CN111422866A - 一种复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种复合材料及其制备方法。该制备方法包括以下步骤：制备多孔纳米碳材料；制备磁性离子溶液；将多孔纳米碳材料和磁性离子溶液混合，得到混合溶液；对混合溶液进行处理，得到负载有磁性离子的多孔碳材料；对负载有磁性离子的多孔碳材料进行干燥，焙烧，得到复合材料。该制备方法获得的复合材料，将碳气凝胶与金属物质复合，弥补了单一吸波材料的不足，以满足吸波材料“宽、强、长、适”的性能要求。

Description

一种复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料技术领域，特别涉及一种复合材料及其制备方法。

背景技术

目前，传统的隐身材料多以散射或吸收为主，常见的具有特定形貌的纳米金属吸波材料吸波频带窄、吸波效果差，而石墨烟幕、碳黑烟幕等碳类烟幕质轻易飘散，吸收效果亦不佳，在应用方面均受到了限制。

碳气凝胶作为一种新型纳米多孔材料，具有高比表面积、高孔隙率以及高电导率，尤为重要的是其孔径、振实密度、粒度均可调。文献报道具有特定孔径分布的碳气凝胶对于可见光的吸收可以到达99.8％，即其吸波性能大大优于活性炭及石墨烯。但这种材料通常并不能达到宽频强吸收的要求；此种材料的密度有时也不便于实际的使用。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种复合材料及其制备方法，将碳型吸波材料与纳米金属进行复合得到复合材料，从而获得带频宽、吸收能力强、密度合适的新型复合吸波材料。

根据本发明的一方面，提供一种复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备多孔纳米碳材料；

制备磁性离子溶液；

将所述多孔纳米碳材料和所述磁性离子溶液混合，得到混合溶液；

对所述混合溶液进行处理，得到负载有磁性离子的多孔碳材料；

对所述负载有磁性离子的多孔碳材料进行干燥，焙烧，得到复合材料。

优选地，所述制备多孔纳米碳材料的步骤包括：

将酚类化合物、醛类化合物和催化剂溶于溶剂中，得到前驱体溶液；

对所述前驱体溶液进行培养，得到凝胶；

对所述凝胶进行置换、碳化、活化，得到所述多孔纳米碳材料。

优选地，所述酚类化合物包括选自多羟基苯、二羟基苯、三羟基丁烷中的至少一种。

优选地，所述醛类化合物包括选自甲醛、多聚甲醛、三噁烷、甲基甲醛、乙醛、丙醛、丁醛的至少一种。

优选地，所述制备磁性离子溶液的步骤包括：

选择具有吸波特性的金属的可溶性盐溶于溶剂；

配置成一定浓度的溶液；

其中，所述具有吸波特性的金属包括选自铂、钯、金、银、铅、铁、铜中的至少一种。

优选地，所述对所述混合溶液进行处理包括：

磁力搅拌处理、超声处理、静置处理。

优选地，所述磁力搅拌处理时间为30min～90min；所述超声处理时间为60min～150min；所述静置处理时间为6h～12h。

优选地，所述干燥的条件为：以空气为干燥气氛，干燥温度为50～60℃，干燥时间为6～12h。

优选地，所述焙烧的条件为：以氮气为焙烧气氛，焙烧温度为150～600℃，焙烧时间为2～4h。

根据本发明的另一方面，提供一种采用上述的方法制备的复合材料，其特征在于，所述复合材料包括：

多孔纳米碳材料，作为载体负载金属纳米颗粒；

金属纳米颗粒，负载于所述多孔纳米碳材料；

所述多孔纳米碳材料的质量占所述复合材料总质量的70％～90％；所述金属纳米颗粒的质量占所述复合材料总质量的10％～30％；

所述复合材料的材料粒度为2-20μm，密度为0.4-1.0g/cm³。

本发明的实施例具有以下优点或有益效果：复合材料包括多孔纳米碳材料，其孔径、振实密度、粒度均可调，具有高比表面积、高孔隙率以及高电导率，具有较好的吸波性能。

本发明的实施例具有以下优点或有益效果：碳气凝胶与金属物质复合形成复合材料，能够增大密度的同时又兼具导电性和纳米效应，可以延长材料的滞空时间、拓宽吸收频带的范围，提高吸波性能。

本发明的实施例具有以下优点或有益效果：通过磁力搅拌、超声、静置使纳米磁性离子充分进入载体的空隙中，超声静置使金属纳米粒子成功负载于碳基材料，使碳基材料与纳米粒子紧密结合在一起。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的复合材料的制备方法的流程图；

图2示出了根据本发明实施例的多孔纳米碳材料的制备方法的流程图；

图3示出根据本发明第一实施例制备的复合材料的红外检测的透过率-时间曲线图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

本发明人注意到，碳气凝胶作为一种新型纳米多孔材料，具有高比表面积、高孔隙率以及高电导率，尤为重要的是其孔径、振实密度、粒度均可调。将碳气凝胶与金属物质复合，能够增大密度的同时又兼具导电性和纳米效应，可以延长材料的滞空时间、拓宽吸收频带的范围，从而获得带频宽、吸收能力强、密度合适的新型复合吸波材料。将碳型吸波材料与纳米金属进行复合得到的复合材料兼具两种材料的优点，能够极大地提高吸波性能。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1示出了根据本发明实施例的复合材料的制备方法的流程图，具体包括以下步骤：

在步骤S101中，制备多孔纳米碳材料；

将酚类化合物、醛类化合物和催化剂溶解于反应溶剂中，形成前驱体溶液，前驱体溶液经过培养得到凝胶，对凝胶进行碳化、活化，得到多孔纳米碳材料。

例如，将间苯二酚与甲醛按照一定比例混合，在催化剂碳酸钠的作用下，培养得到间苯二酚-甲醛碳气凝胶，对间苯二酚-甲醛碳气凝胶进行碳化处理、活化处理，得到多孔纳米碳材料。

在步骤S102中，制备磁性离子溶液；

制备具有吸波特性的金属颗粒的前驱体离子溶液(磁性离子溶液)；具有吸波特性的磁性离子溶液制备可选Pt、Pd、Au、Ag、Pb、Fe、Cu等金属的可溶性盐，如乙酸盐、硝酸盐等。

例如，使用乙酸铅配制成浓度为0.5mol/L的溶液作为磁性离子溶液使用。

上述步骤S101与步骤S102，没有时间顺序的先后的要求。具体地讲，多孔纳米碳材料的制备与磁性离子溶液的制备是两个独立的制备过程，二者没有必要的先后顺序。

在步骤S103中，将多孔纳米碳材料和磁性离子溶液混合，得到混合溶液；

例如，将由间苯二酚-甲醛碳气凝胶制得的多孔纳米碳材料与0.5mol/L乙酸铅溶液混合在一起，得到混合溶液。

在步骤S104中，对混合溶液进行磁力搅拌、超声、静置处理，得到负载有磁性离子的多孔碳材料；

对步骤S103中得到的混合溶液进行磁力搅拌、超声处理、静置处理，使纳米磁性离子充分进入载体的空隙中达到离子的负载，得到负载有磁性离子的多孔碳材料。

例如，依次对混合溶液进行30min～90min的磁力搅拌，随后超声处理60min～150min，最后静置6h～12h，得到负载有磁性离子的多孔碳材料。

在步骤S105中，对负载有磁性离子的多孔碳材料进行干燥，焙烧；

对负载有磁性离子的多孔碳材料进行干燥、焙烧，得到复合材料。

例如，在空气气氛下进行干燥，干燥温度为50～60℃，干燥时间为6～12h。

例如，在氮气气氛下进行焙烧，焙烧温度为150～600℃，焙烧时间为2～4h。

优选地，最终得到的复合材料中，多孔纳米碳材料质量占该复合材料总质量的70％～90％；金属纳米颗粒质量占该复合材料总质量的10％～30％。

根据本发明实施例制得的复合材料，材料粒度在2-20μm，密度达到0.4-1.0g/cm³，制得的复合材料对可见光、各波段的红外光及1.06-10.6μm激光都具有较好的遮蔽效果，且能够保持一定的滞空时间。制得的复合材料对可见光的吸收可达到99％，对于近红外、中红外、远红外三个波段的红外光的吸收率均大于95％，红外热像仪的信号透过率低于5％。

本发明所述的可吸收电磁波的复合材料制备方法，采用间苯二酚、甲醛，碳酸钠制备多孔纳米碳材料；采用Pt、Pd、Au、Ag、Pb、Fe、Cu等金属的可溶性盐制备金属颗粒的前驱体离子溶液。通过超声静置使金属纳米粒子成功负载于碳基材料，从而制备得到可吸收电磁波的复合纳米材料。该材料弥补了单一吸波材料的不足，将碳气凝胶与金属物质复合，同时具有导电性、磁性和纳米效应，据有一定密度、拓宽吸收频带的范围同时保持较高的吸波性能。所制备的吸波材料吸光带频宽、吸收能力强、滞空时间长、密度合适，满足对吸波材料“宽、强、长、适”的性能要求。

图2示出了根据本发明实施例的多孔纳米碳材料的制备方法的流程图，具体包括以下步骤：

在步骤S201中，将酚类化合物、醛类化合物和催化剂溶于溶剂中，得到前驱体溶液；

酚类化合物包括选自多羟基苯、二羟基苯、三羟基丁烷中的至少一种。醛类化合物包括选自甲醛、多聚甲醛、三噁烷、甲基甲醛、乙醛、丙醛、丁醛的至少一种。将酚类化合物、醛类化合物按照一定比例混合，溶于溶剂中，并添加催化剂，得到前驱体溶液。

优选地，将间苯二酚与甲醛以质量比为间苯二酚：甲醛＝10～100进行混合搅拌，待完全混合均匀后以质量比为间苯二酚：碳酸钠＝50～500加入碳酸钠(碳酸钠作为催化剂)，在室温下搅拌30min后得到前驱体溶液。然而，本发明不限于此。

在步骤S202中，对前驱体溶液进行培养，得到凝胶；

例如，对前驱体溶液进行恒温培养，通过酚类化合物和醛类化合物的聚合反应形成凝胶。培养温度为25℃～90℃之间，培养时间为2～6天。

在步骤S203中，对凝胶进行置换、碳化、活化，得到多孔纳米碳材料。

优选地，凝胶中加入去离子水，进行搅拌置换，搅拌时间为2-4h，溶剂置换的步骤重复3-5次；惰性气体保护下进行高温碳化以形成炭气凝胶，采用的惰性气体为氮气或氩气，温度为850-1000℃，时间为3-7小时；采用二氧化碳为活化剂进行活化，其中温度为700-1000℃，时间为2-6小时。

以下将进一步详述根据本发明的复合材料制备方法的实施例。

第一实施例

本发明的第一实施例具体包括以下步骤：

步骤一：间苯二酚与甲醛以质量比为间苯二酚：甲醛＝10进行混合搅拌，待泡沫完全消失后，以质量比为间苯二酚：碳酸钠＝50加入碳酸钠，在室温下搅拌30min；放入恒温箱中在50℃下培养3d；培养结束后得到聚合物(凝胶)。对凝胶进行置换，置换后在100ml/min流速的氮气气氛中，900℃碳化6小时；而后在二氧化碳气氛下，800℃活化6小时，得到多孔纳米碳材料；

步骤二：称取一定量的氯铂酸，配置浓度为0.02mol/L的溶液。

步骤三：30g多孔纳米碳材料与含铂离子的溶液进行混合，磁力搅拌60min、超声90min、静置6h。

步骤四：将上述溶液过滤后在55℃空气气氛下干燥6h，而后在氮气气氛下400℃煅烧2h。

对根据第一实施例制得的复合材料进行测试，得到以下测试结果。表1示出了第一实施例制备的复合材料的冷烟透过率。

表1第一实施例制备的复合材料冷烟透过率试验数据

图3示出根据本发明第一实施例制备的复合材料的红外检测的透过率-时间曲线图。根据本发明第一实施例，制得复合材料。对复合材料采用红外热像仪(8-12μm)进行红外透过率随时间的变化。从测量曲线图可以看到，在7秒时复合材料开始起作用，在测量的36秒的时间段中，红外透过率维持小于5％，从而表现对良好的红外遮蔽效果。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备多孔纳米碳材料；

制备磁性离子溶液；

将所述多孔纳米碳材料和所述磁性离子溶液混合，得到混合溶液；

对所述混合溶液进行处理，得到负载有磁性离子的多孔碳材料；

对所述负载有磁性离子的多孔碳材料进行干燥，焙烧，得到复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备多孔纳米碳材料的步骤包括：

将酚类化合物、醛类化合物和催化剂溶于溶剂中，得到前驱体溶液；

对所述前驱体溶液进行培养，得到凝胶；

对所述凝胶进行置换、碳化、活化，得到所述多孔纳米碳材料。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述酚类化合物包括选自多羟基苯、二羟基苯、三羟基丁烷中的至少一种。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述醛类化合物包括选自甲醛、多聚甲醛、三噁烷、甲基甲醛、乙醛、丙醛、丁醛的至少一种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备磁性离子溶液的步骤包括：

选择具有吸波特性的金属的可溶性盐溶于溶剂；

配置成一定浓度的溶液；

其中，所述具有吸波特性的金属包括选自铂、钯、金、银、铅、铁、铜中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对所述混合溶液进行处理包括：

磁力搅拌处理、超声处理、静置处理。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述磁力搅拌处理时间为30min～90min；所述超声处理时间为60min～150min；所述静置处理时间为6h～12h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述干燥的条件为：以空气为干燥气氛，干燥温度为50～60℃，干燥时间为6～12h。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述焙烧的条件为：以氮气为焙烧气氛，焙烧温度为150～600℃，焙烧时间为2～4h。

10.一种采用权利要求1至9中任一项所述的制备方法获得的复合材料，其特征在于，所述复合材料包括：

多孔纳米碳材料，作为载体负载金属纳米颗粒；

金属纳米颗粒，负载于所述多孔纳米碳材料；

所述多孔纳米碳材料的质量占所述复合材料总质量的70％～90％；所述金属纳米颗粒的质量占所述复合材料总质量的10％～30％；

所述复合材料的材料粒度为2-20μm，密度为0.4-1.0g/cm³。

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