CN110872179B - 一种柔性射频段负介电和负磁导率吸波材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有负介电和负磁导率的吸波材料制备方法，特别涉及一种具有具有柔性的聚合物基双负材料制备方法，该发明可应用于电磁屏蔽、吸波、波导领域。上述负介电材料的制备方法，包括：步骤1，利用固相反应法制备钇铁石榴石粉体；步骤2，将钇铁石榴石粉体与聚苯胺粉体以一定比例混合；步骤3，将混合粉料压力成型为具有一定形状的复合材料。本发明制备的双负材料，其介电常数在10MHz‑1GHz频段可为负值，磁导率在100MHz‑1GHz频段可为负值。聚苯胺的电导率对产品性能具有决定性影响，通过聚苯胺的选择和控制聚苯胺的体积分数，可实现对双负性能的调控，进而实现不同的吸波性能。由于聚苯胺具有柔性，本发明可将材料制备成薄膜或涂层，用于可穿戴的电磁产品。

Description

一种柔性射频段负介电和负磁导率吸波材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有负介电和负磁导率吸波材料的制备方法，特别涉及一种具有具有柔性的聚合物基负介电和负磁导率超构复合材料制备方法，该发明可应用于电磁屏蔽、吸波、波导领域。

背景技术

同时具有负介电常数和负磁导率的材料称为双负材料，于2001年第一次通过超材料的形式实现。之后，超材料在隐身、完美成像、雷达天线和无线电力传输等领域迅速发展，称为科研和技术革新的热点。超材料的新颖电磁特性很大程度上依赖于其周期有序结构单元的几何尺寸、形状和排列方式，而不是源于其组成材料的本征性能，因此，其性能称为人工性能。从材料的组成和微观形貌的角度出发，通过材料的本征性能来实现双负性质同样具有意义。在逾渗复合材料中，当导电填料含量超过逾渗阈值时，某些复合材料可实现负介电常数和负磁导率。金属填料如镍、铜、铁、银等常作为导电填料，而氧化铝、钇铁石榴石和聚合物常作为绝缘基体。铜-钇铁石榴石、银-钇铁石榴石、铁-氧化铝、镍-氧化铝等均有报道可实现负介电常数和负磁导率。然而，这些复合材料的制备均是将导电填料与绝缘基体复合，鲜有报道是关于将绝缘填料与导电基体复合的，尤其是关于射频段双负性能。

负磁导率在铁磁材料中的铁磁共振频段可以实现，例如铁磁金属及合金，或者铁氧体中。钇铁石榴石的磁共振频率在1GHz附近，并可实现负磁导率，且其负磁导率的频段可以通过施加偏置外磁场的方式调控。根据Drude 模型，低于等离子特征频率时，金属材料具有负介电常数，因此，将不同的金属纳米颗粒与YIG复合可同时实现负介电常数和负磁导率。例如，银或铜颗粒通过浸渍还原的工艺与多孔YIG复合，也可以将铜颗粒和YIG颗粒通过环氧树脂粘结在一起。

由于具有轻质、柔性以及大规模制备的优势，聚合物材料也用于制备负介电材料。聚苯胺、聚吡咯等导电高分子材料可用于与YIG复合，制备双负材料。当使用导电高分子材料代替金属材料，在工艺上可避免烧结和热还原过程，同时，复合材料可具备一定的柔性。此类复合材料在吸波领域具有重要的应用。

发明内容

为了实现具有柔性的负介电和负磁导率吸波材料，本发明提供了一种双负材料的制备方法。本发明提供的制备方案如下：

步骤1：利用固相反应法制备YIG粉体。利用固相反应制备钇铁石榴石粉体：氧化钇和氧化铁粉体按照摩尔比3:5混合，经球磨、干燥、1300℃固相反应、过筛（300目）得钇铁石榴石粉体。步骤1所用的钇铁石榴石粉体亦可使用其他工业级粉体，粒径在1-20μm之间。

步骤2：将钇铁石榴石粉体与聚苯胺粉体以一定比例混合。其中，聚苯胺为导电态聚苯胺，粒径为1μm-5μm，直流电导率为0.1-10(Ω•cm)-1之间，本发明所使用的导电态聚苯胺的直流电导率为关键参数之一。钇铁石榴石粉体在复合粉体的体积比的区间为60％-95％。混合手段为球磨机，干磨。当使用行星式球磨机混合时，总的球料比为2（最佳配比），球磨转速为240r/min，球磨时间为0.5-2小时；当使用振动球磨机混料时，球料比为1~3，先低频振动14-24秒，然后高频振动60-120秒，循环3-6次。

步骤3：将步骤2的混合粉料压力成型为具有一定形状的复合材料。模具的大小根据所需制备的材料尺寸设计。成型方式为热压成型，或者不加热仅压力成型。先将粉料倒入模具中，当热压成型时，于60℃-100℃下预热20-40min。然后加压至20MPa-50MPa保压30min，待冷却至室温时，泄压，泄压速率为5MPa/min-30 MPa/min，冷却方式可选择自然冷却或者循环水冷却。当不加热仅压力成型，先缓慢加压至10MPa，保压10min，然后加压至30MPa-50MPa保压30min，泄压速率为5MPa/min-30 MPa/min。

本发明提供了一种具有柔性的吸波材料的制备方法，具有以下有益效果：

1）本发明所用原材料可直接使用工业级原料，且工艺简单，耗能低；

2）聚苯胺电导率对产品性能具有决定性影响，通过控制钇铁石榴石和聚苯胺的体积分数，可实现对双负性能的调控；

3）本发明制备的双负材料，具有一定的柔性，可制备成薄膜，用于可穿戴的电磁产品。

附图说明

图1为实施例中所用的钇铁石榴石粉体的SEM图；

图2为纯聚苯胺块体材料的SEM图；

图3为YIG/聚苯胺复合材料的双负性质。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例和附图进行详细描述。

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

本发明提供了一种具有稳定的弱负介电性能的超构复合材料制备方法，具体物质用量及实验过程参见下述实施例。

实施例1：

为了实现具有柔性的负介电和负磁导率材料，本发明提供了一种双负材料的制备方法。其具体的工艺为：

步骤1：利用固相反应法制备YIG粉体。利用固相反应制备钇铁石榴石粉体：氧化钇和氧化铁粉体按照摩尔比3:5混合，经球磨、干燥、1300℃固相反应、过筛（300目）得钇铁石榴石粉体。

步骤2：将钇铁石榴石粉体与聚苯胺粉体以一定比例混合。其中，聚苯胺为导电态聚苯胺，粒径为1μm-5μm，直流电导率为1 S•cm-1。钇铁石榴石粉体在复合粉体的体积分数为90％。混合手段为振动球磨机，干磨。球料比为2，先低频振动15秒，然后高频振动90秒，循环3次。

步骤3：将步骤2的混合粉料压力成型为具有一定形状的复合材料。模具为直径为20mm，厚度为2mm的圆片。成型方式为压力成型。先将粉料倒入模具中，先缓慢加压至10MPa，保压10min，然后加压至30MPa保压30min，泄压速率为30 MPa/min。

实施例2：

为了实现具有柔性的负介电和负磁导率材料，本发明提供了一种双负材料的制备方法。其具体的工艺为：

步骤1：利用固相反应法制备YIG粉体。利用固相反应制备钇铁石榴石粉体：氧化钇和氧化铁粉体按照摩尔比3:5混合，经球磨、干燥、1300℃固相反应、过筛（300目）得钇铁石榴石粉体。

步骤2：将钇铁石榴石粉体与聚苯胺粉体以一定比例混合。其中，聚苯胺为导电态聚苯胺，直流电导率为10 S•cm-1。钇铁石榴石粉体在复合粉体的体积分数为50％。混合手段为振动球磨机，干磨。球料比为2，先低频振动20秒，然后高频振动80秒，循环3次。

步骤3：将步骤2的混合粉料压力成型为具有一定形状的复合材料。模具为直径为20mm，厚度为2mm的圆片。成型方式为热压成型先将粉料倒入模具中，于80℃下预热20min。然后加压至30MPa保压30min，待冷却至室温时，泄压，泄压速率为5MPa/min，冷却方式为自然冷却。

所举的实验仅是本发明的较佳的实例，并不用于限定本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种具有柔性的射频段负介电和负磁导率吸波材料的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1：利用固相反应制备钇铁石榴石粉体：氧化钇和氧化铁粉体按照摩尔比3:5混合，经球磨、干燥、1300℃固相反应、过300目筛得钇铁石榴石粉体；所述钇铁石榴石粉体粒径在1-20μm之间；

步骤2：将钇铁石榴石粉体与聚苯胺粉体以一定比例混合，其中，聚苯胺为导电态聚苯胺，粒径为1μm-5μm，直流电导率为0.1-10(Ω·cm)^-1，所述钇铁石榴石粉体在混合粉料的体积比为60％-95％；所述混合为球磨机，干磨；

所述球磨机为行星式球磨机，总的球料比为2，球磨转速为240r/min，球磨时间为0.5-2小时；

或者，所述球磨机为振动球磨机，球料比为1～3，先低频振动14-24秒，然后高频振动60-120秒，循环3-6次；

步骤3：将步骤2的混合粉料压力成型为具有一定形状的复合材料；成型方式为热压成型，或者不加热仅压力成型；具体为：

热压成型：先将混合粉料倒入模具中，于60℃-100℃下预热20-40min；然后加压至20MPa-50MPa保压30min，待冷却至室温时，泄压，泄压速率为5MPa/min-30MPa/min，冷却方式可选择自然冷却或者循环水冷却；

或者，不加热仅压力成型：先将混合粉料倒入模具中，先缓慢加压至10MPa，保压10min，然后加压至30MPa-50MPa保压30min，泄压速率为5MPa/min-30MPa/min。

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