CN111534279B - 一种v波段吸波粉体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于吸波材料技术领域，具体涉及一种V波段吸波粉体的制备方法，将羰基铁和膨胀石墨混合，使膨胀石墨包覆在羰基铁表面，得到一道混合粉体，对该一道混合粉体进行高温反应和退火处理；将碳化硅和氟化石墨烯混合，使氟化石墨烯包覆在球状碳化硅表面，得到二道混合粉体；将经过高温反应和退火处理后的一道混合粉体与二道混合粉体进行混合，得到V波段吸波粉体。通过合理的成分设计和工艺流程，在磁性颗粒表面进行功能化以及包覆碳结构层，再进行设定成分双组分复合粉体的混合，重点是采用上述成分设计、磁性颗粒表面包覆碳成分层以及最后的混合过程，使得制备出在该波段吸波特性的功能粉体，可以满足V波段吸波材料的生产需求。

Description

一种V波段吸波粉体的制备方法

技术领域

本发明属于吸波材料技术领域，具体涉及一种V波段吸波粉体的制备方法。

背景技术

近年来，随着电子技术的不断发展，微波设备的工作频段不断提高，其中在雷达、汽车、5G等众多领域，毫米波都展现出显著优势。在毫米波频段范围内，V波段（60~80GHz）展现出了广泛的应用前景，国内外主流汽车毫米波雷达均已采用77GHz毫米波雷达作为主要探测设备。71~76GHz频段已被OFCOM授权使用，被认为是最适合于点对点、点对多的毫米波无线网络和通信传输。然而，随着V波段设备的普及，在大幅度提升信息传递速度、吞吐数据量通行能力的同时，设备产生的电磁干扰、信息泄露等问题也变得越来越严重，泄漏的电磁辐射也会对设备使用人员的健康产生不利影响。为了有效地抑制和防止电磁辐射、电磁信息泄漏带来的种种危害，人们采取了积极的应对措施，目前，最常用的方法是采用吸波材料将电磁能转化成热能等其它形式的能量，以彻底消耗掉电磁波。

现有的毫米波吸波材料大多数采用以下手段：1采用传统吸波粉体（铁磁性颗粒）为功能填料，通过调整组分对最终产品的毫米波吸波性能进行优化；2通过多层结构的设计，优化吸波材料的阻抗匹配特性，建立具有多层结构的吸波材料；3拓展传统厘米波吸波材料的吸收频段，实现材料宽频带电磁波吸收；4采用泡沫等形式通过增加厚度等方式实现毫米波的吸收。采用以上方法制备的产品对毫米波具有一定的吸收性能，但缺乏具体的性能指标及样品性能测试结果，且无法指出产品具体的应用频段。

中国专利CN110483835A “用于77GHz毫米波雷达测试的吸波材料”中所述的吸波材料是通过辊压机辊压基材的方式将导电料液浸入基材后而成，该专利采用了聚氨酯泡沫作为基体，通过浸渍导电浆料实现对毫米波的吸收，最终产品厚度大，主要用于微波暗室等环境，难以在毫米波设备内部应用，限制了使用领域。

中国专利CN102504659A “一种厘米波-毫米波兼容吸波的复合材料”中报道以铁氧体、羰基铁、多晶铁纤维、短切碳纤维作为主要功能填料，通过五层设计实现毫米波和厘米波的兼容吸收，整个生产工艺需要多道工序，繁琐复杂，且最终材料为涂层形式，无法满足部分设备的装配需求。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种V波段吸波粉体的制备方法，该方法制备的粉体可以作为实现材料V波段的电磁波吸收功能的原料。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种V波段吸波粉体的制备方法，

将羰基铁粉和膨胀石墨混合，使膨胀石墨包覆在羰基铁表面，得到一道混合粉体，对该一道混合粉体进行高温反应和退火处理；

将碳化硅粉和氟化石墨烯混合，使氟化石墨烯包覆在球状碳化硅表面，得到二道混合粉体；

将经过高温反应和退火处理后的一道混合粉体与二道混合粉体进行混合，得到V波段吸波粉体。

对羰基铁粉体、碳化硅粉体进行预处理，除去残留在粉体表面的活性剂和吸附水。

所述预处理为：通过低温烧灼、溶剂清洗的方式来除去表面杂质，然后进行干燥处理。

将质量比为5：1~15：1的羰基铁和膨胀石墨通过行星球磨机混合。

将质量比为5：1~15：1的碳化硅和氟化石墨烯通过行星球磨机混合。

将得到的V波段吸波粉体进行高温干燥处理。

所述高温干燥处理为：将粉体放入干燥箱，缓慢加热至120℃~140℃，持续保温一段时间1-3h后，在干燥环境中冷却至室温。

一道混合粉体与二道混合粉体按照质量比为3：1~1：1进行混合。

所述羰基铁可以采用羰基镍粉或羰基钴粉替代；膨胀石墨可以采用导电石墨或导电碳粉替代；氟化石墨烯可以采用氧化石墨烯替代；碳化硅可以采用氮化硅或碳化硼替代。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

通过预处理、一道混料、高温反应、退火、二道混料、球磨、干燥、包装等工艺流程，制备出一种V波段吸波粉体，该材料以羰基铁、膨胀石墨、氟化石墨烯、碳化硅等作为原材料，制备工艺简单，无需进行多种填料的筛选或多层重复涂覆干燥等工艺流程，进而避免由于工艺流程繁琐复杂且产品形态难以满足使用需求的问题；且生产成本低、便于工业化生产，制备出的V波段吸波粉体，在60GHz~80GHz频段范围内具有优异的电磁波吸收性能，可以解决现有V波段吸波粉体空白的问题，为制备高性能V波段吸波材料提供优异性能的功能粉体原料。

通过合理的成分设计和工艺流程，在磁性颗粒表面进行功能化以及包覆碳结构层，再进行设定成分双组分复合粉体的混合，重点是采用上述成分设计、磁性颗粒表面包覆碳成分层以及最后的混合过程，制备出在该波段具备吸波特性的功能粉体，可以满足V波段吸波材料的生产需求。以该吸波粉体为原材料，通过添加单一功能粉体使材料具备优异吸波性能，为开发新型高性能毫米波吸波材料奠定了原材料基础。

附图说明

图1是本发明实施例二粉体的显微形貌图；

图2是本发明实施例二粉体作为功能填料制备的V波段吸波材料电磁参数曲线；

图3是本发明实施例二为功能填料制备的吸波材料反射率模拟曲线。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

一种V波段吸波粉体的制备方法，将羰基铁和膨胀石墨混合，使膨胀石墨包覆在羰基铁表面，得到一道混合粉体，对该一道混合粉体进行高温反应和退火处理；将碳化硅和氟化石墨烯混合，使氟化石墨烯包覆在球状碳化硅表面，得到二道混合粉体；将经过高温反应和退火处理后的一道混合粉体与二道混合粉体进行混合，得到V波段吸波粉体。以该吸波粉体为原材料，通过添加单一功能粉体使材料具备优异吸波性能，可制备高性能V波段吸波材料。

上述粉体的主要指标参数如下：

碳化硅，普通工业级黑碳化硅粉体，粒径在5~50μm。

羰基铁，普通工业级羰基铁粉体，粒径在1~20μm。

膨胀石墨，含碳质量分数为90~95%、粒径80目、体积膨胀倍数为300~500倍。

氟化石墨烯，氟含量：53%-65% 片径：4-10μm

进一步，对原材料（重点是羰基铁粉体、碳化硅粉体）进行预处理。主要是除去在制备过程中残留在粉体表面的活性剂、吸附水，以降低杂质在反应后期对颗粒功能特性的不利影响。本发明通过低温（120℃-160℃）烧灼、溶剂（乙醇、丙酮）清洗的方式来除去表面杂质，然后对其进行干燥处理。

原材料粉末预处理完毕，即进入一道混料环节。使用的羰基铁由于粒度小（仅1~20μm），表面自由能高，难于分散，普通的球磨搅拌难以实现不同种原材料的均匀混合，导致不同尺寸的颗粒分布不均匀，无法保证混合后粉体的均一性。因此，我们采用同时具备公转与自转功能的行星球磨机（公转速度：（180~240rpm），自转速度：（60~90rpm）），控制破碎时间（2.0~4.0h）对羰基铁和膨胀石墨进行混合（羰基铁与膨胀石墨的质量比为5：1~15：1），使得物料均匀分散，膨胀石墨在球磨过程中挤压变形，包覆在球状羰基铁表面。

高温反应和退火工艺：

通过球磨在羰基铁粉表面形成膨胀石墨碳层，将粉体过滤除去细小杂质颗粒，通过对粉体进行退火处理，提高两种物质的界面结合强度。因此，为了能够有效去除制备过程中产生的残余应力，需要在保护气氛（氩气）下，采用合适的退火工艺（温度650℃~750℃、时间2~3h）对粉体进行退火处理，最后将完成退火处理的粉体进行密封包装，用于后续工艺。通过采用高温反应提高两种材料的界面结合性；并且在高温反应后进行退火处理，可以避免羰基铁粉表面包覆的膨胀石墨开裂分离。

二道混料环节：

采用同时具备公转与自转功能的行星球磨机对碳化硅和氟化石墨烯（碳化硅与氟化石墨烯质量比=5：1~15：1）进行混合（公转速度：120~180rpm），自转速度：30~60rpm），控制破碎时间（4.0~8.0h），使得物料均匀分散，氟化石墨烯包覆在球状碳化硅表面，将粉体进行过滤除去细小杂质颗粒，密封包装，用于后续工艺。

将完成一道混料、二道混料的两种粉体进行最后混合（一道混合粉体与二道混合粉体质量比在3：1~1：1区间范围内），采用同时具备公转与自转功能的行星球磨机对进行最后的混合（公转速度：60~90rpm），自转速度：（30~60rpm），控制破碎时间（1.0~2.0h）提高粉体混合均一性。

将混合好的粉体及时进行高温干燥处理。将完成最后混合工艺的粉体立即放入干燥箱，缓慢加热至高温（120℃~140℃），持续保温一段时间（1-3h）后，在干燥环境中冷却至室温。通过烘干使粉体表面吸附的水分子脱附，避免在后续保存使用过程中由于水解造成性能下降。

完成高温干燥处理后，在干燥环境下冷却至室温，进行打包密封包装，在室温条件下放置，完成导热吸波粉体材料的制备。

进一步，羰基铁可以采用羰基镍粉或羰基钴粉替代；膨胀石墨可以采用导电石墨或导电碳粉替代；氟化石墨烯可以采用氧化石墨烯替代；碳化硅可以采用氮化硅或碳化硼替代。

实施例一

1．原材料预处理。取羰基铁粉、碳化硅各10g，置于真空烘箱中以120℃温度保温60分钟去除粉末表面催化剂及残留有机物杂质，再依次用丙酮、乙醇超声清洗原材料粉末，室温环境下过滤干燥处理。

2．一道混料。采用同时具备公转与自转功能的行星球磨机对羰基铁和膨胀石墨混合粉体（羰基铁与膨胀石墨的质量比为5：1）进行球磨混合（公转速度：180rpm，自转速度：90rpm），球磨粉碎3.0h提高粉体尺寸均一性，膨胀石墨在球磨过程中挤压变形，包覆在球状羰基铁表面。

3．高温反应和退火工艺。在完成高温反应后，通过对粉体进行退火处理，提高两种物质的界面结合强度。为了能够有效去除制备过程中产生的残余应力，在纯度为99.99%的氩气环境下，在650℃下保温3h进行退火处理，之后密封包装，用于后续工艺。

4.二道混料环节。采用同时具备公转与自转功能的行星球磨机对碳化硅和氟化石墨烯（碳化硅与氟化石墨烯质量比=5：1）进行混合（公转速度：120 rpm，自转速度：60rpm，控制破碎时间6.0h，使得物料均匀分散，氟化石墨烯包覆在球状碳化硅表面，将粉体进行过滤处理、除去细小杂质颗粒，密封包装，用于后续工艺。

5.球磨混合。将完成一道混料、二道混料的两种粉体（一道混合粉体与二道混合粉体质量比=1：1）进行最后混合，采用同时具备公转与自转功能的行星球磨机对进行最后的混合（公转速度：60rpm，自转速度：60rpm），设定破碎时间1.5h，提高粉体混合均一性。

6．对粉体进行高温干燥处理。将经过杂质分离处理后的粉体立即放入干燥箱，缓慢加热至120℃，保温3h后，在干燥环境中冷却至室温。

7．在干燥室温条件进行密封包装，完成粉体的制备。

在硅橡胶中加入5%质量分数的实施例一V波段吸波粉体，进行吸波材料的制备，根据最终材料的电磁参数仿真吸波性能，仿真结果表示2mm厚的材料在V波段范围内反射率＜-6 dB。

实施例二

1．原材料预处理。取羰基铁粉、碳化硅各10g，置于真空烘箱中以160℃温度保温60分钟去除粉末表面催化剂及残留有机物杂质，再依次用丙酮、乙醇超声清洗原材料粉末，室温环境下过滤干燥处理。

2．一道混料。采用同时具备公转与自转功能的行星球磨机对羰基铁和膨胀石墨混合粉体（羰基铁与膨胀石墨的质量比为10：1）进行球磨混合（公转速度：240rpm，自转速度：60rpm），球磨粉碎2.0h提高粉体尺寸均一性，膨胀石墨在球磨过程中挤压变形，包覆在球状羰基铁表面。

3．高温反应和退火工艺。在完成高温反应后，通过对粉体进行退火处理，提高两种物质的界面结合强度。为了能够有效去除制备过程中产生的残余应力，在纯度为99.99%的氩气环境下，在750℃下保温2h进行退火处理，之后密封包装，用于后续工艺。

4.二道混料环节。采用同时具备公转与自转功能的行星球磨机对碳化硅和氟化石墨烯（碳化硅与氟化石墨烯质量比=10：1）进行混合（公转速度：180rpm，自转速度：30rpm，控制破碎时间4.0h，使得物料均匀分散，氟化石墨烯包覆在球状碳化硅表面，将粉体进行过滤处理、除去细小杂质颗粒，密封包装，用于后续工艺。

5.球磨混合。将完成一道混料、二道混料的两种粉体（一道混合粉体与二道混合粉体质量比=1：2）进行最后混合，采用同时具备公转与自转功能的行星球磨机对进行最后的混合（公转速度：90rpm，自转速度：30rpm），设定破碎时间2.0h，提高粉体混合均一性。

6．对粉体进行高温干燥处理。将经过杂质分离处理后的粉体立即放入干燥箱，缓慢加热至140℃，保温1h后，在干燥环境中冷却至室温。

7．在干燥室温条件进行密封包装，完成粉体的制备。

如图1至3所示，在硅橡胶中加入5%质量分数的实施例二V波段吸波粉体，进行吸波材料的制备，根据最终材料的电磁参数仿真吸波性能，仿真结果表示2mm厚的材料在V波段范围内反射率＜-6 dB。

实施例三

1．原材料预处理。取羰基铁粉、碳化硅各10g，置于真空烘箱中以140℃温度保温60分钟去除粉末表面催化剂及残留有机物杂质，再依次用丙酮、乙醇超声清洗原材料粉末，室温环境下过滤干燥处理。

2．一道混料。采用同时具备公转与自转功能的行星球磨机对羰基铁和膨胀石墨混合粉体（羰基铁与膨胀石墨的质量比为15：1）进行球磨混合（公转速度：200rpm，自转速度：75rpm），球磨粉碎4.0h提高粉体尺寸均一性，膨胀石墨在球磨过程中挤压变形，包覆在球状羰基铁表面。

3．高温反应和退火工艺。在完成高温反应后，通过对粉体进行退火处理，提高两种物质的界面结合强度。为了能够有效去除制备过程中产生的残余应力，在纯度为99.99%的氩气环境下，在700℃下保温2.5h进行退火处理，之后密封包装，用于后续工艺。

4.二道混料环节。采用同时具备公转与自转功能的行星球磨机对碳化硅和氟化石墨烯（碳化硅与氟化石墨烯质量比=15：1）进行混合（公转速度：150 rpm，自转速度：45rpm，控制破碎时间8.0h，使得物料均匀分散，氟化石墨烯包覆在球状碳化硅表面，将粉体进行过滤处理、除去细小杂质颗粒，密封包装，用于后续工艺。

5.球磨混合。将完成一道混料、二道混料的两种粉体（一道混合粉体与二道混合粉体质量比=3：1）进行最后混合，采用同时具备公转与自转功能的行星球磨机对进行最后的混合（公转速度：75rpm，自转速度：45rpm），设定破碎时间1.0h，提高粉体混合均一性。

6．对粉体进行高温干燥处理。将经过杂质分离处理后的粉体立即放入干燥箱，缓慢加热至130℃，保温2h后，在干燥环境中冷却至室温。

7．在干燥室温条件进行密封包装，完成粉体的制备。

在硅橡胶中加入10%质量分数的实施例一V波段吸波粉体，进行吸波材料的制备，根据最终材料的电磁参数仿真吸波性能，仿真结果表示2mm厚的材料在V波段范围内反射率＜-7 dB。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种V波段吸波粉体的制备方法，其特征在于：

将质量比为5：1~15：1羰基铁粉和膨胀石墨混合，使膨胀石墨包覆在羰基铁表面，得到一道混合粉体，对该一道混合粉体进行高温反应和退火处理；所述退火处理的温度650℃~750℃、时间2~3h；

将质量比为5：1~15：1碳化硅粉和氟化石墨烯混合，使氟化石墨烯包覆在球状碳化硅表面，得到二道混合粉体；

将经过高温反应和退火处理后的一道混合粉体与二道混合粉体进行混合，一道混合粉体与二道混合粉体按照质量比为3：1~1：1进行混合；得到V波段吸波粉体。

2.根据权利要求1所述的一种V波段吸波粉体的制备方法，其特征在于：对羰基铁粉体、碳化硅粉体进行预处理，除去残留在粉体表面的活性剂和吸附水。

3.根据权利要求2所述的一种V波段吸波粉体的制备方法，其特征在于：所述预处理为：通过低温烧灼、溶剂清洗的方式来除去表面杂质，然后进行干燥处理。

4.根据权利要求1所述的一种V波段吸波粉体的制备方法，其特征在于：将质量比为5：1~15：1的羰基铁和膨胀石墨通过行星球磨机混合。

5.根据权利要求1所述的一种V波段吸波粉体的制备方法，其特征在于：将质量比为5：1~15：1的碳化硅和氟化石墨烯通过行星球磨机混合。

6.根据权利要求1所述的一种V波段吸波粉体的制备方法，其特征在于：将得到的V波段吸波粉体进行高温干燥处理；所述高温干燥处理为：将粉体放入干燥箱，缓慢加热至120℃~140℃，持续保温一段时间1-3h后，在干燥环境中冷却至室温。

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