CN113394573A - 用于高功率微波暗室的轻量宽频吸波材料及制备方法 - Google Patents

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CN113394573A CN202110840616.XA CN202110840616A CN113394573A CN 113394573 A CN113394573 A CN 113394573A CN 202110840616 A CN202110840616 A CN 202110840616A CN 113394573 A CN113394573 A CN 113394573A
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Abstract

本发明提供了一种用于高功率微波暗室的轻量宽频吸波材料，其特征在于，所述的吸波材料的结构为：由不燃耐高温的吸波片组合成的三维立体周期结构，所述吸波片为平板、瓦楞形状或者三维蜂窝结构；所述三维立体周期结构的高度范围为0.1～2m，周期尺寸范围为1cm～50cm，吸波频宽范围为0.03GHz～40GHz，氧指数高于60％，在空气中的使用温度为不低于600℃，能够承受的功率密度超过10kW/m2，且为不燃材料。本申请提供的吸波材料为耐高温、氧指数优于60％的不燃、可承受高功率密度、轻量和低成本的吸波周期结构，本发明的产品可以用在高功率和高温测试暗室以及其它所需要的场景。

Description

用于高功率微波暗室的轻量宽频吸波材料及制备方法
技术领域
本发明属于微波吸收材料和结构领域，具体属于高温和高功率密度的宽频吸波结构，具体涉及一种用于高功率微波暗室的轻量宽频吸波材料及制备方法。
背景技术
随着高频测试以及高功率测试的需求越来越多，对吸波材料的可承受功率密度的要求也在提升，常用暗室用吸波材料可以承受的功率密度基本在6kW/m2以下；海绵吸波尖锥的最大功率密度在2.5kW/m2以下，主要在1.5kW/m2以下，最高使用温度不超过80℃；无纺布吸波尖锥的最大功率密度在6kW/m2以下，最高使用温度不超过120℃。吸波材料吸收高能量微波自身发热，软化，甚至发火燃烧。虽然高阻燃的芳纶和玻纤蜂窝的最大功率密度可以超过6kW/m2，其成本为海绵和无纺布吸波材料的10倍以上。可以承受最高功率的吸波尖锥材料是碳化硅陶瓷，可以承受1000℃以上的温度和数10kW/m2的高功率密度，但是碳化硅的密度超过3g/cm3，实现同样吸波性能，其面密度超过其它吸波材料的10倍以上，非常的重，其价格也不比芳纶吸波蜂窝低，同时由于其高介电常数，很难实现其它吸波材料可实现的吸波性能，即-40dB的低反射率。
作为180℃以下应用的宽频吸波材料和结构已经有一个较为成熟的解决方案，即吸波蜂窝结构，通过适当的通风降温，芳纶蜂窝可以承受超过10kW/m2的功率密度，以及氧指数大于30，满足B级阻燃要求。日本的NEC-Tokin采用添加吸波剂的陶瓷吸波板组合成吸波尖锥，实现更高的功率密度和耐热温度，价格也较为合理，但是吸波性能也有所损失。
本发明申请人利用蜂窝以及类蜂窝结构设计吸波材料，申请多个微波暗室用宽频吸波材料(CN201510052941.4，CN201510052941.4，CN201810909123.5，CN2018115342993，CN201910547844.0，CN201911293988.4)，部分申请已经授权，但是吸波剂没有进行有效保护，没有防止碳基吸波剂在高温空气中的氧化，无法满足300℃以上的高温应用。
采用不燃无机纤维布作为吸波材料的基材，使用温度稳定性较好的纳米导电碳膜为吸波涂层，其外表面涂敷一层陶瓷防护层，防止碳层在空气中被氧化，实现空气中长期高温使用，由此吸波材料组合成为三维尖锥和尖劈吸波结构，实现宽频、长时间耐高温和高功率密度的暗室用吸波材料，同时面密度低，价格合理，具有广大的应用前景替代海绵和无纺布吸波材料降低由于微波能量集中产生的局部高温所引发的火灾。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种用于高功率微波暗室的轻量宽频吸波材料及制备方法，吸波材料为耐高温、氧指数优于60％的不燃、可承受高功率密度、轻量和低成本的吸波周期结构，本发明的产品可以用在高功率和高温测试暗室以及其它所需要的场景，例如微波武器测试外场的局部防护。具体技术方案如下：
本申请提供了一种用于高功率微波暗室的轻量宽频吸波材料，所述的吸波材料的结构为：由不燃耐高温的吸波片组合成的三维立体周期结构，所述吸波片为平板、瓦楞形状或者三维蜂窝结构；
所述三维立体周期结构的高度范围为0.1～2m，周期尺寸范围为1cm～50cm，吸波频宽范围为0.03GHz～40GHz，氧指数高于60％，在空气中的使用温度为不低于600℃，能够承受的功率密度超过10kW/m2，且为不燃材料。
可选地，所述吸波片的制备过程为：以不燃耐高温无机纤维布为基材，在所述基材上涂敷碳并经碳化后形成具有导电碳膜的高分子材料，再包覆一层可陶瓷化的惰性高分子前驱体，经在惰性氛围下高温烧结而形成所述吸波片；
所述吸波材料中可燃的碳成分的重量比不超过2％。
可选地，所述基材为：玻纤、玄武岩陶瓷纤维、高硅氧纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、石英纤维中的至少一种；
所述基材的形态为编织布或无纺布，所述基材的厚度范围为0.1～5mm，面密度范围为50～600g/m2。
可选地，所述导电碳膜的材料为能够在纤维表面碳化成为导电碳膜的高分子材料；
所述导电碳膜的材料为聚苯乙烯、聚酰亚胺、环氧树脂、氰酸树脂、可溶中间相沥青、酚醛树脂中的任意一种；
所述导电碳膜的材料为低温600℃碳化可以导电的高分子材料，所述导电碳膜的材料为芳香烃聚酰亚胺或可溶性中间相沥青；
所述导电碳膜为碳膜，所述碳膜的厚度不超过3微米，所述碳膜所形成的表面方阻在30～1000欧姆之间可调。
可选地，形成所述导电碳膜的材料为高分子材料，形成所述导电碳膜的材料为高分子材料中添加有炭黑、碳纳米管、石墨烯片中的至少一种导电纳米添加剂；
所述炭黑的直径不大于0.06微米，所述碳纳米管的直径不大于0.1微米，所述石墨烯片的厚度小于10纳米；
所述导电纳米添加剂在所述导电碳膜中的体积含量范围为1～30％。
可选地，所述可陶瓷化的惰性高分子前驱体的材料为：硅氧烷树脂、聚碳硅烷、聚碳氮硅烷中的至少一种有机涂层材料；
或者，所述可陶瓷化的惰性高分子前驱体的材料为：硅酸盐、硅溶胶、磷酸盐中的至少一种无机涂层材料；
所述惰性高分子前驱体经高温处理后形成，所述惰性高分子前驱体用于各所述吸波片的粘接，以形成三维蜂窝结构。
可选地，所述三维立体周期结构的制备过程为：由尖锥蜂窝或尖劈蜂窝形成基本外形，在尖锥蜂窝或尖劈蜂窝上戴上由同样耐高温吸波片成形的圆锥、方锥或尖劈的保护罩子而成；
所述尖锥蜂窝、所述尖劈蜂窝为经粘接吸波片或瓦楞形成的六边形蜂窝，或者为由吸波平片或瓦楞互嵌形成的正方形蜂窝；
所述基材为0.3mm厚E玻纤斜纹布，所述导电碳膜为3～10％石墨烯可溶中间相沥青600℃炭化后的导电碳膜，所述惰性高分子前驱体形成保护涂层，所述保护涂层为50％中性硅溶胶，干燥固化温度为120℃，烧结温度为600℃；
所述三维立体周期结构的总高度为900mm，周期为200×200mm，由边长13.7mm的过拉伸蜂窝形成8×8的蜂窝孔，拉伸蜂窝由瓦楞胶接而成，再切割成边长200mm高900mm的方锥、以及高度700mm方锥的罩子，通过切割得到的方锥、罩子组成。
可选地，所述三维立体周期结构的形状、尺寸、基材厚度和吸波片的表面方阻经电磁仿真优化；
优化过程中，每片吸波片的形状、排列方式和表面方阻都根据吸波性能要求经仿真优化实现，仿真优化后的吸波片在能够满足吸波性能要求的前提下高度最低、使用材料最少；
电磁仿真所使用的软件为HFSS、CST或FDTD中的任意一种有限元电磁仿真软件；
所述基材为0.2mm厚E玻纤斜纹布，所述导电碳膜为3～10％石墨烯可溶性中间相沥青在600℃炭化后得到的导电碳膜，所述惰性高分子前驱体形成保护涂层，所述保护涂层为50％中性硅溶胶；
所述三维立体周期结构的总高度为450mm，周期为100×100mm，由截面100×100mm正方形互嵌尖锥蜂窝和直径100mm、高度350mm的圆锥的罩子形成；
所述尖锥蜂窝由10片吸波片组成，所述圆锥的罩子对应的蜂窝尖部为由100mm宽、350mm高尖锥加100mm高底座制成。
本申请还提供了一种用于高功率微波暗室的轻量宽频吸波材料的制备方法，包括如下步骤：
S1.利用电磁仿真软件优化蜂窝结构和保护罩子的形状、尺寸、基材厚度和表面方阻，得到仿真结构，并根据所述仿真结果制备测试样片，用实测数据反馈和修正表面方阻值再优化设计，经数次循环得到最终优化结果；
S2.生产导电涂料和耐高温保护层涂料；
S3.在基材上喷涂或浸渍所述导电涂料，并对所述导电涂料烘干固化和在惰性氛围下600℃以上的炉中裂解形成碳膜，从而使得所述基材表面覆有导电碳膜，根据导电涂料浸渍量和涂料中纳米碳材添加量的不同改变碳膜的表面电导率，改变过程中基于碳膜厚度与表面电导率呈正比、与表面电阻成反比的原则；
S4.在所述导电碳膜上喷涂或浸渍保护涂料，并对所述保护涂料烘干固化，所得结构用瓦楞机挤压成为瓦楞形状，以已附着的保护涂料作为胶水在瓦楞局部再涂敷同样的保护涂料，以形成多层瓦楞；将所述多层瓦楞叠加和热微压固化成为蜂窝块，在惰性氛围下600℃以上的炉中进行烧结，使得所述基材表面覆有抗氧化保护涂层和形成所要的瓦楞或蜂窝形状；
S5.将吸波片切成所需形状，折成尖劈、尖锥或圆锥形状，并用玻纤或石英纤维缝制成为保护罩子，采用保护涂层作为胶水将制成的保护罩子粘接起来；
S6.将吸波片或瓦楞切成所需形状，组合成为互嵌蜂窝，并用耐高温胶水在互嵌蜂窝的交点处固定粘牢，将互嵌蜂窝用高速锯切成尖劈或尖锥蜂窝，从而得到所述轻量宽频吸波材料。
可选地，所述S3和S4按以下步骤实现：
采用连续生产线生产，成卷的基材从放卷器均速放出，生产线的速度范围为1～50米/分钟，经过喷涂或浸渍涂料、低温烘箱初步溶剂干燥、高温烘箱干燥固化，通过瓦楞机挤压成瓦楞带，然后收卷，将整卷产品放入高温炉中裂解炭化和陶瓷化；
所述导电碳膜采用石墨烯可溶中间相沥青导电涂敷层，将沥青溶于喹啉，成为20％的溶液，加入纳米石墨烯粉体，经高速分散或超声分散制得，沥青与石墨烯的重量比为100：3～10；
或者，所述导电碳膜采用高陶瓷转换率硅树脂，硅树脂为硅氧烷，硅氧烷树脂为O/Si比大于1.3的高氧化学结构，硅氧烷树脂碳氢成分低于25％，硅氧烷树脂在氯仿中的浓度为15％。
本申请还提供了一种可用于高功率微波暗室的宽屏吸波周期结构，所述的吸波材料为：由不燃耐高温的吸波片组合成的三维立体周期结构，该吸波片可以是平板或瓦楞形状，可以是三维蜂窝结构。所述的三维宽频吸波结构的高度为0.1至2m，周期尺寸为1～50cm，吸波频宽范围为0.03～40GHz，可以承受的温度为600℃以上，可以承受的功率密度超过10kW/m2。耐高温的吸波片以不燃耐高温无机纤维布为基材，其上涂敷碳化后成为导电碳膜的高分子材料以及再包覆一层可陶瓷化的惰性高分子前驱体，经在惰性氛围下高温烧结而成。吸波材料中可燃的碳成分的重量比不超过2％。
柔性不燃基材为玻纤、玄武岩陶瓷纤维、高硅氧纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、石英纤维等无机纤维材料。在600℃和以下使用采用E玻纤等，价格低廉，原料可选范围宽，使用温度800～1000℃之间可以选用玄武岩纤维和高硅氧纤维，价格还是可以接受，超过1000℃的特殊应用场景可以采用石英纤维、氧化铝纤维和碳化硅纤维，成本较高。纤维的形态可以是各类编织布和各类无纺布，编织布的抗撕裂强度高，成本略高，可以选用平纹和各种斜纹织法，满足力学要求。无纺布的种类很多，例如针刺毡以及采用少量有机粘接剂粘合的无纺布等。基材的厚度为0.1～5mm，面密度为50～600g/m2，太薄力学强度和结构的刚度不够，太厚增加成本和重量。对于高度较矮的高频吸波结构采用较薄的基材，柔韧性好；对于高度较高的低频吸波结构采用较厚的基材，刚度和强度高。
导电层为任何可以在纤维表面碳化成为导电碳膜的高分子材料：例如、聚苯乙烯、聚酰亚胺、环氧树脂、氰酸树脂、可溶性中间相沥青、酚醛树脂等等，芳香烃聚酰亚胺和可溶性中间相沥青的主结构为平面分子结构的多环苯环，碳化后容易形成高导电的石墨烯结构，是导电碳化膜的优选。碳膜的厚度不超过3微米，优选的不超过1微米，更优选的，在0.5微米之内，其厚度对纤维布的柔韧性没有重大影响。导电层膜的高分子材料中可以添加炭黑、碳纳米管和石墨烯等导电纳米添加剂，稳定涂层在不同温度下的导电性，特别是低温碳化时，碳化膜的电导率不高，需要高导电添加剂提升。所述的导电炭黑直径不大于0.06微米，所述的碳纳米管的直径不大于0.1微米，所述的纳米石墨烯片，其厚度小于10纳米，优选的小于3纳米，直径小于2微米，优选的小于500纳米。导电炭黑、碳纳米管和石墨烯在导电碳膜中的体积含量为1～30％，优选的为3～10％。可以独立添加导电纳米碳材，也可以同时添加两种或三种碳材。碳化后涂膜所形成的表面方阻在30～1000欧姆之间可调。导电碳膜的阻抗范围适合吸波材料设计，温度稳定性较高，密度低，增重少，较其它介电吸波材料优异。
碳膜在高温下容易氧化，失去导电性和吸波性能，需要一层致密的保护膜防止高温氧化烧蚀。导电碳膜外面包覆的可陶瓷化的高分子前驱体为：硅氧烷树脂、聚碳硅烷、聚碳氮硅烷等等，陶瓷化温度较高，需要1000℃以上的烧结，实现高致密性，并且在高温空气中稳定。也可以采用无机涂层材料，例如硅酸盐、硅溶胶和磷酸盐等，烧结温度可以降低，甚至不超过350℃。由于无机原料中有较大粒径的颗粒，需要较厚的涂膜厚度实现同样的保护性能，优选的为硅溶胶，其粒径低于50nm。惰性保护膜也可以用于吸波片的粘接，形成三维蜂窝结构。
三维结构为尖锥蜂窝或尖劈蜂窝形成基本外形，在其上戴上由同样耐高温吸波片成形的圆锥、方锥或尖劈的保护罩子。蜂窝可以是经粘接吸波片成为蜂窝块，经拉伸热定型形成的六边形蜂窝，形状和力学稳定性好；也可以是吸波平片或瓦楞互嵌形成的正方形或长方形截面蜂窝。优选的为尖锥形蜂窝罩上圆锥帽子，实现对各类极化和入射角电磁波的均衡吸波。
高温吸波三维周期结构的形状、尺寸、基材厚度和吸波片的表面方阻经电磁仿真优化。采用有限元电磁仿真软件HFSS、CST、FDTD等计算结构的反射率，根据吸波性能要求实现最低高度和使用最少材料，优化的范围包括每片吸波片的形状、排列方式和表面方阻，吸波片的表面方阻范围为30～1000欧姆，经仿真确定最佳值，而且根据吸波片的微波测量实测值进行矫正。经优化设计的三维吸波结构的性能与同样高度的海绵和无纺布吸波材料性能相近，可以通过优化设计提升低频吸波性能。
高功率暗室用三维吸波周期结构的制备方法采用如下步骤：
S1.利用电磁仿真软件、优化蜂窝和保护罩子的形状、尺寸、基材厚度和表面方阻，根据初步仿真结果制备测试样片，用实测数据反馈和修正表面方阻值再优化设计，经数次循环得到最终优化结果。
S2.根据使用温度和仿真结果生产导电涂料和耐高温保护层涂料；
S3.在基材上喷涂或浸渍导电涂料，并对所述导电涂料烘干固化，并对所述导电涂料烘干固化和在惰性氛围下600℃以上的炉中裂解形成碳膜，使得所述基材表面覆有导电碳膜，根据导电涂料浸渍量和涂料中纳米碳材添加量的不同改变碳膜的表面电导率，碳膜越厚，表面电导率越高；
S4.在所述导电碳膜上上喷涂或浸渍保护涂料，并对所述保护涂料烘干固化，如有需要用瓦楞机挤压成为瓦楞形状，或作为胶水局部再涂敷同样的涂料，将多层纤维布叠加和热压固化成为蜂窝块，经拉伸在高温定形，在惰性氛围下600℃以上的炉中进行烧结，使得所述基材表面覆有抗氧化保护涂层和形成所要的瓦楞或蜂窝形状；
S5.将吸波片切成所需形状，折成尖劈、尖锥和圆锥形状，并用玻纤或石英纤维缝制定形成为罩子，也可以采用保护涂层作为胶水将罩子粘接起来。
S6.将吸波片或瓦楞切成所需形状，组合成为互嵌蜂窝，并用耐高温胶水在交点处固定粘牢，或将粘接的蜂窝用高速锯切成尖劈或尖锥蜂窝；
步骤S2中，制备石墨烯复合可溶中间相沥青导电浆料的方法为，将沥青溶于喹啉，成为20％的溶液，加入纳米石墨烯粉体，经高速分散或超声分散制得，沥青与石墨烯的重量比为100：3～10。使用硅溶胶作为保护涂膜时，其浓度需高于30％，pH值在6～8之间。使用高陶瓷转换率的硅树脂时，硅树脂为硅氧烷，硅氧烷树脂的O/Si比大于1.3的高氧化学结构，碳氢成分在分子结构中的重量低于25％。
步骤S3和S4中的耐高温吸波片和瓦楞结构制备，可以采用卷对卷连续生产线生产，成卷的基材从放卷器均速放出，生产线的速度范围为1～50米/分，经过喷涂或浸渍涂料、低温烘箱初步溶剂干燥、高温烘箱干燥固化或瓦楞机挤压成瓦楞带、然后收卷，将整卷产品放入高温炉中裂解炭化和陶瓷化。
标准吸波结构的底部尺寸为600×600mm，高度按性能和吸波频宽的要求优化而定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1的设计图；图1中的附图标记为：1、最高的尖锥吸波片，2、外围尖锥吸波片，3、中高尖锥吸波片，4、吸波圆锥截面图。
图2是本发明实施例2所采用的瓦楞吸波结构设计。
图3是本发明实施例3所采用的蜂窝型吸波结构设计，图3中，图a)～c)为拉伸法制备蜂窝的工艺，图3中d)～g)为吸波蜂窝结构示意图，图3中的附图标记为：1、吸波片，2、节点胶。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
实施例1
采用基材为0.2mm厚E玻纤斜纹布，满足600℃以上耐高温，设计如图1所示，吸波结构的总高度为450mm，周期为100X100mm，100mm直径的圆锥高度为350mm。支撑圆锥的是截面100X100mm正方形尖锥蜂窝，尖锥蜂窝由10片吸波片组成，圆锥对应的蜂窝尖部为100mm宽、350mm高尖锥加100mm高底座实现，25mm左右相邻之处的蜂窝壁为同样100mm宽175mm高尖锥加100mm高底座，左右50mm之处的蜂窝壁为100mm宽50mm高尖锥加100mm底座。形状经仿真优化后实现1.5～40GHz宽频范围的优于-40dB的反射率，短期耐热温度600℃，长期耐热温度450℃，连续照射微波功率密度大于10kW/m2。吸波片的氧指数测试结果为75％。
制备石墨烯复合可溶中间相沥青导电浆料的方法为，将沥青溶于喹啉，成为20％的溶液，加入d50为0.7微米的纳米石墨烯粉体，经高速分散或超声分散制得，沥青与石墨烯的重量比为100：3～10。保护涂层和胶粘剂为浓度大于30％中性硅溶胶，pH值在6～8之间。干燥固化温度为120℃，烧结温度600℃。
可以采用卷对卷连续生产线生产，成卷的基材从放卷器均速放出，生产线的速度范围为1～50米/分，经过喷涂或浸渍导电涂料、80℃低温烘箱初步溶剂干燥、300℃高温烘箱干燥固化、然后收卷，将整卷产品放入惰性气体保护高温炉中在600℃裂解炭化，炭化时间5小时。保护涂层同样用连续产线制备，成卷的基材从放卷器均速放出，生产线的速度范围为1～50米/分，经过喷涂或浸渍保护涂料、60℃低温烘箱初步水分干燥、120℃高温烘箱干燥固化、然后收卷，将整卷产品放入惰性气体保护高温炉中在600℃进行陶瓷致密化，陶瓷化时间5小时。
尖锥的制备：尖锥片的长度为600mm，高度如图1所示，吸波片切成所需尖锥形状，组合成为互嵌蜂窝，并用耐高温胶水在交点处固定粘牢；
圆锥的制备：将吸波片切成所需形状，折成圆锥形状，并用玻纤缝成罩子，也可以采用保护涂层作为胶水将罩子粘接起来。将罩子罩在尖锥上。
实施例2
采用基材为0.2mm厚高硅氧布，满足600℃以上耐高温长期使用，设计如图2所示，吸波结构的总高度为150mm，周期为50X50mm，50mm直径的圆锥高度为110mm。支撑圆锥的是截面50X50mm正方形尖锥蜂窝，尖锥蜂窝由2片吸波片和4片瓦楞片组成，瓦楞的深度为15mm，周期长度50mm，圆锥对应的蜂窝尖部为50mm宽、110mm高尖锥加40mm底座实现，25mm左右相邻之处的瓦楞蜂窝壁为同样50mm宽25mm高尖锥加40mm底座。形状经仿真优化后实现5～40GHz宽屏范围优于-40dB的反射率，短期使用耐热温度800℃，长期使用耐热温度600℃，连续照射微波功率密度大于15kW/m2。吸波片的氧指数测试结果为80％。
制备聚酰亚胺导电浆料的方法为，将高分子量聚酰亚胺溶于NMP溶剂，成为10％的溶液，经搅拌混合均匀制得，聚酰亚胺溶液浸渍纤维，1100℃炭化后成为导电碳膜。保护涂层和胶粘剂为陶瓷转化率75％的硅树脂，溶剂为氯仿，高陶瓷转换率的硅氧烷，硅氧烷树脂的O/Si比大于1.3的高氧化学结构，碳氢成分在分子结构中的重量低于25％，硅氧烷树脂在氯仿中的浓度为15％，干燥固化温度为180℃，烧结温度1000℃。
可以采用卷对卷连续生产线生产，成卷的基材从放卷器均速放出，生产线的速度范围为1～50米/分，经过喷涂或浸渍导电涂料、80℃低温烘箱初步溶剂干燥、制备平片材料时在260℃高温烘箱干燥固化，并收卷；制备瓦楞时，240℃高温烘箱干燥固化，280℃的热辊定形为瓦楞，剪切为600mm长，放入有同样尺寸的石墨箱内，将整箱和整卷中间品放入惰性气体保护高温炉中在1100℃裂解炭化，炭化时间3小时。将保护涂层同样用连续产线制备，对于卷材同样地，成卷的基材从放卷器均速放出，生产线的速度范围为1～50米/分，经过喷涂或浸渍保护涂料、80℃低温烘箱初步溶剂干燥、180℃高温烘箱干燥固化、然后收卷，对于瓦楞，将整箱的瓦楞浸渍于保护涂料中，放置30分钟后将多余涂料排出，在真空烘箱中干燥，第一阶段的干燥温度为80℃，第二阶段的干燥温度为180℃，将整箱瓦楞和整卷产品放入惰性气体保护高温炉中在1000℃进行陶瓷致密化，陶瓷化时间3小时。
尖锥的制备：尖锥片和瓦楞的长度为600mm，高度如图2所示，吸波片和瓦楞切成所需形状，组合成为互嵌蜂窝，并用耐高温胶水在交点处固定粘牢；
圆锥的制备：将吸波片切成所需形状，折成圆锥形状，并用石英纤维缝制定形成为罩子。将罩子罩在尖锥上。
实施例3
采用基材为0.3mm厚E玻纤斜纹布，满足600℃以上耐高温，设计如图3所示，吸波结构的总高度为900mm，周期为200X200mm，边长200mm的尖锥高度为700mm。支撑尖锥的是截面200X200mm正方形尖锥蜂窝，尖锥蜂窝由边长13.7mm的过拉伸蜂窝，形成8X8的蜂窝孔。形状经仿真优化后实现0.7～40GHz宽频范围的优于-40dB的反射率，短期耐热温度600℃，长期耐热温度450℃，连续照射微波功率密度大于12kW/m2。吸波片的氧指数测试结果为75％。
制备石墨烯复合可溶中间相沥青导电浆料的方法为，将沥青溶于喹啉，成为20％的溶液，加入d50为0.7微米的纳米石墨烯粉体，经高速分散或超声分散制得，沥青与石墨烯的重量比为100：3～10。保护涂层和胶粘剂为浓度大于30％中性硅溶胶，pH值在6～8之间。干燥固化温度为120℃，烧结温度600℃。
采用卷对卷连续生产线生产，成卷的基材从放卷器均速放出，生产线的速度范围为1～50米/分，经过喷涂或浸渍导电涂料、80℃低温烘箱初步溶剂干燥、300℃高温烘箱干燥固化、然后收卷，将整卷产品放入惰性气体保护高温炉中在600℃裂解炭化，炭化时间5小时。保护涂层同样用连续产线制备，成卷的基材从放卷器均速放出，生产线的速度范围为1～50米/分，经过喷涂或浸渍保护涂料、60℃低温烘箱初步水分干燥、120℃高温烘箱干燥固化、然后收卷，制备瓦楞时，100℃高温烘箱干燥固化，150℃的热辊定形为瓦楞，瓦楞各边长13.7mm，剪切为600mm长和900mm高瓦楞片，放入有同样尺寸的铁箱箱内，将整箱和整卷中间品放入惰性气体保护高温炉中在600℃进行陶瓷致密化，陶瓷化时间5小时。
尖锥的制备：瓦楞片的长度为600mm，高度如图3所示，瓦楞片切成所需形状，将瓦楞的结合处涂敷硅溶胶(在图3c中的2)，叠合成蜂窝尖锥，200℃高温固化而成。也可以材料常规的玻纤蜂窝制备工艺，如图3a～c所示，将吸波片按设计涂敷高温胶水(保护涂料)，叠加成块，200℃热压胶合后，拉伸成为蜂窝，再高温定形。用高速带锯切成尖锥。
圆锥的制备：将吸波片切成所需形状，折成尖锥形状，并用玻纤缝成为罩子，也可以采用硅溶胶作为胶水将罩子粘接起来。将罩子罩在尖锥上。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种用于高功率微波暗室的轻量宽频吸波材料，其特征在于，所述的吸波材料的结构为：由不燃耐高温的吸波片组合成的三维立体周期结构，所述吸波片为平板、瓦楞形状或者三维蜂窝结构；
所述三维立体周期结构的高度范围为0.1～2m，周期尺寸范围为1cm～50cm，吸波频宽范围为0.03GHz～40GHz，氧指数高于60％，在空气中的使用温度为不低于600℃，能够承受的功率密度超过10kW/m2，且为不燃材料。
2.根据权利要求1所述的吸波材料，其特征在于，所述吸波片的制备过程为：以不燃耐高温无机纤维布为基材，在所述基材上涂敷碳并经碳化后形成具有导电碳膜的高分子材料，再包覆一层可陶瓷化的惰性高分子前驱体，经在惰性氛围下高温烧结而形成所述吸波片；
所述吸波材料中可燃的碳成分的重量比不超过2％。
3.根据权利要求2所述的吸波材料，其特征在于，所述基材为：玻纤、玄武岩陶瓷纤维、高硅氧纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、石英纤维中的至少一种；
所述基材的形态为编织布或无纺布，所述基材的厚度范围为0.1～5mm，面密度范围为50～600g/m2。
4.根据权利要求2所述的吸波材料，其特征在于，所述导电碳膜的材料为能够在纤维表面碳化成为导电碳膜的高分子材料；
所述导电碳膜的材料为聚苯乙烯、聚酰亚胺、环氧树脂、氰酸树脂、可溶中间相沥青、酚醛树脂中的任意一种；
所述导电碳膜的材料为低温600℃碳化可以导电的高分子材料，所述导电碳膜的材料为芳香烃聚酰亚胺或可溶性中间相沥青；
所述导电碳膜为碳膜，所述碳膜的厚度不超过3微米，所述碳膜所形成的表面方阻在30～1000欧姆之间可调。
5.根据权利要求2所述的吸波材料，其特征在于，形成所述导电碳膜的材料为高分子材料，形成所述导电碳膜的材料为高分子材料中添加有炭黑、碳纳米管、石墨烯片中的至少一种导电纳米添加剂；
所述炭黑的直径不大于0.06微米，所述碳纳米管的直径不大于0.1微米，所述石墨烯片的厚度小于10纳米；
所述导电纳米添加剂在所述导电碳膜中的体积含量范围为1～30％。
6.根据权利要求2所述的吸波材料，其特征在于，所述可陶瓷化的惰性高分子前驱体的材料为：硅氧烷树脂、聚碳硅烷、聚碳氮硅烷中的至少一种有机涂层材料；
或者，所述可陶瓷化的惰性高分子前驱体的材料为：硅酸盐、硅溶胶、磷酸盐中的至少一种无机涂层材料；
所述惰性高分子前驱体经高温处理后形成，所述惰性高分子前驱体用于各所述吸波片的粘接，以形成三维蜂窝结构。
7.根据权利要求2至6任一项所述的吸波材料，其特征在于，所述三维立体周期结构的制备过程为：由尖锥蜂窝或尖劈蜂窝形成基本外形，在尖锥蜂窝或尖劈蜂窝上戴上由同样耐高温吸波片成形的圆锥、方锥或尖劈的保护罩子而成；
所述尖锥蜂窝、所述尖劈蜂窝为经粘接吸波片或瓦楞形成的六边形蜂窝，或者为由吸波平片或瓦楞互嵌形成的正方形蜂窝；
所述基材为0.3mm厚E玻纤斜纹布，所述导电碳膜为3～10％石墨烯可溶中间相沥青600℃炭化后的导电碳膜，所述惰性高分子前驱体形成保护涂层，所述保护涂层为50％中性硅溶胶，干燥固化温度为120℃，烧结温度为600℃；
所述三维立体周期结构的总高度为900mm，周期为200×200mm，由边长13.7mm的过拉伸蜂窝形成8×8的蜂窝孔，拉伸蜂窝由瓦楞胶接而成，再切割成边长200mm高900mm的方锥、以及高度700mm方锥的罩子，通过切割得到的方锥、罩子组成。
8.根据权利要求2至6任一项所述的吸波材料，其特征在于，所述三维立体周期结构的形状、尺寸、基材厚度和吸波片的表面方阻经电磁仿真优化；
优化过程中，每片吸波片的形状、排列方式和表面方阻都根据吸波性能要求经仿真优化实现，仿真优化后的吸波片在能够满足吸波性能要求的前提下高度最低、使用材料最少；
电磁仿真所使用的软件为HFSS、CST或FDTD中的任意一种有限元电磁仿真软件；
所述基材为0.2mm厚E玻纤斜纹布，所述导电碳膜为3～10％石墨烯可溶性中间相沥青在600℃炭化后得到的导电碳膜，所述惰性高分子前驱体形成保护涂层，所述保护涂层为50％中性硅溶胶；
所述三维立体周期结构的总高度为450mm，周期为100×100mm，由截面100×100mm正方形互嵌尖锥蜂窝和直径100mm、高度350mm的圆锥的罩子形成；
所述尖锥蜂窝由10片吸波片组成，所述圆锥的罩子对应的蜂窝尖部为由100mm宽、350mm高尖锥加100mm高底座制成。
9.一种用于高功率微波暗室的轻量宽频吸波材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.利用电磁仿真软件优化蜂窝结构和保护罩子的形状、尺寸、基材厚度和表面方阻，得到仿真结构，并根据所述仿真结果制备测试样片，用实测数据反馈和修正表面方阻值再优化设计，经数次循环得到最终优化结果；
S2.生产导电涂料和耐高温保护层涂料；
S3.在基材上喷涂或浸渍所述导电涂料，并对所述导电涂料烘干固化和在惰性氛围下600℃以上的炉中裂解形成碳膜，从而使得所述基材表面覆有导电碳膜，根据导电涂料浸渍量和涂料中纳米碳材添加量的不同改变碳膜的表面电导率，改变过程中基于碳膜厚度与表面电导率呈正比、与表面电阻成反比的原则；
S4.在所述导电碳膜上喷涂或浸渍保护涂料，并对所述保护涂料烘干固化，所得结构用瓦楞机挤压成为瓦楞形状，以已附着的保护涂料作为胶水在瓦楞局部再涂敷同样的保护涂料，以形成多层瓦楞；将所述多层瓦楞叠加和热微压固化成为蜂窝块，在惰性氛围下600℃以上的炉中进行烧结，使得所述基材表面覆有抗氧化保护涂层和形成所要的瓦楞或蜂窝形状；
S5.将吸波片切成所需形状，折成尖劈、尖锥或圆锥形状，并用玻纤或石英纤维缝制成为保护罩子，采用保护涂层作为胶水将制成的保护罩子粘接起来；
S6.将吸波片或瓦楞切成所需形状，组合成为互嵌蜂窝，并用耐高温胶水在互嵌蜂窝的交点处固定粘牢，将互嵌蜂窝用高速锯切成尖劈或尖锥蜂窝，从而得到所述轻量宽频吸波材料。
10.根据权利要求9所述的用于高功率微波暗室的轻量宽频吸波材料的制备方法，其特征在于，所述S3和S4按以下步骤实现：
采用连续生产线生产，成卷的基材从放卷器均速放出，生产线的速度范围为1～50米/分钟，经过喷涂或浸渍涂料、低温烘箱初步溶剂干燥、高温烘箱干燥固化，通过瓦楞机挤压成瓦楞带，然后收卷，将整卷产品放入高温炉中裂解炭化和陶瓷化；
所述导电碳膜采用石墨烯可溶中间相沥青导电涂敷层，将沥青溶于喹啉，成为20％的溶液，加入纳米石墨烯粉体，经高速分散或超声分散制得，沥青与石墨烯的重量比为100：3～10；
或者，所述导电碳膜采用高陶瓷转换率硅树脂，硅树脂为硅氧烷，硅氧烷树脂为O/Si比大于1.3的高氧化学结构，硅氧烷树脂碳氢成分低于25％，硅氧烷树脂在氯仿中的浓度为15％。
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