CN112930100A - 一种金属透明化的电磁屏蔽材料及其制备方法 - Google Patents

一种金属透明化的电磁屏蔽材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及可视电磁屏蔽技术领域,具体涉及一种金属透明化的电磁屏蔽材料及其制备方法,采用导电性能优异的金、银、铜、合金等纳米金属材料作为电磁波电磁屏蔽主体,无机、有机玻璃等透明基材作为复合透明薄膜的支撑体;工艺操作技术简单易实现,可自动化连续生产,加工简单快捷,产品一致性好。同时,与相同量单一银纳米片相比,本发明的透光率提升10%以上,方阻由0.1Ω/□下降至0.06Ω/□与相同量单一银纳米线相比,本发明在透光率不下降情况下方阻由0.09Ω/□下降至0.06Ω/□。膜层的导电性能显著提高。采用了金属纳米片与金属纳米线,纳米线在短程载流子传输方面具备很大优势,金属纳米片与金属纳米线的结合解决了线与线之间接触存在不连续问题。

Description

一种金属透明化的电磁屏蔽材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及可视电磁屏蔽技术领域,更具体而言,涉及一种金属透明化的电磁屏蔽材料及其制备方法。
背景技术
近年来,随着新型光电器件及设备以惊人的速度发展和普及化,以CCD、CMOS等为核心成像器件的光电探测系统(EOTS)、以OLED、LCD等为核心的综合显示控制系统在导弹、卫星、飞机、舰船、车辆等装备中获得广泛应用,成为作战平台任务系统关键组成部分。综合显示控制系统是作战系统最主要的人机接口,融合了红外和合成孔径雷达图像,有极高的灵敏度、目标识别、红外搜索与跟踪能力,在光谱信息的获取和传输过程中极易受到外界的电磁干扰而出现严重错误。传统金属氧化物材料作为连续导电氧化物,具备优异的透光性能,在广泛应用于电磁屏蔽领域。
但随着高功率微波武器、核脉冲武器等功率的增大,提出了对透明电磁防护材料更强的超宽带电磁防护和超高透光多功能兼容的超宽谱透明电磁防护材料的长期而急迫需求。传统金属氧化物薄膜材料因导电性能受到限制,其屏蔽效能低,无法满足当前光电窗口屏蔽效能的需求,而屏蔽性能优异的金属材料因不具备透光性能或透光差等问题而无法应用的光电窗口。
发明内容
为了克服现有技术中所存在的不足,本发明提供一种金属透明化的电磁屏蔽材料及其制备方法,利用导电优异的金属材质,并采用在可见光波段透光优异的介质材料,通过膜层阻抗匹配设计,从而使金属材料透明化,在保证高透光率的同时提高膜层的导电性能,实现可见光透过电磁波段高屏蔽效能的目的。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种金属透明化的电磁屏蔽材料,包括透明水基纳米溶胶凝胶与纳米金属;所述纳米金属包括金属纳米片与金属纳米线;所述纳米金属分散于透明基材中制得金属透明化的电磁屏蔽材料。
进一步地,所述金属纳米片与金属纳米线质量比为1:1.5-3。
进一步地,所述纳米金属材质为金、银、铜或镍铜合金;所述透明基材为无机、有机玻璃或透明水基纳米溶胶凝胶。
进一步地,所述纳米金属与透明水基纳米溶胶凝胶配料比为0.15-0.25g:40-50mL。
进一步地,所述透明水基纳米溶胶凝胶由以下组分组成:粒径100nm以下透明水基沸石溶胶凝胶固含量为0.1-15.0wt%、聚硅氧烷衍生物固含量为0.0001-10.0wt%、非离子界面活性剂固含量为0.0001-10.0wt%、粒径100nm以下透明水基二氧化钛光触媒溶胶凝胶固含量0.1-2.0wt%、纯水余量。
一种金属透明化的电磁屏蔽材料的制备方法,包括以下步骤:
S1、纳米金属:将长宽尺寸在200-300nm的金属纳米片,直径25-40nm、长度15-25μm的金属纳米线,按照质量比:1:1.5-3混合制得纳米金属;
S2、透明基材:采用熔融态无机、有机玻璃或透明水基纳米溶胶凝胶;其中透明水基纳米溶胶凝胶制备具体为:将0.1-15.0wt%粒径100nm以下透明水基沸石溶胶凝胶、0.0001-10.0wt%聚硅氧烷衍生物固、0.0001-10.0wt%非离子界面活性剂、0.1-2.0wt%粒径100nm以下透明水基二氧化钛光触媒溶胶凝胶、纯水余量,经充分搅拌混合并过滤制得透明水基纳米溶胶凝胶;
S3、透明金属溶胶:将S1制备的纳米金属与S2中透明基材按照0.15g-0.25g:40mL-50mL的比例混合均匀制得透明金属溶胶;
S4、透明金属溶胶分散:采用匀胶机将S3制备的透明金属溶胶分散在玻璃基底上;
S5、纳米金属电连接:采用激光器照射在S4分散后的透明金属溶胶表面使金属融化,冷却后形成致密连续的整体网络结构完成纳米金属电连接;
S6、固化:将S5中经激光灼烧后透明金属溶胶固化后制得金属透明化的电磁屏蔽材料。
进一步地,所述匀胶机的转速设置为3000-4000转/每分钟,环境温度为25±1℃。
进一步地,步骤S4中所述分散具体操作为:通过带有刻度的滴管按照0.05ml/cm2-0.2ml/cm2比例将透明金属溶胶滴在玻璃表面。
进一步地,步骤S5中所述激光器功率为14W-20W,预热温度95℃,扫描速度1000-1400mm/s。
进一步地,步骤S6中所述固化温度为120℃-150℃。
与现有技术相比,本发明所具有的有益效果为:
本发明提供了一种金属透明化的电磁屏蔽材料及其制备方法,采用导电性能优异的金、银、铜、镍铜合金纳米金属材料作为电磁波电磁屏蔽主体,均匀分散在透明水基纳米溶胶凝胶形成复合透明薄膜,无机、有机玻璃、透明水基纳米溶胶凝胶透明基材作为复合透明薄膜的支撑体,将两种不同纳米尺度的材料均匀混合在一起,而且可以任意涂敷在其他透明基底上,透明水基纳米溶胶凝胶的厚度在微米级,基本不影响其透光率;采用了金属材质替代传统金属氧化物导电薄膜,工艺操作技术简单易实现,可自动化连续生产,加工简单快捷,产品一致性好。同时,与相同量单一银纳米片相比,本发明的透光率提升10%以上,方阻由0.1Ω/□下降至0.06Ω/□;与相同量单一银纳米线相比,本发明在透光率不下降情况下方阻由0.09Ω/□下降至0.06Ω/□。相比传统透明导电氧化物薄膜材料,膜层的导电性能显著提高。采用了金属纳米片与金属纳米线,纳米线在短程载流子传输方面具备很大优势,金属纳米片与金属纳米线的结合解决了线与线之间接触存在不连续问题。
本发明首先制备透明纳米金属溶胶,并利用溶胶-凝胶技术在玻璃上制备复合透明薄膜。金属具有很强的光吸收,在厚度十几纳米可见光透光率就已经很低了(≤50%),本发明根据纳米尺度金属粉末,利用纳米材料特有的性能,将金属材料均匀的分散在溶剂中,形成透明溶剂。使纳米金属表现为透明状态,纳米金属在溶剂中形成连续网络,具有很好的导电性能,可有效阻挡电磁波的穿透,而网络的中间孔洞可使可见光透过,从而保证透光性。本发明突破了金属导电、透明难以兼容的问题,解决了传统金属材料屏蔽不透光等问题,为金属薄膜在电磁屏蔽可视领域提供了一种新思路。本发明对于金属透明化的应用具有重大意义。特别是军用综合航电系统在显示中的应用越来越广泛,如能在保证高透光率前提下赋予其高屏蔽效能,必将大大提高作战飞机的战技性能,在保障探测显示清晰度,抵御超宽带射频雷达系统的强干扰以及潜在的高功率微波武器攻击等方面,具有重要的实践作用。
附图说明
图1为本发明提供的一种金属透明化的电磁屏蔽材料结构示意图。
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。
一种金属透明化的电磁屏蔽材料,包括透明水基纳米溶胶凝胶与纳米金属;所述纳米金属包括金属纳米片与金属纳米线;所述纳米金属分散于透明基材中制得金属透明化的电磁屏蔽材料。所述金属纳米片与金属纳米线质量比为1:1.5-3。所述纳米金属材质为金、银、铜或镍铜合金;所述透明基材为无机、有机玻璃或透明水基纳米溶胶凝胶。所述纳米金属与透明基材配料比为0.15-0.25g:40-50mL。所述透明水基纳米溶胶凝胶由以下组分组成:粒径100nm以下透明水基沸石溶胶凝胶固含量为0.1-15.0wt%、聚硅氧烷衍生物固含量为0.0001-10.0wt%、非离子界面活性剂固含量为0.0001-10.0wt%、粒径100nm以下透明水基二氧化钛光触媒溶胶凝胶固含量0.1-2.0wt%、纯水余量。
一种金属透明化的电磁屏蔽材料的制备方法,包括以下步骤:
S1、纳米金属:将长宽尺寸在200-300nm的金属纳米片,直径25-40nm、长度15-25μm的金属纳米线,按照质量比:1:1.5-3混合制得纳米金属;
S2、透明基材:采用熔融态无机、有机玻璃或透明水基纳米溶胶凝胶;其中透明水基纳米溶胶凝胶制备具体为:将0.1-15.0wt%粒径100nm以下透明水基沸石溶胶凝胶、0.0001-10.0wt%聚硅氧烷衍生物固、0.0001-10.0wt%非离子界面活性剂、0.1-2.0wt%粒径100nm以下透明水基二氧化钛光触媒溶胶凝胶、纯水余量,经充分搅拌混合并过滤制得透明水基纳米溶胶凝胶;
S3、透明金属溶胶:将S1制备的纳米金属与S2制备的透明基材按照0.15g-0.25g:40mL-50mL的比例混合均匀制得透明金属溶胶;
S4、透明金属溶胶分散:采用匀胶机将S3制备的透明金属溶胶通过带有刻度的滴管按照0.05ml/cm2-0.2ml/cm2比例将透明金属溶胶滴在玻璃表面;所述匀胶机的转速设置为3000-4000转/每分钟,环境温度为25±1℃;
S5、纳米金属电连接:采用激光器照射在S4分散后的透明金属溶胶表面使金属融化,冷却后形成致密连续的整体网络结构完成纳米金属电连接;所述激光器功率为14W-20W,预热温度95℃,扫描速度1000-1400mm/s;
S6、固化:将S5中经激光灼烧后透明金属溶胶在120℃-150℃温度下固化后制得金属透明化的电磁屏蔽材料。
实施例1:
S1、将长宽尺寸在220±10nm的金属银纳米片,直径28±2nm、长度19±3μm的金属银纳米线,按照质量比:1:1.9混合在一起。
S2、采用不降低透明基材透光穿率的透明水基纳米溶胶凝胶,由以下组分组成:粒径100nm以下透明水基沸石溶胶凝胶固含量为8.2±0.1wt%、聚硅氧烷衍生物固含量为4.7±0.1wt%、非离子界面活性剂固含量为4.9±0.1wt%、粒径100nm以下透明水基二氧化钛光触媒溶胶凝胶固含量1.3±0.1wt%、纯水余量,经充分搅拌混合并过滤后即为透明水基纳米溶胶凝胶。
S3、将步骤S1混合的纳米线、纳米片混合到步骤S2配制的透明水基纳米溶胶凝胶中,按照0.2±0.01g:45±0.5mL的比例混合均匀。
S4、采用匀胶机将透明金属溶胶分散在玻璃基底上,通过带有刻度的滴管按照0.12ml/cm2比例滴在玻璃表面。透明金属材料的透光率与导电性能依赖于旋涂工艺参数,旋涂时间、温度、转速等不同条件设计都会对透明金属薄膜光电性能影响很大,为保证膜层的均匀性,匀胶机的转速设置为3200转/每分钟,环境温度为25±1℃。
S5、步骤S4制备的透明金属薄膜,为不同纳米结构的金属材料,相互之间仅通过表面接触连接在一起,表面会形成接触阻抗,影响整体网络结构的导电性能,为提高金属材料的的导电性能,采用激光烧灼技术,激光器照射在透明金属溶胶表面功率为16±0.1W,预热温度95℃,扫描速度1200mm/s,在金属接触位置产生高温使金属融化,冷却后形成致密连续的整体网络结构。
S6、将激光烧灼后的透明金属溶胶放置在125±2℃温度下,使整个体系形成外观均匀、导电性能优异的透明固体。
实施例2
S1、将长宽尺寸在240±10nm的金属镍纳米片,直径28±2nm、长度19±3μm的金属银纳米线,按照质量比为1:2.2混合在一起。
S2、采用一种不降低透明基材透光穿率的透明水基纳米溶胶凝胶,由以下组分组成:粒径100nm以下透明水基沸石溶胶凝胶固含量为8.2±0.1wt%、聚硅氧烷衍生物固含量为4.7±0.1wt%、非离子界面活性剂固含量为4.9±0.1wt%、粒径100nm以下透明水基二氧化钛光触媒溶胶凝胶固含量1.3±0.1wt%、纯水余量,经充分搅拌混合并过滤后即为透明水基纳米溶胶凝胶。
S3、将步骤S1混合的纳米线、纳米片混合到步骤S2配制的透明水基纳米溶胶凝胶中,按照0.2±0.01g:45±0.5mL的比例混合均匀。
S4、采用匀胶机将透明金属溶胶分散在玻璃基底上,通过带有刻度的滴管按照0.14ml/cm2比例滴在玻璃表面。透明金属材料的透光率与导电性能依赖于旋涂工艺参数,旋涂时间、温度、转速等不同条件设计都会对透明金属薄膜光电性能影响很大,为保证膜层的均匀性,匀胶机的转速设置为3200转/每分钟,环境温度为25±1℃。
S5、步骤S4所制备的透明金属薄膜,为不同纳米结构的金属材料,相互之间仅通过表面接触连接在一起,表面会形成接触阻抗,影响整体网络结构的导电性能,为提高金属材料的的导电性能,采用激光烧灼技术,激光器照射在透明金属溶胶表面功率为18±0.1W,预热温度95℃,扫描速度1100mm/s,在金属接触位置产生高温使金属融化,冷却后形成致密连续的整体网络结构。
S6、将激光烧灼后的透明金属溶胶放置在130±2℃温度下,使整个体系形成外观均匀、导电性能优异的透明固体。
透明金属材料的透光率与导电性能依赖于旋涂工艺参数,旋涂时间、温度、转速等不同条件设计都会对透明金属薄膜光电性能影响很大,为保证膜层的均匀性,通过带有刻度的滴管按照0.12ml/cm2比例滴在玻璃表面。经实验,在50mm×50mm的玻璃基片上滴入3ml的透明银金属溶胶,调节不同旋涂时间、转速、温度,薄膜样品透光率及导电率如下:
序号 旋涂时间(min) 旋涂温度(℃) 旋涂转速(转/min) 透光率 导电性(Ω/◎)
1 3000 25 5 85% 0.08
2 3200 25 5 85% 0.06
3 3600 25 5 86% 0.13
4 3200 20 5 不均匀 0.42
5 3200 30 5 89% --
6 3200 25 3 中间82%,边缘89% 中间0.05,边缘0.3
7 3200 25 8 中间87%,边缘83% 中间0.09,边缘0.05
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 (10)

1.一种金属透明化的电磁屏蔽材料,其特征在于:包括透明水基纳米溶胶凝胶与纳米金属;所述纳米金属包括金属纳米片与金属纳米线;所述纳米金属分散于透明基材中制得金属透明化的电磁屏蔽材料。
2.根据权利要求1所述的一种金属透明化的电磁屏蔽材料,其特征在于:所述金属纳米片与金属纳米线质量比为1:1.5-3。
3.根据权利要求1所述的一种金属透明化的电磁屏蔽材料,其特征在于:所述纳米金属材质为金、银、铜或镍铜合金;所述透明基材为无机、有机玻璃或透明水基纳米溶胶凝胶。
4.根据权利要求1或3所述的一种金属透明化的电磁屏蔽材料,其特征在于:所述纳米金属与透明基材配料比为0.15-0.25g:40-50mL。
5.根据权利要求3所述的一种金属透明化的电磁屏蔽材料,其特征在于:所述透明水基纳米溶胶凝胶由以下组分组成:粒径100nm以下透明水基沸石溶胶凝胶固含量为0.1-15.0wt%、聚硅氧烷衍生物固含量为0.0001-10.0wt%、非离子界面活性剂固含量为0.0001-10.0wt%、粒径100nm以下透明水基二氧化钛光触媒溶胶凝胶固含量0.1-2.0wt%、纯水余量。
6.一种金属透明化的电磁屏蔽材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、纳米金属:将长宽尺寸在200-300nm的金属纳米片,直径25-40nm、长度15-25μm的金属纳米线,按照质量比:1:1.5-3混合制得纳米金属;
S2、透明基材:采用熔融态无机、有机玻璃或透明水基纳米溶胶凝胶;其中透明水基纳米溶胶凝胶制备具体为:将0.1-15.0wt%粒径100nm以下透明水基沸石溶胶凝胶、0.0001-10.0wt%聚硅氧烷衍生物固、0.0001-10.0wt%非离子界面活性剂、0.1-2.0wt%粒径100nm以下透明水基二氧化钛光触媒溶胶凝胶、纯水余量,经充分搅拌混合并过滤制得透明水基纳米溶胶凝胶;
S3、透明金属溶胶:将S1制备的纳米金属与S2中透明基材按照0.15g-0.25g:40mL-50mL的比例混合均匀制得透明金属溶胶;
S4、透明金属溶胶分散:采用匀胶机将S3制备的透明金属溶胶分散在玻璃基底上;
S5、纳米金属电连接:采用激光器照射在S4分散后的透明金属溶胶表面使金属融化,冷却后形成致密连续的整体网络结构完成纳米金属电连接;
S6、固化:将S5中经激光灼烧后透明金属溶胶固化后制得金属透明化的电磁屏蔽材料。
7.根据权利要求6所述的一种金属透明化的电磁屏蔽材料的制备方法,其特征在于:所述匀胶机的转速设置为3000-4000转/每分钟,环境温度为25±1℃。
8.根据权利要求6所述的一种金属透明化的电磁屏蔽材料的制备方法,其特征在于:步骤S4中所述分散具体操作为:通过带有刻度的滴管按照0.05ml/cm2-0.2ml/cm2比例将透明金属溶胶滴在玻璃表面。
9.根据权利要求6所述的一种金属透明化的电磁屏蔽材料的制备方法,其特征在于:步骤S5中所述激光器功率为14W-20W,预热温度95℃,扫描速度1000-1400mm/s。
10.根据权利要求6所述的一种金属透明化的电磁屏蔽材料的制备方法,其特征在于:步骤S6中所述固化温度为120℃-150℃。
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