CN111718686B - 一种轻质复合吸波材料及其制备方法 - Google Patents

一种轻质复合吸波材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻质复合吸波材料及其制备方法，所述轻质复合吸波材料包括磁性粉体和轻质基体，轻质基体由中空结构的微球与粘结剂复合而成，磁性粉体分散在微球之间。所述制备方法包括步骤：(1)配备轻质基体溶液：将溶剂与粘结剂混合搅拌均匀至完全分散，然后加入微球；将粘结剂和微球在溶剂中搅拌分散均匀形成轻质基体溶液；(2)制备轻质复合吸波材料：将磁性粉体加入步骤(1)得到的轻质基体溶液中，搅拌使磁性粉体均匀分散，固化除去溶剂得到所述轻质复合吸波材料。

Description

一种轻质复合吸波材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及吸波材料技术领域，具体涉及一种轻质复合吸波材料及其制备方法。
背景技术
随着电子信息技术的进步，各类电子设备应用于人们生活的方方面面，一方面便捷了人们的生活，另一方面电子设备产生的电磁污染也影响着人们的健康。此外，军用雷达通讯的进步也极大促进了隐身飞机的发展。因此，无论是在生活中还是军事上，电磁波吸收材料都具有广泛的应用前景。受制于电磁波吸收剂和吸波机理运用单一等原因，现有电磁波吸收材料难以实现对电磁波的宽频高效吸收。此外，在实际应用中，密度大会限制电磁波吸收材料在隐身飞机等设备上的应用。因此，开发超轻质的电磁波吸收材料对于雷达隐身和民用电子设备抗电磁干扰等具有重要意义。
目前市面上存在的大多数吸波材料一般为粉体，特别是金属磁性粉体吸波材料，虽然其具有高的饱和磁化强度、低的矫顽力和好的热稳定性等优异的吸波特性，但由于其状态的限制，不便于直接使用以及测试，因此需要基体(即粘合剂)来使其和粉体材料混合并成型，即得到复合吸波材料。目前常用的传统基体有石蜡、环氧树脂和有机硅橡胶等。这些基体都是通过相应的溶剂溶解为液态，再加入粉体材料混合均匀，最后固化得到复合吸波材料，但由于其密度较大，得到的复合吸波材料质量较重，大大减弱了其综合吸波性能。
公开号为CN 106512874A的专利说明书公开了一种在玻璃中空微球表面快速高效包覆尖晶石型铁氧体壳层的方法，以及通过该方法制备的铁氧体包覆中空微球及其应用，属于复合颗粒制备技术领域。包括如下步骤：(1)将金属盐、水溶性助剂和水按一定比例配制成前驱液；再将玻璃中空微球和上述前驱液按一定的体积比混合，搅拌成粥状或膏状混合物前躯体；(2)在空气环境中将上述前躯体置于一定温度下，进行引燃或热处理，实现尖晶石型铁氧体物相的形成及其在玻璃中空微球表面的包覆。该专利技术的缺陷在于制备方法需要高温条件，且适用的粒径范围较窄。此外，虽然该专利技术公开所得中空复合微球可用作轻质电磁波吸收，但并没有公开任何性能数值。
发明内容
针对现有磁性粉体复合吸波材料存在的不足之处，本发明提供了一种轻质复合吸波材料，通过将轻质基体和磁性粉体材料进行复合，从而得到密度小、质量轻并且形态稳定、具有宽频高吸收的轻质复合吸波材料。
一种轻质复合吸波材料，包括磁性粉体和轻质基体，所述轻质基体由中空结构的微球与粘结剂复合而成，所述磁性粉体分散在所述微球之间。
本发明的轻质复合吸波材料中，微球紧密堆积进而使得磁性粉体互相连通分散于微球表面以及填充于微球与微球之间的缝隙。
本发明将传统粘结剂和具有中空结构的微球复合形成轻质粘结剂，再加入磁性粉体材料，从而得到轻质复合吸波材料，与传统粘结剂/磁性复合材料相比，本发明的轻质复合吸波材料具有电损耗、磁损耗、偶极子极化以及多重散射等更多的电磁波损耗机理，在加入10vol.％-30vol.％的磁性粉体时，本发明的轻质复合吸波材料表现出更好的吸波性能，为吸波材料的减重增效提供新材料、新方法。
作为优选，所述磁性粉体选自羰基铁、铁氧体、铁、钴、镍、合金、稀土磁性材料中的至少一种；
所述合金含铁、钴、镍中的至少一种。
作为优选，所述磁性粉体占所述轻质复合吸波材料的体积分数为10％-30％。试验发现，该体积百分比下磁性粉体在轻质复合吸波材料中的分布最为合理、均匀，可充分利用微球堆积形成的三维空间，磁性粉体可构成碗状阵列。
作为优选，所述磁性粉体的平均粒径为0.01-100微米。
作为优选，所述轻质基体中微球与粘结剂的质量比为3～9:22～42。特定质量比的微球与粘结剂配合上述优选特定体积分数的磁性粉体，使得微球能够紧密堆积，所得轻质复合吸波材料具有最佳性能。
作为优选，所述微球选自中空玻璃微球、中空塑料微球、中空碳微球中的至少一种。
作为优选，所述微球的平均粒径为10-200微米。
作为优选，所述粘结剂选自石蜡、环氧树脂、聚乙烯醇(PVA)、聚氨酯(PU)中的至少一种。进一步优选，所述粘结剂选自环氧树脂和/或聚乙烯醇。研究发现，聚乙烯醇、环氧树脂更适用于本发明轻质复合吸波材料体系，能更好地结合微球，降低基体密度，同时使磁性粉末在微球表面均匀分散，而磁性粉末的均匀分散对本发明轻质复合吸波材料的宽频高吸收等性能具有重要影响。
本发明不仅通过改变基体，还通过优化相应的制备方法，提高复合吸波材料的电磁波吸收特性。
本发明还提供了所述的轻质复合吸波材料的制备方法，包括步骤：
(1)配备轻质基体溶液：
将溶剂与所述粘结剂混合搅拌均匀至完全分散，然后加入所述微球；将所述粘结剂和所述微球在溶剂中搅拌分散均匀形成轻质基体溶液；
(2)制备轻质复合吸波材料：
将所述磁性粉体加入步骤(1)得到的轻质基体溶液中，搅拌使所述磁性粉体均匀分散，固化除去溶剂得到所述轻质复合吸波材料。
所述的磁性粉体和轻质基体根据所述制备方法合成后，磁性粉体颗粒可以均匀地分散并附着在微球表面，从而可以形成磁通路更有利于电磁波的传导和衰减。
所述的磁性粉体和轻质基体根据所述制备方法合成后，由于微球的中空结构，磁性颗粒只能附着于微球的外表面，因此相对于石蜡等单一传统基体合成的复合材料，有效吸收体积比更大，从而电磁波的吸收性能更好。
作为优选，步骤(1)中，所述溶剂、粘结剂、微球的质量比为50～66:22～42:3～9，以使得微球在溶剂完全去除后能够紧密堆积，从而有利于磁性粉体均匀分散且互相连通。
作为优选，步骤(1)中，所述溶剂为水或丙酮。
作为优选，步骤(2)中，所述固化的温度为室温或40～60℃。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
(1)所制得的复合吸波材料密度低、质量轻，并且与其他的基体材料相比更易定型，不易变形，反射损耗高。
(2)与传统石蜡基复合吸波材料相比，加入相同体积分数的磁性粉体时，由于本发明轻质复合吸波材料有效吸收体积比更大从而具有更好的吸波性能。
(3)本发明的轻质复合吸波材料具有更为优异的高频磁性能和更宽的有效吸收带宽。
附图说明
图1为实施例1制备的10vol.％羰基铁/轻质基体复合吸波材料和10vol.％羰基铁/石蜡复合吸波材料的反射损耗对比图；
图2为实施例2制备的10vol.％铁镍/轻质基体复合吸波材料和10vol.％铁镍/石蜡复合吸波材料的反射损耗对比图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。如无特殊说明，各实施例中的份均指重量份。
实施例1
(1)基体的准备
在室温下，将52份去离子水(溶剂)加入28份聚乙烯醇(PVA，粘结剂)中，搅拌均匀至二者完全溶解分散；再加入4.5份中空玻璃微球。将所述粘结剂和所述微球在溶剂中搅拌分散均匀形成轻质基体溶液。
作为对比，同样称取50份石蜡(常规粘结剂)，放入烧杯中，加入32份己烷(溶剂)，搅拌均匀使其完全溶解。
(2)复合材料的制备
按照10％体积分数(球形羰基铁粉在复合吸波材料中的体积分数)配比称量两份球形羰基铁粉，分别加入如上述(1)中的两种溶液，搅拌均匀使羰基铁粉均匀分散，在常温大气压下干燥12-24小时直至固化，即可得到10vol.％羰基铁/轻质基体复合吸波材料和10vol.％羰基铁/石蜡复合吸波材料。
将制得的羰基铁/轻质基体复合吸波材料和羰基铁/石蜡复合吸波材料分别放入专用模具中压制成外径7.00mm、内径3.00mm的环，用矢量网络分析仪测试其在0.1～18GHz频率范围下的吸波性能。如图1所示，在匹配厚度为2.0mm时，羰基铁/轻质基体复合吸波材料的吸波性能最好，达到-45.3dB，其中小于-10dB的频段为4.81GHz。在匹配厚度为3.0mm时，羰基铁/石蜡复合吸波材料的吸波性能最好达到-5.88dB，有效吸收带宽为0GHz。
实施例2
(1)基体的准备
在室温下，将46份丙酮(溶剂)加入24份的环氧树脂(粘结剂)中，搅拌均匀至二者完全溶解分散；再加入8份中空的碳微球。将所述粘结剂和所述微球在溶剂中搅拌分散均匀形成轻质基体溶液。
作为对比，同样称取50份石蜡(常规粘结剂)，放入烧杯中，加入32份己烷(溶剂)，搅拌均匀使其完全溶解。
(2)复合材料的制备
按照10vol.％(铁镍合金粉体在复合吸波材料中的体积分数)的配比称取两份铁镍合金粉体分别加入(1)中所述两种溶液，搅拌均匀使铁镍合金粉均匀分散其中，分别经过热固化(40-60℃)和常温大气固化，即可得到10vol.％铁镍/碳球轻质基体复合吸波材料和10vol.％铁镍/石蜡复合吸波材料。
将制得的铁镍/碳球轻质基体复合吸波材料和铁镍/石蜡复合吸波材料分别放入专用模具中压制成外径7.00mm、内径3.00mm的环，用矢量网络分析仪测试其在0.1～18GHz频率范围下的吸波性能。如图2所示，在匹配厚度为2.0mm时，铁镍/碳球轻质基体复合吸波材料的吸波性能最好，达到-37.2dB，其中小于-10dB的频段为2.62GHz。在匹配厚度为1.5mm时，铁镍/石蜡复合吸波材料的吸波性能最好达到-3.93dB，有效吸收带宽为0GHz。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.一种轻质复合吸波材料的制备方法，其特征在于，
（1）基体的准备
在室温下，将52重量份去离子水溶剂加入28重量份聚乙烯醇粘结剂中，搅拌均匀至二者完全溶解分散；再加入4.5重量份中空玻璃微球；将所述粘结剂和所述微球在溶剂中搅拌分散均匀形成轻质基体溶液；所述微球的平均粒径为10-200微米；
（2）复合材料的制备
按照球形羰基铁粉在复合吸波材料中的体积分数配比为10%的目标称量球形羰基铁粉，加入如上述（1）中的溶液，搅拌均匀使羰基铁粉均匀分散，在常温大气压下干燥12-24小时直至固化，即得到10 vol.%羰基铁/轻质基体复合吸波材料，其中球形羰基铁粉构成碗状阵列；球形羰基铁粉的平均粒径为0.01-100微米。
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