CN109843029B - 吸波复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了吸波复合材料及其制备方法。吸波复合材料包括：电磁损耗层；三维石墨烯层，形成在电磁损耗层上；以及阻抗匹配层，形成在三维石墨烯层上，其中，电磁损耗层和阻抗匹配层均包括基体和吸波剂。本发明通过引入低频的电磁损耗层和阻抗匹配层，提供了具有良好低频吸波效果的轻质宽频吸波剂，可以用于电磁波吸收领域。

Description

吸波复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及吸波材料，更具体地，涉及吸波复合材料及其制备方法。
背景技术
所谓吸波材料，指能吸收投射到它表面的电磁波能量的一类材料。在工程应用上，除要求吸波材料在较宽频带内对电磁波具有高的吸收率外，还要求它具有质量轻、厚度薄等性能。
随着信息技术的高速发展，特别是诸如卫星通讯、合成孔径雷达等多频带、宽频带仪器设备的爆炸式发展，电子设备的可靠性和武器设备隐身等方面迫切需要一种高性能宽频吸波材料。由于传统吸波材料存在密度高、厚度大、负载量大等问题，因而开展宽频、低密度等吸波材料的研究变得愈发重要。相比传统吸波材料，通过石墨烯自交联形成具有空间网络结构的石墨烯具有重量轻、厚度薄等特点，满足吸波材料轻薄的特性。然而其低频吸波效果不甚理想，宽频吸波性能有待提高。
发明内容
本发明通过在三维石墨烯复合材料中引入阻抗匹配层和低频的电磁损耗层来提高低频和宽频吸波性能，从而提供了具有良好低频吸波效果的轻质宽频吸波材料。
本发明提供了一种吸波复合材料，包括：电磁损耗层；三维石墨烯层，形成在所述电磁损耗层上；以及阻抗匹配层，形成在所述三维石墨烯层上，其中，所述电磁损耗层和所述阻抗匹配层均包括基体和吸波剂。
在上述吸波复合材料中，所述基体包括环氧树脂、乙烯基树脂和氰酸酯树脂中的一种或多种。
在上述吸波复合材料中，所述电磁损耗层的
吸波剂包括片状铁磁材料和铁氧体中的一种或两种。
在上述吸波复合材料中，所述阻抗匹配层的吸波剂包括球形铁磁金属颗粒、铁磁/介电复合颗粒、介电陶瓷颗粒和碳系吸波剂中的一种或多种。
在上述吸波复合材料中，所述电磁损耗层中的所述基体和所述吸波剂的质量比为2-4:6-8。
在上述吸波复合材料中，所述阻抗匹配层中的所述基体和所述吸波剂的质量比为2-4:6-8。
在上述吸波复合材料中，所述电磁损耗层的厚度为0.5mm～5mm。
在上述吸波复合材料中，所述阻抗匹配层的厚度为0.5mm～5mm。
在上述吸波复合材料中，所述三维石墨烯层的厚度为1mm～15mm。
本发明提供的制备上述吸波复合材料的方法，包括：选取三维石墨烯吸波材料作为中间主体吸波层；利用遗传算法和电磁仿真软件从吸波剂材料数据库中选取吸波材料作为阻抗匹配层和电磁损耗层的吸波剂，其中，所述主体吸波层形成在所述电磁损耗层上，所述阻抗匹配层形成在所述主体吸波层上；通过机械连接实现所述电磁损耗层、所述主体吸波层、所述阻抗匹配层的多层吸波材料的复合。
在上述制备方法中，所述方法还包括：选取环氧树脂、乙烯基树脂和氰酸酯树脂中的一种或多种组合作为阻抗匹配层和电磁损耗层的基体。
在上述制备方法中，所述方法还包括：通过所述遗传算法和电磁仿真软件调整所述多层吸波材料的吸波剂组合和厚度。
本发明通过引入低频的电磁损耗层和阻抗匹配层，提供了具有良好低频吸波效果的轻质宽频吸波材料，可以用于电磁波吸收领域。
附图说明
图1示出了吸波复合材料的示意结构。
图2示出了三维石墨烯材料的示意性制备流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于三维石墨烯的吸波复合材料。该吸波复合材料采用三层吸波渐变结构实现宽频雷达吸波功能，如图1所示，制备吸波复合材料的方法，包括：选取三维石墨烯吸波材料作为中间主体吸波层(也称为三维石墨烯吸波层或者三维石墨烯层)；利用遗传算法和电磁仿真软件CST Studio Suite(CST)从吸波剂材料数据库中选取吸波材料作为阻抗匹配层和电磁损耗层的吸波剂，其中，所述主体吸波层形成在所述电磁损耗层上，所述阻抗匹配层形成在所述主体吸波层上；通过机械连接实现所述电磁损耗层、所述主体吸波层、所述阻抗匹配层的多层吸波材料的复合。
其中，所述方法还包括：选取环氧树脂、乙烯基树脂和氰酸酯树脂中的一种或多种组合作为阻抗匹配层和电磁损耗层的基体。
其中，所述方法还包括：通过所述遗传算法和电磁仿真软件调整所述多层吸波材料的吸波剂组合和厚度。
中间主体吸波层选取轻质宽频的三维石墨烯吸波材料，利用遗传算法和CST从高性能吸波剂材料数据库中选出合适的吸波材料作为阻抗匹配层的吸波剂和低频的电磁损耗层的吸波剂。选用耐环境有承载功能的环氧树脂、乙烯基树脂、氰酸酯树脂等作为阻抗匹配层的基体和低频的电磁损耗层的基体。通过机械连接等方式实现多层吸波材料的复合，通过遗传算法和CST不断优化多层吸波材料的吸收剂组合和厚度，实现提高低频和宽频吸波性能的目的。
首先通过溶剂热还原法这种适合工程化生产的方法制备三维石墨烯吸波材料。这种制备工艺的原理是基于氧化石墨烯微纳米片的疏水作用与π-π相互作用，使其自组装成三维的网络结构形成湿凝胶，然后经溶剂交换过程除去网络空隙中表面张力较大的溶剂，最后利用特殊干燥工艺(如超临界CO2干燥、冷冻干燥)制得三维石墨烯材料，制备流程如图2所示。
溶剂热还原法制备三维石墨烯的步骤如下：首先采用改性的humers方法制备得到氧化石墨烯分散液，氧化石墨烯溶液具有较高的氧化程度以及较大的片径。然后用无水乙醇稀释该溶液，用氨水调节溶液的pH值(例如，8～11)，得到一定浓度稳定分散的石墨烯乙醇溶液，将其倒入水热反应釜中进行高温高压的溶剂热反应，在一定温度下反应一段时间后，得到具有立体网络骨架结构的石墨烯水凝胶。石墨烯水凝胶用去离子水反复透析和洗涤，完全去除里面的乙醇后，在低温冰箱进行预冻。将预冻好的石墨烯水凝胶进行真空冷冻干燥，得到超低密度，具备一定弹性和机械性能良好的三维石墨烯气凝胶。将气凝胶在一定温度下退火，得到三维石墨烯材料。
此外，选择合适的吸波剂作为阻抗匹配层和低频的电磁损耗层。研究表明，一类吸波剂如球形铁磁金属颗粒、铁磁/介电复合颗粒等，它们的介电常数较低，磁导率较高，这类吸波剂的阻抗特性较优，可以改善多层吸波材料的表面阻抗匹配特性，适合作为阻抗匹配层来使用；而另一类吸波剂如片状铁磁金属、铁氧体等，这类吸波剂具有介电弛豫行为所导致的高介电损耗系数，在低频具有高电磁损耗效率，适合作为低频的电磁损耗层来使用。另一方面，介电陶瓷颗粒、碳系吸波材料耐环境性能较好，是磁性吸波剂的有益补充，也可以用于阻抗匹配层。
利用遗传算法在中间主体吸波层已经确定为轻质宽频的三维石墨烯后，输入拟实现的吸波性能指标，利用遗传算法甄选出阻抗匹配层和低频的电磁损耗层所需的高性能吸波剂。在确定了三层渐变吸波结构所使用的材料时，通过遗传算法优化每层的厚度，最终得到优化后的吸波剂种类和厚度组合，指导后续宽频高效吸波材料的试验制备。
制备基于三维石墨烯的吸波复合材料时，首先利用遗传算法选出的高性能吸波剂与耐环境树脂(环氧树脂、乙烯基树脂等)一起制备出阻抗匹配层和低频的电磁损耗层。然后将三层吸波材料按阻抗匹配层、三维石墨烯、低频的电磁损耗层的顺序铺好，利用机械连接方式将阻抗匹配层和低频的电磁损耗层连接起来。此外，也可以逐层形成上述吸波复合材料或采用任何合适的方法。
本发明提供的吸波复合材料包括低频的电磁损耗层、位于低频的电磁损耗层上的三维石墨烯层以及位于三维石墨烯层上的阻抗匹配层。可以通过逐层沉积、层压或任何其他合适的方法形成吸波复合材料。
低频的电磁损耗层包括基体和吸波剂。低频的电磁损耗层的基体包括环氧树脂、乙烯基树脂和氰酸酯树脂中的一种或多种。低频的电磁损耗层的吸波剂包括片状铁磁材料、铁氧体中的一种或两种。低频的电磁损耗层的厚度在0.5mm～5mm的范围内。其中，低频的电磁损耗层中的基体和吸波剂的质量比为2-4:6-8。
三维石墨烯层形成在低频的电磁损耗层上。三维石墨烯层的厚度在1mm～15mm的范围内。
阻抗匹配层形成在三维石墨烯层上。阻抗匹配层包括基体和吸波剂。阻抗匹配层的基体包括环氧树脂、乙烯基树脂和氰酸酯树脂中的一种或多种。阻抗匹配层的吸波剂包括球形铁磁金属颗粒、铁磁/介电复合颗粒、介电陶瓷颗粒和碳系吸波材料中的一种或多种。其中，介电陶瓷颗粒和碳系吸波材料的存在可以提供更好的耐环境性能。阻抗匹配层的厚度在0.5mm～5mm的范围内。其中，阻抗匹配层中的基体和吸波剂的质量比为2-4:6-8。
通过在三维石墨烯层两侧引入阻抗匹配层和低频的电磁损耗层，本发明提供了具有良好低频吸波效果的轻质宽频吸波材料。
下面结合具体的实施例进行说明，以更好地理解本发明。
实施例1
提供低频的电磁损耗层，低频的电磁损耗层包括环氧树脂和片状铁磁材料，环氧树脂和片状铁磁材料的质量比为4:6。低频的电磁损耗层的厚度为1mm。在低频的电磁损耗层上形成3mm的三维石墨烯层。在三维石墨烯层上形成阻抗匹配层，从而形成吸波复合材料。阻抗匹配层包括乙烯基树脂和球形铁磁金属颗粒，乙烯基树脂和球形铁磁金属颗粒的质量比为4:6。阻抗匹配层的厚度为2mm。将吸波复合材料裁切成300mm*300mm的板子测试反射率。
实施例2
提供低频的电磁损耗层，低频的电磁损耗层包括环氧树脂和片状铁磁材料，环氧树脂和片状铁磁材料的质量比为3:7。低频的电磁损耗层的厚度为2mm。在低频的电磁损耗层上形成10mm的三维石墨烯层。在三维石墨烯层上形成阻抗匹配层，从而形成吸波复合材料。阻抗匹配层包括环氧树脂和球形铁磁金属颗粒，环氧树脂和球形铁磁金属颗粒的质量比为2:8。阻抗匹配层的厚度为2mm。将吸波复合材料裁切成300mm*300mm的板子测试反射率。
实施例3
提供低频的电磁损耗层，低频的电磁损耗层包括乙烯基树脂和铁氧体，乙烯基树脂和铁氧体的质量比为3:7。低频的电磁损耗层的厚度为4mm。在低频的电磁损耗层上形成15mm的三维石墨烯层。在三维石墨烯层上形成阻抗匹配层，从而形成吸波复合材料。阻抗匹配层包括氰酸酯树脂、铁磁/介电复合颗粒和碳系吸波材料，氰酸酯树脂、铁磁/介电复合颗粒和碳系吸波材料的质量比为20:75:5。阻抗匹配层的厚度为5mm。将吸波复合材料裁切成300mm*300mm的板子测试反射率。
实施例4
提供低频的电磁损耗层，低频的电磁损耗层包括氰酸酯树脂和片状铁磁材料，氰酸酯树脂和片状铁磁材料的质量比为22:78。低频的电磁损耗层的厚度为0.5mm。在低频的电磁损耗层上形成1mm的三维石墨烯层。在三维石墨烯层上形成阻抗匹配层，从而形成吸波复合材料。阻抗匹配层包括氰酸酯树脂、铁磁/介电复合颗粒和碳系吸波材料，氰酸酯树脂、铁磁/介电复合颗粒和碳系吸波材料的质量比为20:75:5。阻抗匹配层的厚度为0.5mm。将吸波复合材料裁切成300mm*300mm的板子测试反射率。
实施例5
提供低频的电磁损耗层，低频的电磁损耗层包括氰酸酯树脂和片状铁磁材料，氰酸酯树脂和片状铁磁材料的质量比为4:6。低频的电磁损耗层的厚度为5mm。在低频的电磁损耗层上形成10mm的三维石墨烯层。在三维石墨烯层上形成阻抗匹配层，从而形成吸波复合材料。阻抗匹配层包括乙烯基树脂、铁磁/介电复合颗粒和介电陶瓷颗粒，乙烯基树脂、铁磁/介电复合颗粒和介电陶瓷颗粒的质量比为23:67:10。阻抗匹配层的厚度为2mm。将吸波复合材料裁切成300mm*300mm的板子测试反射率。
实施例6
提供低频的电磁损耗层，低频的电磁损耗层包括环氧树脂和片状铁磁材料，环氧树脂和片状铁磁材料的质量比为32:68。低频的电磁损耗层的厚度为1mm。在低频的电磁损耗层上形成3mm的三维石墨烯层。在三维石墨烯层上形成阻抗匹配层，从而形成吸波复合材料。阻抗匹配层包括乙烯基树脂、球形铁磁金属颗粒和碳系吸波材料，乙烯基树脂、球形铁磁金属颗粒和碳系吸波材料的质量比为3:6:1。阻抗匹配层的厚度为1mm。将吸波复合材料裁切成300mm*300mm的板子测试反射率。
对比例1
将1mm厚的三维石墨烯层裁切成300mm*300mm的板子测试反射率。
对比例2
将3mm厚的三维石墨烯层裁切成300mm*300mm的板子测试反射率。
对比例3
将10mm厚的三维石墨烯层裁切成300mm*300mm的板子测试反射率。
对比例4
将15mm厚的三维石墨烯层裁切成300mm*300mm的板子测试反射率。
在微波暗室中采用弓形法测试雷达吸波材料的反射率。测得的结果如表1所示。
表1、测试结果
Figure BDA0001487342100000071
Figure BDA0001487342100000081
由表1可见，本发明得到的吸波复合材料在300毫米*300毫米的规格时，1-8GHz的吸收频率范围内的反射损耗与单纯的石墨烯层的反射损耗相比都得到了显著提高。因此，本发明通过引入阻抗匹配层和低频的电磁损耗层，有效拓宽了吸收频带和增强了吸波效果。
本发明通过引入低频的电磁损耗层，而低频的电磁损耗层包括片状铁磁金属和铁氧体中的一种或两种，这类吸波剂具有介电弛豫行为所导致的高介电损耗系数，在低频具有高电磁损耗效率。另外，本发明通过引入阻抗匹配层，阻抗匹配层包括球形铁磁金属颗粒、铁磁/介电复合颗粒、介电陶瓷颗粒和碳系吸波材料中的一种或多种，球形铁磁金属颗粒和铁磁/介电复合颗粒的介电常数较低，磁导率较高，阻抗特性较优，可以改善多层吸波材料的表面阻抗匹配特性。此外，介电陶瓷颗粒和碳系吸波材料的存在可以提供更好的耐环境性能。
因此，本发明提供了具有良好低频吸波效果的轻质宽频吸波材料，可以用于电磁波吸收领域。

Claims (9)

1.一种吸波复合材料，其特征在于，包括：
电磁损耗层；
三维石墨烯层，形成在所述电磁损耗层上；以及
阻抗匹配层，形成在所述三维石墨烯层上；
其中，所述电磁损耗层和所述阻抗匹配层均包括基体和吸波剂，其中，所述电磁损耗层的吸波剂包括片状铁磁材料和铁氧体中的一种或两种，所述阻抗匹配层的吸波剂包括球形铁磁金属颗粒、铁磁/介电复合颗粒、介电陶瓷颗粒和碳系吸波材料中的一种或多种；
其中，所述基体包括环氧树脂、乙烯基树脂和氰酸酯树脂中的一种或多种；其中，所述电磁损耗层用于吸收低频的电磁波；所述吸波复合材料为吸波渐变结构。
2.根据权利要求1所述的吸波复合材料，其特征在于，所述电磁损耗层中的基体和吸波剂的质量比为2-4:6-8。
3.根据权利要求1所述的吸波复合材料，其特征在于，所述阻抗匹配层中的基体和吸波剂的质量比为2-4:6-8。
4.根据权利要求1所述的吸波复合材料，其特征在于，所述电磁损耗层的厚度为0.5mm～5mm。
5.根据权利要求1所述的吸波复合材料，其特征在于，所述阻抗匹配层的厚度为0.5mm～5mm。
6.根据权利要求1所述的吸波复合材料，其特征在于，所述三维石墨烯层的厚度为1mm～15mm。
7.一种制备权利要求1～6任一项所述的吸波复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括：
选取三维石墨烯吸波材料作为中间主体吸波层，所述三维石墨烯由三维石墨烯气凝胶退火制得；
利用遗传算法和电磁仿真软件从吸波剂材料数据库中选取吸波材料作为阻抗匹配层和电磁损耗层的吸波剂，其中，所述主体吸波层形成在所述电磁损耗层上，所述阻抗匹配层形成在所述主体吸波层上；
通过机械连接实现所述电磁损耗层、所述主体吸波层、所述阻抗匹配层的多层吸波材料的复合。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
选取环氧树脂、乙烯基树脂和氰酸酯树脂中的一种或多种组合作为阻抗匹配层和电磁损耗层的基体。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过所述遗传算法和电磁仿真软件调整所述多层吸波材料的吸波剂组合和厚度。
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