CN111471431B - 一种碳素吸波材料及其制备方法 - Google Patents

一种碳素吸波材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种碳素吸波材料及其制备方法，包括以下步骤：1）将中温沥青磨制成粉，加入聚合氯化铁胶体进行搅拌混合，加热融化后进行进一步搅拌混合，冷却后得到调制沥青；2）将步骤1）得到的调制沥青在隔绝空气条件下加热到500‑600℃，排除挥发分后得到结焦物，结焦物研磨后得到碳粉；3）将步骤2）得到的碳粉用过量氢氧化钠溶液进行浸渍并煮沸，洗涤后进行烘干，在隔绝空气条件下进行加热，加热温度为300‑500℃，冷却后得到碳素吸波材料。本发明制备得到的碳素吸波材料，是以铁氧体为内核，沥青结焦后形成的碳质外壳覆盖在铁氧体外。吸波性能好，在不同频段均具有吸收峰。

Description

一种碳素吸波材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳素吸波材料及其制备方法，属于吸波材料技术领域。
背景技术
吸波材料在军事领域有着广泛的应用，已经成为各国军事装备隐身技术研究的关键；而且随着电子工业的发展，电磁辐射的危害日益严重，电磁辐射已成为继大气污染、水污染和噪音污染之后的第四污染源，对生态环境和人体健康造成了严重危害，使用吸波材料是解决电磁污染危害的有效途径。因此对吸波材料的研究具有非常重要的意义。理想的吸波材料应该具有强吸收、宽频段、厚度薄和质量轻等特点，为了更好地满足这些要求，制备新型吸波材料成为了当前的研究热点。
从目前的吸波材料的发展状况来看，一种类型的材料很难满足日益提高的隐身技术所提出的“薄、轻、宽、强”的综合要求，介电型吸波材料与磁性吸波材料主要覆盖范围分别在厘米波段的低端和高端，因此需要将多种吸波材料进行多种形式的复合来获得最佳隐身效果，提高吸波性能。近些年来，许多研究者致力于研制既有电损耗又有磁损耗的一类碳基复合吸波材料，利用碳材料密度小、电性能好、力学性能优异等特点，复合磁性能优异的磁性材料，改善碳材料的磁导率，提高复合材料整体的吸波性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳素吸波材料，提高其吸波能力，制备方法包括以下步骤：
1）将中温沥青磨制成粉，加入聚合氯化铁胶体进行搅拌混合，加热融化后进行进一步搅拌混合，冷却后得到调制沥青；
2）将步骤1）得到的调制沥青在隔绝空气条件下加热到500-600℃，排除挥发分后得到结焦物，结焦物研磨后得到碳粉；
3）将步骤2）得到的碳粉用过量氢氧化钠溶液进行浸渍并煮沸，洗涤后进行烘干，在隔绝空气条件下进行加热，加热温度为300-500℃，冷却后得到碳素吸波材料。
进一步的，步骤1）中聚合氯化铁的加入量为沥青粉的5-10wt%。
进一步的，步骤3）中在加热到300-500℃以后，进一步加热至600-650℃，再进行冷却，得到碳素吸波材料。
进一步的，步骤2）中调制沥青先升温至320-360℃，保温1-2小时后，再加热到500-600℃得到结焦物。
进一步的，将步骤2）得到的碳粉先进行预处理，再进入步骤3），碳粉的预处理包括以下步骤：
21）将无水氯化铁在惰性气体保护条件下进行加热挥发，生成挥发气体；
22）将碳粉放置在石英管中，步骤21）生成的挥发气体导入到石英管中，用碳粉对挥发气体进行吸附，吸附的同时对石英管进行冷却。
进一步的，步骤21）得到的挥发气体与热解碳源气体并流后，通入到高温热解炉中进行热解反应，再导入到石英管中进行吸附。
本发明要求保护按上述制备方法制备得到的碳素吸波材料。
本发明的有益点在于：
1.本发明是以沥青、氯化铁为原料制备吸波材料，原料成本低，工艺控制难度低，易于实现。
2.本发明制备得到的碳素吸波材料，是以铁氧体为内核，沥青结焦后形成的碳质外壳覆盖在铁氧体外，铁氧体分布均匀。吸波性能好，在不同频段均具有吸收峰。另外，碳质外壳经过活化处理，孔隙发达，入射电磁波能够最大限度地进入材料内部，进一步提高其吸波性能。
3.改进方案中，碳粉进一步吸附氯化铁蒸气，使氯化铁负载在碳质孔隙的内壁，最终形成铁氧体内核-碳质外壳-铁氧体负载的多层结构，其界面大幅提高，也可以获得提高吸波性能的效果。
具体实施方式
实施例1
1）将软化点为90℃左右的中温沥青磨制成粉，加入沥青质量5%的聚合氯化铁胶体进行搅拌混合，混合后的沥青粉加热到180℃左右完全融化成液态，边融化边进行搅拌，保温两小时以上，冷却后得到调制沥青；
2）将步骤1）得到的调制沥青在隔绝空气条件下加热到500-600℃，进行结焦反应，完全排除挥发分后得到结焦物，结焦物研磨后得到碳粉，碳粉中掺杂有氯化铁；在沥青结焦过程中，沥青先融化成液态，液态的沥青相会优先以固态的聚合氯化铁为核心逐渐形成团聚体，并逐步脱除挥发分，形成以聚合氯化铁为内核的结焦物。
3）将步骤2）得到的碳粉用过量氢氧化钠溶液进行浸渍并煮沸，洗涤后进行烘干，在隔绝空气条件下进行加热，加热温度为300-500℃，冷却后得到碳素吸波材料。该步骤中，氢氧化钠溶液浸渍的目的是与氯化铁进行反应生成氢氧化铁。另外，氢氧化钠溶液在浸渍碳粉并煮沸的条件下，可以对碳粉颗粒起到活化作用，形成高度发达的纳米级孔隙，该孔隙的形成可作为电磁波进入材料内部的通道，提高吸波性能。
实施例2
1）将中温沥青磨制成粉，加入沥青质量8%的聚合氯化铁胶体进行搅拌混合，加热融化后进行进一步搅拌混合，冷却后得到调制沥青；
2）将步骤1）得到的调制沥青在隔绝空气条件下加热到500-600℃，排除挥发分后得到结焦物，结焦物研磨后得到碳粉；
3）将步骤2）得到的碳粉用过量氢氧化钠溶液进行浸渍并煮沸，洗涤后进行烘干，在隔绝空气条件下进行加热，加热温度为300-500℃，冷却后得到碳素吸波材料。
实施例3
1）将中温沥青磨制成粉，加入沥青质量10%的聚合氯化铁胶体进行搅拌混合，加热融化后进行进一步搅拌混合，冷却后得到调制沥青；
2）将步骤1）得到的调制沥青在隔绝空气条件下加热到500-600℃，排除挥发分后得到结焦物，结焦物研磨后得到碳粉；
3）将步骤2）得到的碳粉用过量氢氧化钠溶液进行浸渍并煮沸，洗涤后进行烘干，在隔绝空气条件下进行加热，加热温度为300-500℃，冷却后得到碳素吸波材料。
将实施例2中的碳素吸波材料与石蜡按1：1比例混合，压制成2mm的薄片，进行电磁参数测量，测试频率为1～18GHz。反射率小于-10dB的有效带宽为达到12GHz，且出现了两个吸收峰，分别在10.5GHz、15.6GHz，其峰值分别为-36.0dB、-19.3dB。
实施例4
1）将中温沥青磨制成粉，加入沥青质量8%的聚合氯化铁胶体进行搅拌混合，加热融化后进行进一步搅拌混合，冷却后得到调制沥青；
2）将步骤1）得到的调制沥青在隔绝空气条件下加热到500-600℃，排除挥发分后得到结焦物，结焦物研磨后得到碳粉；
3）将步骤2）得到的碳粉用过量氢氧化钠溶液进行浸渍并煮沸，洗涤后进行烘干，在隔绝空气条件下进行加热，加热温度为300-500℃，在该温度范围内，生成的氢氧化铁分解成三氧化二铁，再进一步升温至600-650℃，在碳质还原条件下，该温度范围内部分三氧化二铁还原为四氧化三铁，提高铁磁性吸波性能。而且，反应时生成二氧化碳，引起碳质内部膨胀，进一步提高碳质的孔隙率。冷却后得到碳素吸波材料。
该实施例得到的碳素吸波材料制成样品后进行电磁参数测量，出现第三个吸收峰，频率在17.5GHz，其峰值为-18.0dB。
实施例5
1）将中温沥青磨制成粉，加入沥青质量8%的聚合氯化铁胶体进行搅拌混合，加热融化后进行进一步搅拌混合，冷却后得到调制沥青；
2）将步骤1）得到的调制沥青在隔绝空气条件下，先升温至320-360℃，保温1-2小时后，再加热到500-600℃得到结焦物。结焦物研磨后得到碳粉。在320-360℃范围内，沥青液相中的碳小球不断融并长大，是发生聚合反应的主要阶段，通过在该温度段内进行保温，有利于沥青中间相以氯化铁为核心进行聚合，逐渐形成以氯化铁为内核，碳质为外壳的包覆结构。
3）将步骤2）得到的碳粉用过量氢氧化钠溶液进行浸渍并煮沸，洗涤后进行烘干，在隔绝空气条件下进行加热，加热温度为300-500℃。冷却后得到碳素吸波材料。
实施例6
1）将中温沥青磨制成粉，加入沥青质量8%的聚合氯化铁胶体进行搅拌混合，加热融化后进行进一步搅拌混合，冷却后得到调制沥青；
2）将步骤1）得到的调制沥青在隔绝空气条件下，加热到500-600℃得到结焦物，结焦物研磨后得到碳粉。
将步骤2）得到的碳粉进行预处理，碳粉的预处理包括以下步骤：
21）将无水氯化铁在惰性气体保护条件下进行加热挥发，生成挥发气体；惰性气体可采用氮气或者氩气；
22）将碳粉放置在石英管中，步骤21）生成的挥发气体导入到石英管中，用碳粉对挥发气体进行吸附，吸附的同时对石英管进行冷却。
3）用过量氢氧化钠溶液对预处理后的碳粉进行浸渍并煮沸，洗涤后进行烘干，在隔绝空气条件下进行加热，加热温度为300-500℃。冷却后得到碳素吸波材料。
氯化铁形成的挥发气体最终负载在碳质的表面或者碳质孔隙的内壁表面，经后续处理后形成铁氧体，构成铁氧体内核-碳质外壳-铁氧体负载的多层结构。该实施例得到的碳素吸波材料制成样品后进行电磁参数测量，低于-10 dB的有效带宽为14GHz。
实施例7
1）将中温沥青磨制成粉，加入沥青质量8%的聚合氯化铁胶体进行搅拌混合，加热融化后进行进一步搅拌混合，冷却后得到调制沥青；
2）将步骤1）得到的调制沥青在隔绝空气条件下，加热到500-600℃得到结焦物，结焦物研磨后得到碳粉。
将步骤2）得到的碳粉进行预处理，碳粉的预处理包括以下步骤：
21）将无水氯化铁在惰性气体保护条件下进行加热挥发，生成挥发气体；
22）将碳粉放置在石英管中，步骤21）生成的挥发气体与热解碳源气体并流后，通入到高温热解炉中进行热解反应，再导入到石英管中进行吸附导入到石英管中，用碳粉对挥发气体进行吸附，吸附的同时对石英管进行冷却。热解碳源气体为甲烷、乙炔等有机气体，热解炉的温度为900-1000℃。
3）用过量氢氧化钠溶液对预处理后的碳粉进行浸渍并煮沸，洗涤后进行烘干，在隔绝空气条件下进行加热，加热温度为300-500℃。冷却后得到碳素吸波材料。
在该实施例中，热解碳源气体在热解炉中分解生成纳米碳颗粒，与气态氯化铁一起吸附到碳粉表面或者孔隙内部，可以显著提高吸波性能。该实施例得到的碳素吸波材料制成样品后进行电磁参数测量，有三个吸收峰，分别在6.3 GHz 、10.5GHz、15.6GHz，其峰值分别为-19.2dB、 -40.2dB、-22.3dB。低于-10 dB的有效带宽达到17.3GHz。

Claims (5)

1.一种碳素吸波材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将中温沥青磨制成粉，加入聚合氯化铁胶体进行搅拌混合，加热融化后进行进一步搅拌混合，冷却后得到调制沥青；
2）将步骤1）得到的调制沥青在隔绝空气条件下加热到500-600℃，排除挥发分后得到结焦物，结焦物研磨后得到碳粉；
3）将步骤2）得到的碳粉用过量氢氧化钠溶液进行浸渍并煮沸，洗涤后进行烘干，在隔绝空气条件下进行加热，加热温度为300-500℃，冷却后得到碳素吸波材料；
步骤2）中调制沥青先升温至320-360℃，保温1-2小时后，再加热到500-600℃得到结焦物；
步骤3）中在加热到300-500℃以后，进一步加热至600-650℃，再进行冷却，得到碳素吸波材料。
2.根据权利要求1所述的碳素吸波材料制备方法，其特征在于：步骤1）中聚合氯化铁的加入量为沥青粉的5-10wt%。
3.根据权利要求1所述的碳素吸波材料制备方法，其特征在于，将步骤2）得到的碳粉先进行预处理，再进入步骤3），碳粉的预处理包括以下步骤：
21）将无水氯化铁在惰性气体保护条件下进行加热挥发，生成挥发气体；
22）将碳粉放置在石英管中，步骤21）生成的挥发气体导入到石英管中，用碳粉对挥发气体进行吸附，吸附的同时对石英管进行冷却。
4.根据权利要求3所述的碳素吸波材料制备方法，其特征在于：步骤21）得到的挥发气体与热解碳源气体并流后，通入到高温热解炉中进行热解反应，再导入到石英管中进行吸附。
5.根据权利要求1-4任一项所述的碳素吸波材料制备方法制备得到的碳素吸波材料。
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