

步骤一、将聚乙烯醇颗粒加入去离子水，加热至95℃，搅拌均匀后获得质量分数3wt％聚乙烯醇水溶液；将FeNi50合金粉末配制成0.005mol/L的溶液，作为催化剂和乙炔黑粉末一起加入所述聚乙烯醇水溶液中，超声分散和机械搅拌至混合均匀，获得混合溶液；

步骤二、将碳纤维无纺布在所述混合溶液中浸渍，浸渍后45℃烘干，其中碳纤维的直径为7μm；

步骤三、采用热蒸发法在碳纤维表面生长碳化硅纳米线，将砷粉平铺在氧化铝坩埚底部，同样大小的坩埚互相扣置，浸渍处理过的碳纤维无纺布放置于两坩埚中间，置于氩气气氛管式炉中，以8℃/min的升温速率将温度从室温升高到1500℃，并保温4h，得到硅碳摩尔比1∶3的碳化硅/碳纤维复合材料；

步骤四、采用溶胶凝胶法制备锂铝硅凝胶先驱体粉末；将硝酸铝制成水溶液，加热至75℃，向溶液中滴加氨水至粘稠，形成勃姆石溶胶，加入硝酸锂溶液，形成锂铝溶胶，再缓慢加入硅溶胶，搅拌3-4h得到锂铝硅溶胶，将形成的锂铝硅溶胶在100℃下烘干，研磨得到锂铝硅凝胶先驱体粉末。

步骤五、取步骤四制得的锂铝硅凝胶先驱体粉末90g溶于150g水中，将5g甲基纤维素溶于60g温水中，与8ml聚乙二醇通过球磨的方式混合，制成浆料，其中球磨6h，用该浆料分别浸渍表面未生长碳化硅纳米线的碳纤维无纺布和碳化硅/碳纤维无纺布，将浸渍浆料的碳纤维布和碳化硅/碳纤维无纺布相互叠层后置入真空烧结炉中，以5℃/min的升温速率从室温升高到1300℃，并保温0.5h，得到锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料。

碳纤维表面生长碳化硅纳米线的工艺中，与直接利用碳纤维布做碳源相比，引用乙炔黑可以提供丰富的碳源，从而极大的提高碳化硅纳米线的产量，FeNi50催化剂在反应中作为储存碳、硅、氧等原子的场所，进而催化反应，加快碳化硅纳米线的生长；步骤五中，甲基纤维素作为增稠剂，聚乙二醇作为表面活性剂，极大的增强了锂铝硅微晶玻璃和碳化硅/碳纤维复合材料的结合。

实施例2：采用实施例1的方法制备的锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料，包括表面未生长碳化硅纳米线的碳纤维无纺布，表面生长有碳化硅纳米线的碳纤维无纺布和锂铝硅微晶玻璃，被锂铝硅微晶玻璃所包覆的表面生长有碳化硅纳米线的碳纤维无纺布和表面未生长碳化硅纳米线的碳纤维无纺布相互叠层，碳化硅纳米线的直径为30nm；通过后续机械加工，可以获得不同厚度的锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料。

图1(b)和1(c)是本发明所获得中间产物碳化硅/碳纤维复合材料的扫描电镜图，碳化硅纳米线生长方向各异，且呈蘑菇头形状，碳化硅纳米线均匀的覆盖在碳纤维表面；图1(d)是锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料，可以看出碳纤维被锂铝硅微晶玻璃均匀地包覆。

本发明制备的锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料吸波性能强，吸收频段宽，阻抗匹配性能好。图2(a)中碳化硅/碳纤维复合材料在厚度为5.0mm时最大反射损耗为-27.7dB，对应于15.9GHz，2～18GHz范围内有效带宽(反射损耗＜-10dB)2.5GHz，而采用叠层且与锂铝硅复合以后，如图2(b)所示，在7.2GHz处最大反射损耗达到了-37.8dB，对应厚度只有3.0mm，有效带宽4.6GHz，且在厚度为2-5mm范围内反射损耗达到-10dB以下所覆盖的频宽为4-18GHz。由于反射损耗达到-10dB以下意味着90％的电磁波得到吸收，因此与未引入锂铝硅的二元复合材料相比，该材料的反射损耗大大减小，有效吸收带宽增加。可见，加入锂铝硅后材料的阻抗匹配得到满足，吸波性能得到了很大的提升。

Claims (9)

1.一种锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：

步骤一、将聚乙烯醇颗粒加入去离子水，加热至约95℃，搅拌均匀后获得聚乙烯醇水溶液；将FeNi50合金粉末配制成溶液，作为催化剂和乙炔黑粉末一起加入所述聚乙烯醇水溶液中，超声分散和机械搅拌至混合均匀，获得混合溶液；

步骤二、将碳纤维无纺布在所述混合溶液中浸渍，烘干；

步骤三、采用热蒸发法在碳纤维表面生长碳化硅纳米线，获得碳化硅/碳纤维复合材料；

步骤四、采用溶胶凝胶法制备锂铝硅凝胶先驱体粉末；

步骤五、将步骤四制得的锂铝硅凝胶先驱体粉末、增稠剂和表面活性剂通过球磨的方式混合，制成浆料，用该浆料分别浸渍碳纤维无纺布和碳化硅/碳纤维无纺布，将浸渍浆料的碳纤维无纺布和碳化硅/碳纤维无纺布相互叠层后置入真空烧结炉中，以5℃/min的升温速率从室温升高到1300℃，并保温0.5h，得到锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳纤维无纺布中碳纤维的直径为7μm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述聚乙烯醇水溶液的质量分数为3wt％。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤二中，烘干的温度约为45℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤三的具体工艺为：将硅粉平铺在氧化铝坩埚底部，同样大小的坩埚互相扣置，浸渍处理过的碳纤维无纺布放置于两坩埚中间，置于氩气气氛管式炉中，以8℃/min的升温速率将温度从室温升高到1500℃，并保温4h，得到硅碳摩尔比1∶3的碳化硅/碳纤维复合材料。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤四中溶胶凝胶法制备锂铝硅凝胶先驱体粉末的具体工艺为：将硝酸铝制成水溶液，加热至约75℃，向溶液中滴加氨水至粘稠，形成勃姆石溶胶，加入硝酸锂溶液，形成锂铝溶胶，再缓慢加入硅溶胶，搅拌3-4h得到锂铝硅溶胶，将形成的锂铝硅溶胶在100℃下烘干，研磨得到锂铝硅凝胶先驱体粉末。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤五中，增稠剂为甲基纤维素，表面活性剂为聚乙二醇；球磨时间为6h。

8.一种根据权利要求1-7任一项的制备方法制得的锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料，其特征在于，包括碳纤维无纺布，表面生长有碳化硅纳米线的碳纤维无纺布和锂铝硅微晶玻璃，被锂铝硅微晶玻璃所包覆的表面生长有碳化砖纳米线的碳纤维无纺布和碳纤维无纺布相互叠层。

9.据权利要求8所述的三元复合吸波材料，其特征在于，所述碳化硅纳米线的直径为30nm；所述锂铝硅微晶玻璃/碳化硅/碳纤维三元复合吸波材料的厚度为2-5mm，更优的3mm。