CN109228587A - 一种吸波材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种吸波材料及其制备方法，所述吸波材料包含多层石墨烯膜和多层低介电介质膜，石墨烯膜和低介电介质膜交替叠放，并且表面为石墨烯膜，底面为低介电介质膜；其中，每层石墨烯膜具有不同的表面方块电阻，并且从表面到底面，石墨烯膜的表面方块电阻逐渐降低。本发明通过调节石墨烯膜的电磁参数及其与低介电介质的阻抗匹配，可在一定范围内调节吸波材料的吸收频段与吸收性能，形成轻质宽频段微波吸波材料。该吸波材料用于微波暗室，可以有效衰减2～40GHz波段范围的电磁波，而厚度小于220mm，密度小于0.3g/cm3。

Description

一种吸波材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及吸波材料技术领域，尤其涉及一种吸波材料及其制备方法。
背景技术
随着通信技术、隐身技术、仿真试验技术等现代电子技术的发展，微波暗室的应用越来越广泛。目前电子仪器所使用频段从米波到毫米波，范围从地面观测到宇宙观测，应用从军用到民用，也对微波暗室的性能提出了更高的要求，特别是对暗室的体积、背景电平要求更为苛刻。吸波材料作为微波暗室的关键组成部分，对微波暗室的性能起着重要作用，微波暗室的背景电平在很大程度上也取决于所使用的吸波材料。一般而言，吸波材料的吸收频带越宽，吸收性能越好，越有利于微波暗室背景电平的降低。
现有技术中的微波暗室所用的吸波材料主要是浸渍炭黑的聚氨酯泡沫吸波材料。这类吸波材料存在着体积大、质量重、容易掉粉的问题，特别是在需要人行走的部位，由于泡沫力学强度低而不方便行走，且无法在较薄的厚度下实现宽频吸波。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决如下一个或多个技术问题：
现有技术中的微波暗室所用的吸波材料体积大、质量重、容易掉粉、力学强度低、无法在较薄的厚度下实现宽频吸波。
(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：
一种吸波材料，所述吸波材料包含多层石墨烯膜和多层低介电介质膜，石墨烯膜和低介电介质膜交替叠放，并且表面为石墨烯膜，底面为低介电介质膜；其中，
每层石墨烯膜具有不同的表面方块电阻，并且从表面到底面，石墨烯膜的表面方块电阻逐渐降低。
优选地，所述吸波材料的总厚度为10mm～220mm；
所述吸波材料的叠放层数为10层～40层；和
石墨烯膜的表面方块电阻按照10Ω～50Ω/层的幅度进行降低。
优选地，所述石墨烯膜的厚度为50μm～1mm；
所述低介电介质膜的厚度为0.5mm～10mm；
所述吸波材料的叠放层数为20层～30层。
优选地，所述吸波材料的叠放层数为20层，10层为石墨烯膜，10层为低介电介质膜；和
第一层石墨烯膜的表面方块电阻为300Ω～800Ω；
第二层石墨烯膜的表面方块电阻为250Ω～750Ω；
第三层石墨烯膜的表面方块电阻为200Ω～700Ω；
第四层石墨烯膜的表面方块电阻为150Ω～650Ω；
第五层石墨烯膜的表面方块电阻为100Ω～600Ω；
第六层石墨烯膜的表面方块电阻为80Ω～550Ω；
第七层石墨烯膜的表面方块电阻为60Ω～500Ω；
第八层石墨烯膜的表面方块电阻为40Ω～450Ω；
第九层石墨烯膜的表面方块电阻为30Ω～430Ω；
第十层石墨烯膜的表面方块电阻为10Ω～400Ω。
优选地，所述石墨烯膜按照如下方法进行制备：
将石墨烯浆料分散到树脂溶液中，配制成石墨烯浆料；
将石墨烯浆料刮涂在膜状基体材料上，得到所述石墨烯膜。
优选地，所述石墨烯浆料中，石墨烯在树脂溶液中所占的质量比为1％～30％；
所述石墨烯浆料在膜状基底材料上刮涂的厚度为30μm～980μm。
优选地，所述低介电介质膜具有如下的介电性能：介电常数实部为1～5，介电常数虚部为0～0.5。
优选地，所述低介电介质为高分子聚合物类材料，优选采用聚四氟乙烯、聚乙烯、聚酰亚胺、聚氨酯中的一种或多种。
本发明还提供了上述任一项所述吸波材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将石墨烯膜和低介电介质膜交替叠放，形成表面为石墨烯膜，底面为低介电介质膜的多层结构，层与层之间使用粘合剂进行粘接；
(2)将步骤(1)制得的多层结构进行固化，得到所述吸波材料。
优选地，在步骤(1)中，所述粘合剂选自液体环氧树脂、不饱和树脂、双马树脂、酚醛树脂中的一种或多种。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
本发明吸波材料在2～40GHz波段具有优异的吸波性能，有40GHz带宽的反射率≤-20dB，而厚度小于220mm，密度小于0.3g/cm3。相比现有技术采用的浸渍炭黑的聚氨酯泡沫吸波材料，其体积更小，质量更轻，为平板外形易于安装，可以在较薄的厚度下实现宽频吸波，是一种能有效衰减宽频段电磁波，提升微波暗室性能的前沿技术。
附图说明
图1是本发明提供的吸波材料的结构示意图；
图2是实施例1中宽频段微波吸波材料的反射率测试结果；
图3是实施例2中宽频段微波吸波材料的反射率测试结果；
图4是实施例3中宽频段微波吸波材料的反射率测试结果。
图中：1：石墨烯膜；2：低介电介质膜。
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。
本发明在一方面提供了一种吸波材料，如图1所示，所述吸波材料包含多层石墨烯膜1和多层低介电介质膜2，石墨烯膜1和低介电介质膜2交替叠放，并且表面为石墨烯膜1，底面为低介电介质膜2；其中，
每层石墨烯膜1具有不同的表面方块电阻，并且从表面到底面，石墨烯膜1的表面方块电阻逐渐降低。
本发明提供的吸波材料基于石墨烯膜设计而成，具体包含有石墨烯膜和作为其匹配层的低介电介质膜。吸波材料由这两种膜状材料交替叠放复合而成层的多层结构，第一层(即表层，靠近空气)为石墨烯膜，第二层低介电介质膜，第三层为石墨烯膜，第四层为低介电介质膜，以此类推，并且最后一层(即底层，靠近金属)为低介电介质膜。石墨烯膜起吸收电磁波和调节阻抗匹配的作用，低介电介质膜一方面调节阻抗与吸波频段，另一方面又起到力学承载的作用，改善了材料的力学性能和环境适应性等性能。
另外，石墨烯膜同低介电介质膜的阻抗匹配设计通过调节石墨烯膜的表面方块电阻来实现，形成在2～40GHz频段范围内具有优异吸波性能的轻质复合吸波材料。
本发明所用的石墨烯膜可以按照如下方法进行制备：将石墨烯浆料分散到树脂溶液中，配制成石墨烯浆料；将石墨烯浆料刮涂在膜状基体材料上，得到所述石墨烯膜。此处所用的树脂溶液可以选用现有技术中的任一种树脂溶液，本发明对此不做具体限定。膜状基体材料可以选用透波性较好的高分子聚合物膜，本发明在此不一一列举。石墨烯浆料的浓度和刮涂厚度可以使石墨烯膜具有不同的电磁性能(以表面方块电阻来进行表征)，在本发明提供的优选方案中，石墨烯在树脂溶液中所占的质量比被控制在1％～30％，例如，可以为1％、5％、10％、15％、20％、25％、30％，具有上述优选浓度的石墨烯浆料在膜状基底材料上刮涂的厚度被控制在30μm～980μm，例如，可以为30μm、90μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm、600μm、650μm、700μm、750μm、800μm、850μm、900μm、950μm、980μm。
本发明所用的低介电介质膜可以具有如下的介电性能：介电常数实部为1～5，介电常数虚部为0～0.5。具体地，所述低介电介质可以选用透波性较好的高分子聚合物，优选采用聚四氟乙烯、聚乙烯、聚酰亚胺、聚氨酯中的一种或多种。低介电介质膜所用的材料会对吸波材料的力学性能有一定影响，在其它条件相同的情况下，选用不同强度的高分子聚合物可以获得不同强度的吸波材料。
在一些优选的实施方式中，所述吸波材料的总厚度为10mm～220mm，例如，可以具体为10mm、50mm、100mm、150mm、200mm、220mm；所述吸波材料的叠放层数为10层～40层，例如可以为10层、20层、30层、40层；和石墨烯膜的表面方块电阻按照10Ω～50Ω/层(例如，可以为10Ω/层、20Ω/层、30Ω/层、40Ω/层、50Ω/层)的幅度进行降低。发明人在研究过程中发现，吸波材料的厚度越大，其吸波性能越好，但超过220mm，吸波性能提升的趋势过于平缓，无法抗衡厚度增大后导致的重量增加、体积增大的不良影响，因此，本发明将吸波材料的总厚度控制在不超过220mm，既能保证吸波材料具有较为优异的吸波性能、力学强度又使材料的重量较轻、体积较小。除了厚度，发明人还发现，吸波材料的叠放层数也对材料的吸波性能有一定的影响。具体来说，在高度一定的情况下，在某一范围内，层数越多，吸波材料表现出更为优异的吸波性能。但超过这一范围，吸波性能提升的趋势会变得过于平缓，反而会因在复合时所用的粘合剂的层数增多而导致吸波材料的密度增大。发明人确定的这一范围为10～40层，故出于轻质考虑，本发明将吸波材料层叠的总层数确定为10～40层，从而可以获得兼具优异吸波性能、力学性能的轻质宽频段吸波材料。需要说明的是，本发明的吸波材料为(AB)n的多层结构，n代表吸波材料的总叠放层数，A代表石墨烯膜，B代表低介电介质膜，所以，石墨烯膜和低介电介质膜具有相同的叠放层数。
另外，本发明的吸波材料通过调节石墨烯膜的表面方块电阻来实现其与匹配层低介电介质膜的阻抗匹配设计，吸波材料中的多层石墨烯膜具有不同的表面方块电阻，并且沿吸波材料的厚度方向，从表层到底层，石墨烯膜的表面方块电阻逐渐降低。经过发明人研究发现，较为适宜的递减幅度为10Ω～50Ω/层。
更优选地，在上述研究的基础上，发明人还给出了石墨烯膜的一个适宜厚度，为50μm～1mm，例如，可以为50μm、80μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm、600μm、650μm、700μm、750μm、800μm、850μm、900μm、950μm、1mm；所述低介电介质膜的适宜厚度范围为0.5mm～10mm，例如，可以为0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、8.5mm、9mm、9.5mm、10mm；所述吸波材料的叠放层数更优选为20层～30层。
最优选地，所述吸波材料的叠放层数为20层，10层为石墨烯膜，10层为低介电介质膜；和
石墨烯膜同低介电介质膜之间的阻抗匹配设计为：
第一层石墨烯膜的表面方块电阻为300Ω～800Ω；
第二层石墨烯膜的表面方块电阻为250Ω～750Ω；
第三层石墨烯膜的表面方块电阻为200Ω～700Ω；
第四层石墨烯膜的表面方块电阻为150Ω～650Ω；
第五层石墨烯膜的表面方块电阻为100Ω～600Ω；
第六层石墨烯膜的表面方块电阻为80Ω～550Ω；
第七层石墨烯膜的表面方块电阻为60Ω～500Ω；
第八层石墨烯膜的表面方块电阻为40Ω～450Ω；
第九层石墨烯膜的表面方块电阻为30Ω～430Ω；
第十层石墨烯膜的表面方块电阻为10Ω～400Ω。
本发明在另一方面提供了一种上述任一项所述吸波材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将石墨烯膜和低介电介质膜交替叠放，形成表面为石墨烯膜，底面为低介电介质膜的多层结构，层与层之间使用粘合剂进行粘接；
叠放时，本发明采用粘合剂将每层石墨烯膜和低介电介质膜复合在一起，所用的粘合剂可以选用液体环氧树脂、不饱和树脂、双马树脂、酚醛树脂中的一种或多种；
(2)将步骤(1)制得的多层结构进行固化，得到所述吸波材料。
需要说明的是，步骤(2)中的固化条件根据粘合剂的固化条件来进行选择，这些都属于本领域的常规选择，本发明在此不再详述。
以下是本发明列举的实施例。
实施例1
一种轻质宽频段微波吸波材料，包含10层石墨烯膜和10层低介电介质膜，石墨烯膜和低介电介质膜交替叠放，并且表面(第一层，靠近空气)为石墨烯膜，底面(最后一层，靠近金属)为低介电介质膜。
石墨烯膜基体材料为聚酰亚胺膜，在聚酰亚胺膜上分别刮涂石墨烯浆料，形成具有不同表面方块电阻的石墨烯膜，膜厚度为25um。低介电介质为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，介电常数实部为1.5，虚部为2×10-4，厚度为8mm。吸波材料总厚度为20.25mm，层与层之间通过环氧树脂粘接。
石墨烯膜同聚甲基丙烯酰亚胺泡沫之间的阻抗匹配设计通过调整不同层石墨烯膜的电磁参数实现，在这里以表面方块电阻来表示，具体为：石墨烯膜沿吸波材料的厚度方向从上(即靠近空气的表层)到下(即靠近金属的底层)的表面方块电阻依次为：600Ω、560Ω、500Ω、470Ω、420Ω、390Ω、340Ω、300Ω、280Ω、260Ω。
制备方法包括如下步骤：
(1)将石墨烯膜和低介电介质膜交替叠放，形成表面为石墨烯膜，底面为低介电介质膜的多层结构，层与层之间使用环氧树脂进行粘接；
(2)将步骤(1)制得的多层结构在70℃下进行固化，使石墨烯膜和低介电介质膜固化为一体结构，得到所述吸波材料。
经检测，吸波材料的密度为0.290g/cm3，压缩强度为0.6MPa，基于石墨烯膜的轻质宽频段微波吸波材料的反射率测试结果如说明书附图2所示。从图中可以看出，复合材料在2～40GHz反射率均≤-20dB。
反射率(R，单位dB)是衡量吸波材料吸波性能的一项指标，其定义为：
式(1)中，Ei是入射到吸波材料上平面波的电场强度(V/m)；Er是平面波入射到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。
实施例2
一种轻质宽频段微波吸波材料，包含10层石墨烯膜和10层低介电介质膜，石墨烯膜和低介电介质膜交替叠放，并且表面(第一层，靠近空气)为石墨烯膜，底面(最后一层，靠近金属)为低介电介质膜。
石墨烯膜基体材料为聚酰亚胺膜，在聚酰亚胺膜上分别刮涂不同质量比的石墨烯浆料，形成具有不同表面方块电阻的石墨烯膜，膜厚度为25um。低介电介质为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，介电常数实部为1.5，虚部为2×10-4，厚度为2mm。吸波材料总厚度为20.25mm，层与层之间通过环氧树脂粘接。
石墨烯膜同聚甲基丙烯酰亚胺泡沫之间的阻抗匹配设计通过调整不同层石墨烯膜的电磁参数实现，在这里以表面方块电阻来表示，具体为：石墨烯膜沿吸波材料的厚度方向从上(即靠近空气的表层)到下(即靠近金属的底层)的表面方块电阻依次为：800Ω、730Ω、690Ω、640Ω、550Ω、470Ω、380Ω、300Ω、280Ω、260Ω。
制备方法包括如下步骤：
(1)将石墨烯膜和低介电介质膜交替叠放，形成表面为石墨烯膜，底面为低介电介质膜的多层结构，层与层之间使用环氧树脂进行粘接；
(2)将步骤(1)制得的多层结构在70℃下进行固化，使石墨烯膜和低介电介质膜固化为一体结构，得到所述吸波材料。
经检测，吸波材料的密度为0.290g/cm3，压缩强度为0.62MPa，基于石墨烯膜的轻质宽频段微波吸波材料的反射率测试结果如说明书附图3所示。从图中可以看出，复合材料在2～40GHz反射率均≤-5dB。
实施例3
一种轻质宽频段微波吸波材料，包含10层石墨烯膜和10层低介电介质膜，石墨烯膜和低介电介质膜交替叠放，并且表面(第一层，靠近空气)为石墨烯膜，底面(最后一层，靠近金属)为低介电介质膜。
石墨烯膜基体材料为聚酰亚胺膜，在聚酰亚胺膜上分别刮涂不同质量比的石墨烯浆料，形成具有不同表面方块电阻的石墨烯膜，膜厚度为40um。低介电介质为聚氨酯泡沫，介电常数实部为1.2，虚部为2×10-4，厚度为2.2mm。吸波材料总厚度为22.25mm，层与层之间通过环氧树脂粘接。
石墨烯膜同聚甲基丙烯酰亚胺泡沫之间的阻抗匹配设计通过调整不同层石墨烯膜的电磁参数实现，在这里以表面方块电阻来表示，具体为：石墨烯膜沿吸波材料的厚度方向从上(即靠近空气的表层)到下(即靠近金属的底层)的表面方块电阻依次为：450Ω、430Ω、400Ω、360Ω、320Ω、200Ω、150Ω、80Ω、60Ω、20Ω。
制备方法包括如下步骤：
(1)将石墨烯膜和低介电介质膜交替叠放，形成表面为石墨烯膜，底面为低介电介质膜的多层结构，层与层之间使用环氧树脂进行粘接；
(2)将步骤(1)制得的多层结构在70℃下进行固化，使石墨烯膜和低介电介质膜固化为一体结构，得到所述吸波材料。
经检测，吸波材料的密度为0.295g/cm3，压缩强度为0.61MPa，基于石墨烯膜的轻质宽频段微波吸波材料的反射率测试结果如附图4所示。从图中可以看出，复合材料在2-40GHz反射率均≤-6dB。
对比例1
对比例1考察了石墨烯膜层的电磁参数设计对吸波材料性能的影响。
对比例1提供的吸波材料与实施例1基本上相同，不同之处在于：
石墨烯薄膜从上(靠近空气)到下(靠近金属)的表面方块电阻依次为260Ω、280Ω、300Ω、340Ω、390Ω、420Ω、470Ω、500Ω、560Ω、600Ω。
对比例2
对比例2考察了叠放层数对吸波材料性能的影响。
对比例2提供的吸波材料与实施例1基本上相同，不同之处在于：
叠放总层数为50层，石墨烯膜25层，低介电介质膜25层；
石墨烯膜的阻抗匹配方式见表1。
从表1中可以看出，对比例1提供的吸波材料的反射率明显不及实施例1，表明石墨烯膜的表面方块电阻设计对吸波材料的吸波性能影响较大。
对比例2提供的吸波材料的吸波性能稍优于实施例1提供的吸波材料，但其密度却是实施例1的2倍之多。鉴于微波暗室用吸波材料对于体积和质量的要求，发明人不建议将石墨烯膜和低介电介质膜的叠放层数过多。
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 (10)

1.一种吸波材料，其特征在于，所述吸波材料包含多层石墨烯膜和多层低介电介质膜，石墨烯膜和低介电介质膜交替叠放，并且表面为石墨烯膜，底面为低介电介质膜；其中，
每层石墨烯膜具有不同的表面方块电阻，并且从表面到底面，石墨烯膜的表面方块电阻逐渐降低。
2.根据权利要求1所述的吸波材料，其特征在于，所述吸波材料的总厚度为10mm～220mm；
所述吸波材料的叠放层数为10层～40层；和
石墨烯膜的表面方块电阻按照10Ω～50Ω/层的幅度进行降低。
3.根据权利要求2所述的吸波材料，其特征在于，所述石墨烯膜的厚度为50μm～1mm；
所述低介电介质膜的厚度为0.5mm～10mm；
所述吸波材料的叠放层数为20层～30层。
4.根据权利要求3所述的吸波材料，其特征在于，所述吸波材料的叠放层数为20层，10层为石墨烯膜，10层为低介电介质膜；和
第一层石墨烯膜的表面方块电阻为300Ω～800Ω；
第二层石墨烯膜的表面方块电阻为250Ω～750Ω；
第三层石墨烯膜的表面方块电阻为200Ω～700Ω；
第四层石墨烯膜的表面方块电阻为150Ω～650Ω；
第五层石墨烯膜的表面方块电阻为100Ω～600Ω；
第六层石墨烯膜的表面方块电阻为80Ω～550Ω；
第七层石墨烯膜的表面方块电阻为60Ω～500Ω；
第八层石墨烯膜的表面方块电阻为40Ω～450Ω；
第九层石墨烯膜的表面方块电阻为30Ω～430Ω；
第十层石墨烯膜的表面方块电阻为10Ω～400Ω。
5.根据权利要求1所述的吸波材料，其特征在于，所述石墨烯膜按照如下方法进行制备：
将石墨烯浆料分散到树脂溶液中，配制成石墨烯浆料；
将石墨烯浆料刮涂在膜状基体材料上，得到所述石墨烯膜。
6.根据权利要求5所述的吸波材料，其特征在于，所述石墨烯浆料中，石墨烯在树脂溶液中所占的质量比为1％～30％；
所述石墨烯浆料在膜状基底材料上刮涂的厚度为30μm～980μm。
7.根据权利要求1所述的吸波材料，其特征在于，所述低介电介质膜具有如下的介电性能：介电常数实部为1～5，介电常数虚部为0～0.5。
8.根据权利要求7所述的吸波材料，其特征在于，所述低介电介质为高分子聚合物类材料，优选采用聚四氟乙烯、聚乙烯、聚酰亚胺、聚氨酯中的一种或多种。
9.一种权利要求1至8任一项所述吸波材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将石墨烯膜和低介电介质膜交替叠放，形成表面为石墨烯膜，底面为低介电介质膜的多层结构，层与层之间使用粘合剂进行粘接；
(2)将步骤(1)制得的多层结构进行固化，得到所述吸波材料。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述粘合剂选自液体环氧树脂、不饱和树脂、双马树脂、酚醛树脂中的一种或多种。
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