CN108819384B - 一种多层结构的电磁纤维吸波材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多层结构的电磁纤维吸波材料及其制备方法，属于功能材料技术领域，该吸波材料为四层复合结构，从上至下依次为第一吸波层、第二吸波层、第三吸波层和第四吸波层，本发明提供的多层结构的电磁纤维吸波材料，利用阻抗梯度设计原理，实现了最优阻抗匹配，最大限度减少了电磁波的反射，采用三种不同类型电磁纤维吸收剂，借助电损耗与磁损耗兼容损耗机制，在4～8GHz波段反射率优于‑9dB，8～18GHz波段反射率优于‑10dB，实现了对4‑18GHz宽频电磁波吸收；本发明以纤维增强树脂作为基体，力学强度高，可直接作为承载件或紧固在金属或非金属结构材料表面使用，复合结构整体厚度小于5mm，面密度低于9kg/cm2，可以满足抗电磁辐射干扰的军民用工程对吸波材料的迫切需求。

Description

一种多层结构的电磁纤维吸波材料及其制备方法
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，涉及一种多层结构的电磁纤维吸波材料及其制备方法。
背景技术
吸波材料能将电磁波能量转换成其它形式的能量而损耗衰减掉，吸波材料最早应用在隐身技术领域，用于吸收衰减雷达波信号，提高武器装备系统的防雷达探测能力。随着电子通讯技术的迅猛发展及现代军事工程应用技术不断进步，电磁兼容和抗电磁辐射干扰也亟需一种宽频化、结构化等多重功能的吸波材料。现有的电磁吸波材料因填充粉体吸收剂，如磁性金属及其合金、导电碳材料、导电高聚物、铁氧体等，能在8～18GHz具有良好吸波性能，而在4～8GHz的吸波性能不理想，且其比重大、力学强度低，不能满足工程实际对吸波材料的综合性能要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在4～18GHz宽频波段吸波性能好的多层结构的电磁纤维吸波材料及其制备方法。
本发明提供的这种多层结构的电磁纤维吸波材料，该吸波材料为四层复合结构，从上至下依次为第一吸波层、第二吸波层、第三吸波层和第四吸波层，所述第一吸波层、第二吸波层、第三吸波层和第四吸波层经热压形成整体，其阻抗满足以下关系：第一吸波层＞第二吸波层＞第三吸波层＞第四吸波层。
所述第一吸波层由以下原料制成，所述原料按重量份计包括：玻璃纤维60～70份，填充剂8～10份，环氧粘结剂30～40份，偶联剂2～3份。
所述第二吸波层由以下原料制成，所述原料按重量份计包括：多晶铁纤维3～5份，玻璃纤维60～70份，填充剂8～10份，环氧粘结剂40～50份，偶联剂2～3份。
所述第三吸波层由以下原料制成，所述原料按重量份计包括：碳纤维0.3～0.5份，玻璃纤维60～70份，填充剂8～10份，环氧粘结剂40～50份，偶联剂2～3份。
所述第四吸波层由以下原料制成，所述原料按重量份计包括：不锈钢纤维0.4～0.6份，玻璃纤维60～70份，填充剂8～10份，环氧粘结剂40～50份，偶联剂2～3份。
优选的，所述第一吸波层的厚度为1.6～2.0mm；所述第二吸波层的厚度为1.0～1.2mm；所述第三吸波层的厚度为0.8～1.0mm；所述第四吸波层的厚度为0.8～1.0mm。
优选的，所述玻璃纤维为无碱玻璃纤维方格布、玻璃纤维连续毡一种或两种组合。
优选的，所述多晶铁纤维的直径3～6um，长径比为(25～30)：1。
优选的，所述碳纤维的直径10～18um，长径比为(20～40)：1。
优选的，所述不锈钢纤维的直径6～7um，长径比为(400～600)：1。
优选的，所述填充剂为500目石英粉。
优选的，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550、KH560和KH570中的一种或多种组合。
本发明还提供一种多层结构的电磁纤维吸波材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)第四吸波层的制备：取40～50份环氧粘结剂，加入8～10份填充剂、2～3份偶联剂，配制成粘结剂基料；取60～70份玻璃纤维，浸润粘结剂基料，在其表面均匀涂刷一层直径6～7um，长径比为(400～600)：1的不锈钢纤维吸收剂0.4～0.6份，制成压料；采用热压工艺，控制第四吸波层的厚度为0.8～1.0mm，制品脱模后，放置烘箱加热，使之完全固化，即得；
(2)第三吸波层的制备：取40～50份环氧粘结剂，加入8～10份填充剂、2～3份偶联剂，配制成粘结剂基料；取60～70份玻璃纤维，浸润粘结剂基料，将浸润粘结剂基料的玻璃纤维平铺于第四吸波层的上方，然后在其表面均匀涂刷一层直径10～18um，长径比为(20～40)：1的碳纤维0.3～0.5份，制成压料；采用热压工艺，控制第三吸波层的厚度为0.8～1.0mm；制品脱模后，放置烘箱加热，使之完全固化，即得；
(3)第二吸波层的制备：取40～50份环氧粘结剂，加入8～10份填充剂、2～3份偶联剂，配制成粘结剂基料；取60～70份玻璃纤维，浸润粘结剂基料，将浸润粘结剂基料的玻璃纤维平铺于第三吸波层的上方，然后在其表面均匀涂刷一层直径3～6um，长径比为(25～30)：1的多晶铁纤维3～5份，制成压料；采用热压工艺，控制第二吸波层的厚度为1.0～1.2mm；制品脱模后，放置烘箱加热，使之完全固化，即得；
(4)第一吸波层的制备：取30～40份环氧粘结剂，加入8～10份填充剂、2～3份偶联剂，配制成粘结剂基料；取60～70份玻璃纤维，浸润粘结剂基料，将浸润粘结剂基料的玻璃纤维平铺于第二吸波层的上方，制成压料；采用热压工艺，控制第一吸波层的厚度为1.6～2.0mm；制品脱模后，放置烘箱加热，使之完全固化，即得所述多层结构的电磁纤维吸波材料。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
(1)本发明提供的多层结构的电磁纤维吸波材料，利用阻抗梯度设计原理，实现了最优阻抗匹配，最大限度减少了电磁波的反射，采用三种不同类型电磁纤维吸收剂(多晶铁纤维、碳纤维和不锈钢纤维)，借助电损耗与磁损耗兼容损耗机制，在4～8GHz波段反射率优于-9dB，8～18GHz波段反射率优于-10dB，实现了对4-18GHz宽频电磁波吸收。
(2)本发明提供的多层结构的电磁纤维吸波材料，以纤维增强树脂作为基体，力学强度高，可直接作为承载件或紧固在金属或非金属结构材料表面使用，复合结构整体厚度小于5mm，面密度低于9kg/cm2，而且其制备工艺稳定，操作便捷，生产成本低，可以满足军民用工程对吸波材料的迫切需求。
(3)本发明提供的多层结构的电磁纤维吸波材料的制备方法，工艺条件温和，操作简单，生产成本低，利于工业化生产。
附图说明
图1为本发明多层结构的电磁纤维吸波材料的结构示意图。
图2为本发明实施例1所得多层结构的电磁纤维吸波材料在4～8GHz频段的吸波性能图。
图3为本发明实施例1所得多层结构的电磁纤维吸波材料在8～18GHz频段的吸波性能图。
图中：1—第一吸波层；2—第二吸波层；3—第三吸波层；4—第四吸波层。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，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，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
实施例1
本发明提供一种多层结构的电磁纤维吸波材料，如图1所示，该吸波材料为四层复合结构，从上至下依次为第一吸波层、第二吸波层、第三吸波层和第四吸波层，所述第一吸波层、第二吸波层、第三吸波层和第四吸波层经热压形成整体，其阻抗满足以下关系：第一吸波层＞第二吸波层＞第三吸波层＞第四吸波层；第一吸波层由以下原料制成：无碱玻璃纤维方格布60份，500目的石英粉8份，环氧粘结剂30份，硅烷偶联剂KH560 2份，第一吸波层的厚度为1.8mm；第二吸波层由以下原料制成：直径3～6um，长径比为(25～30)：1的多晶铁纤维4份，无碱玻璃纤维方格布60份，500目的石英粉8份，环氧粘结剂45份，硅烷偶联剂KH560 2份，第二吸波层的厚度为1.2mm；第三吸波层由以下原料制成：直径10～18um，长径比为(20～40)：1的碳纤维0.4份，无碱玻璃纤维方格布60份，500目石英粉8份，环氧粘结剂40份，硅烷偶联剂KH560 2份，第三吸波层的厚度为0.8mm；第四吸波层由以下原料制成：直径6～7um，长径比为(400～600)：1的不锈钢纤维0.6份，无碱玻璃纤维方格布60份，500目石英粉8份，环氧粘结剂45份，硅烷偶联剂KH560 2份，第四吸波层的厚度为0.9mm。
本实施例提供的多层结构的电磁纤维吸波材料的制备步骤为：
(1)第四吸波层的制备：取45份环氧粘结剂，加入8份500目石英粉、2份硅烷偶联剂KH560，混合均匀后放置于80℃的烘箱保温15min，配制成粘结剂基料；取60份的无碱玻璃纤维方格布，分为四份，全部浸润粘结剂基料，然后将一份浸润粘结剂基料的无碱玻璃纤维方格布平铺放置，在其表面均匀涂刷一层直径6～7um，长径比为(400～600)：1的不锈钢纤维吸收剂0.15份，依照同样方法，重复3次，制成压料；采用热压工艺，将压料放置已预热120℃模腔内，合模并保温保压5min，第四吸波层的厚度控制在0.9mm；制品脱模后，放置烘箱加热，使之完全固化，加热方式为阶梯加温，120℃保温2h，160℃保温2h，即得；
(2)第三吸波层的制备：取40份环氧粘结剂，加入8份500目石英粉、2份硅烷偶联剂KH560，混合均匀后放置于80℃的烘箱保温15min，配制成粘结剂基料；取60份的无碱玻璃纤维方格布，分为四份，全部浸润粘结剂基料，然后将一份浸润粘结剂基料的无碱玻璃纤维方格布平铺于第四吸波层的上方，在其表面均匀涂刷一层直径10～18um，长径比为(20～40)：1的碳纤维0.1份，依照同样方法，重复3次，制成压料；采用热压工艺，将压料放置已预热120℃模腔内，合模并保温保压5min，第三吸波层的厚度控制在0.8mm；制品脱模后，放置烘箱加热，使之完全固化，加热方式为阶梯加温，120℃保温2h，160℃保温2h，即得；
(3)第二吸波层的制备：取45份环氧粘结剂，加入8份500目石英粉、2份硅烷偶联剂KH560，混合均匀后放置于80℃的烘箱保温15min，配制成粘结剂基料；取60份的无碱玻璃纤维方格布，分为四份，全部浸润粘结剂基料，然后将一份浸润粘结剂基料的无碱玻璃纤维方格布平铺于第三吸波层的上方，在其表面均匀涂刷一层直径3～6um，长径比为(25～30)：1的多晶铁纤维1份，依照同样方法，重复3次，制成压料；采用热压工艺，将压料放置已预热120℃模腔内，合模并保温保压5min，第二吸波层的厚度控制在1.2mm；制品脱模后，放置烘箱加热，使之完全固化，加热方式为阶梯加温，120℃保温2h，160℃保温2h，即得；
(4)第一吸波层的制备：取30份环氧粘结剂，加入8份500目石英粉、2份硅烷偶联剂KH560，混合均匀后放置于80℃的烘箱保温15min，配制成粘结剂基料；取60份的无碱玻璃纤维方格布，分为八份，全部浸润粘结剂基料，然后将一份浸润粘结剂基料的无碱玻璃纤维方格布平铺于第二吸波层的上方，依照同样方法，重复7次，制成压料；采用热压工艺，将压料放置已预热120℃模腔内，合模并保温保压5min，第一吸波层的厚度控制在1.8mm；制品脱模后，放置烘箱加热，使之完全固化，加热方式为阶梯加温，120℃保温2h，160℃保温2h，即得多层结构的电磁纤维吸波材料。
图2和图3分别为本发明实施例1制备的多层结构的电磁纤维吸波材料在4～8GHz和8～18GHz频段的吸波性能图，由图可知，其在4～8GHz波段反射率优于-9dB；在8～18GHz波段反射率优于-10dB。
实施例2
本发明提供一种多层结构的电磁纤维吸波材料，为四层复合结构，如图1所示，从上至下依次为第一吸波层、第二吸波层、第三吸波层和第四吸波层，其中第一吸波层、第二吸波层和第三吸波层和第四吸波层的阻抗满足以下关系：第一吸波层＞第二吸波层＞第三吸波层＞第四吸波层。
第一吸波层由以下原料制成：无碱玻璃纤维方格布60份，500目石英粉9份，环氧粘结剂40份，硅烷偶联剂KH560 3份，第一吸波层的厚度为1.6mm；第二吸波层由以下原料制成：直径3～6um，长径比为(25～30)：1的多晶铁纤维3份，无碱玻璃纤维方格布60份，500目石英粉9份，环氧粘结剂40份，硅烷偶联剂KH560 3份，第二吸波层的厚度为1.0mm；第三吸波层由以下原料制成：直径10～18um，长径比为(20～40)：1的碳纤维0.3份，无碱玻璃纤维方格布65份，500目石英粉9份，环氧粘结剂45份，硅烷偶联剂KH560 3份，第三吸波层的厚度为0.9mm；第四吸波层由以下原料制成：直径6～7um，长径比为(400～600)：1的不锈钢纤维0.4份，无碱玻璃纤维方格布65份，500目石英粉9份，环氧粘结剂50份，硅烷偶联剂KH560 3份，第四吸波层的厚度为0.8mm，其制备步骤同实施例1。
实施例3
本发明提供一种多层结构的电磁纤维吸波材料，为四层复合结构，如图1所示，从上至下依次为第一吸波层、第二吸波层、第三吸波层和第四吸波层，其中第一吸波层、第二吸波层和第三吸波层和第四吸波层的阻抗满足以下关系：第一吸波层＞第二吸波层＞第三吸波层＞第四吸波层。
第一吸波层由以下原料制成：无碱玻璃纤维方格布70份，500目石英粉10份，环氧粘结剂35份，硅烷偶联剂KH560 2份，第一吸波层的厚度为2.0mm；第二吸波层由以下原料制成：直径3～6um，长径比为(25～30)：1的多晶铁纤维5份，无碱玻璃纤维方格布70份，500目石英粉10份，环氧粘结剂50份，硅烷偶联剂KH560 2份，第二吸波层的厚度为1.1mm；第三吸波层由以下原料制成：直径10～18um，长径比为(20～40)：1的碳纤维0.5份，无碱玻璃纤维方格布70份，500目石英粉10份，环氧粘结剂50份，硅烷偶联剂KH560 3份，第三吸波层的厚度为1.0mm；第四吸波层由以下原料制成：直径6～7um，长径比为(400～600)：1的不锈钢纤维0.6份，玻璃纤维连续毡70份，500目石英粉10份，环氧粘结剂40份，硅烷偶联剂KH560 3份，第四吸波层的厚度为1.0mm，其制备步骤同实施例1。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多层结构的电磁纤维吸波材料，其特征在于，该吸波材料为四层复合结构，从上至下依次为第一吸波层、第二吸波层、第三吸波层和第四吸波层，所述第一吸波层、第二吸波层、第三吸波层和第四吸波层经热压形成整体，其阻抗满足以下关系：第一吸波层＞第二吸波层＞第三吸波层＞第四吸波层；
所述第一吸波层由以下原料制成，所述原料按重量份计包括：玻璃纤维60～70份，填充剂8～10份，环氧粘结剂30～40份，偶联剂2～3份；
所述第二吸波层由以下原料制成，所述原料按重量份计包括：多晶铁纤维3～5份，玻璃纤维60～70份，填充剂8～10份，环氧粘结剂40～50份，偶联剂2～3份；
所述第三吸波层由以下原料制成，所述原料按重量份计包括：碳纤维0.3～0.5份，玻璃纤维60～70份，填充剂8～10份，环氧粘结剂40～50份，偶联剂2～3份；
所述第四吸波层由以下原料制成，所述原料按重量份计包括：不锈钢纤维0.4～0.6份，玻璃纤维60～70份，填充剂8～10份，环氧粘结剂40～50份，偶联剂2～3份。
2.根据权利要求1所述多层结构的电磁纤维吸波材料，其特征在于，所述第一吸波层的厚度为1.6～2.0mm；所述第二吸波层的厚度为1.0～1.2mm；所述第三吸波层的厚度为0.8～1.0mm；所述第四吸波层的厚度为0.8～1.0mm。
3.根据权利要求1所述多层结构的电磁纤维吸波材料，其特征在于，所述玻璃纤维为无碱玻璃纤维方格布、玻璃纤维连续毡一种或两种组合。
4.根据权利要求1所述多层结构的电磁纤维吸波材料，其特征在于，所述多晶铁纤维的直径3～6μm ，长径比为(25～30)：1。
5.根据权利要求1所述多层结构的电磁纤维吸波材料，其特征在于，所述碳纤维的直径10～18μm ，长径比为(20～40)：1。
6.根据权利要求1所述多层结构的电磁纤维吸波材料，其特征在于，所述不锈钢纤维的直径6～7μm ，长径比为(400～600)：1。
7.根据权利要求1所述多层结构的电磁纤维吸波材料，其特征在于，所述填充剂为500目石英粉。
8.根据权利要求1所述多层结构的电磁纤维吸波材料，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550、KH560和KH570中的一种或多种组合。
9.根据权利要求1～8任一项所述多层结构的电磁纤维吸波材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)第四吸波层的制备：取40～50份环氧粘结剂，加入8～10份填充剂、2～3份偶联剂，配制成粘结剂基料；取60～70份玻璃纤维，浸润粘结剂基料，在其表面均匀涂刷一层直径6～7μm ，长径比为(400～600)：1的不锈钢纤维吸收剂0.4～0.6份，制成压料；采用热压工艺，控制第四吸波层的厚度为0.8～1.0mm，制品脱模后，放置烘箱加热，使之完全固化，即得；
(2)第三吸波层的制备：取40～50份环氧粘结剂，加入8～10份填充剂、2～3份偶联剂，配制成粘结剂基料；取60～70份玻璃纤维，浸润粘结剂基料，将浸润粘结剂基料的玻璃纤维平铺于第四吸波层的上方，然后在其表面均匀涂刷一层直径10～18μm ，长径比为(20～40)：1的碳纤维0.3～0.5份，制成压料；采用热压工艺，控制第三吸波层的厚度为0.8～1.0mm；制品脱模后，放置烘箱加热，使之完全固化，即得；
(3)第二吸波层的制备：取40～50份环氧粘结剂，加入8～10份填充剂、2～3份偶联剂，配制成粘结剂基料；取60～70份玻璃纤维，浸润粘结剂基料，将浸润粘结剂基料的玻璃纤维平铺于第三吸波层的上方，然后在其表面均匀涂刷一层直径3～6μm ，长径比为(25～30)：1的多晶铁纤维3～5份，制成压料；采用热压工艺，控制第二吸波层的厚度为1.0～1.2mm；制品脱模后，放置烘箱加热，使之完全固化，即得；
(4)第一吸波层的制备：取30～40份环氧粘结剂，加入8～10份填充剂、2～3份偶联剂，配制成粘结剂基料；取60～70份玻璃纤维，浸润粘结剂基料，将浸润粘结剂基料的玻璃纤维平铺于第二吸波层的上方，制成压料；采用热压工艺，控制第一吸波层的厚度为1.6～2.0mm；制品脱模后，放置烘箱加热，使之完全固化，即得所述多层结构的电磁纤维吸波材料。
10.根据权利要求9所述多层结构的电磁纤维吸波材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)第四吸波层的制备：取45份环氧粘结剂，加入8份500目石英粉、2份硅烷偶联剂KH560，混合均匀后放置于80℃的烘箱保温15min，配制成粘结剂基料；取60份的无碱玻璃纤维方格布，分为四份，全部浸润粘结剂基料，然后将一份浸润粘结剂基料的无碱玻璃纤维方格布平铺放置，在其表面均匀涂刷一层直径6～7μm ，长径比为(400～600)：1的不锈钢纤维吸收剂0.15份，依照同样方法，重复3次，制成压料；采用热压工艺，将压料放置已预热120℃模腔内，合模并保温保压5min，第四吸波层的厚度控制在0.9mm；制品脱模后，放置烘箱加热，使之完全固化，加热方式为阶梯加温，120℃保温2h，160℃保温2h，即得；
(2)第三吸波层的制备：取40份环氧粘结剂，加入8份500目石英粉、2份硅烷偶联剂KH560，混合均匀后放置于80℃的烘箱保温15min，配制成粘结剂基料；取60份的无碱玻璃纤维方格布，分为四份，全部浸润粘结剂基料，然后将一份浸润粘结剂基料的无碱玻璃纤维方格布平铺于第四吸波层的上方，在其表面均匀涂刷一层直径10～18μm ，长径比为(20～40)：1的碳纤维0.1份，依照同样方法，重复3次，制成压料；采用热压工艺，将压料放置已预热120℃模腔内，合模并保温保压5min，第三吸波层的厚度控制在0.8mm；制品脱模后，放置烘箱加热，使之完全固化，加热方式为阶梯加温，120℃保温2h，160℃保温2h，即得；
(3)第二吸波层的制备：取45份环氧粘结剂，加入8份500目石英粉、2份硅烷偶联剂KH560，混合均匀后放置于80℃的烘箱保温15min，配制成粘结剂基料；取60份的无碱玻璃纤维方格布，分为四份，全部浸润粘结剂基料，然后将一份浸润粘结剂基料的无碱玻璃纤维方格布平铺于第三吸波层的上方，在其表面均匀涂刷一层直径3～6μm ，长径比为(25～30)：1的多晶铁纤维1份，依照同样方法，重复3次，制成压料；采用热压工艺，将压料放置已预热120℃模腔内，合模并保温保压5min，第二吸波层的厚度控制在1.2mm；制品脱模后，放置烘箱加热，使之完全固化，加热方式为阶梯加温，120℃保温2h，160℃保温2h，即得；
(4)第一吸波层的制备：取30份环氧粘结剂，加入8份500目石英粉、2份硅烷偶联剂KH560，混合均匀后放置于80℃的烘箱保温15min，配制成粘结剂基料；取60份的无碱玻璃纤维方格布，分为八份，全部浸润粘结剂基料，然后将一份浸润粘结剂基料的无碱玻璃纤维方格布平铺于第二吸波层的上方，依照同样方法，重复7次，制成压料；采用热压工艺，将压料放置已预热120℃模腔内，合模并保温保压5min，第一吸波层的厚度控制在1.8mm；制品脱模后，放置烘箱加热，使之完全固化，加热方式为阶梯加温，120℃保温2h，160℃保温2h，即得多层结构的电磁纤维吸波材料。
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