CN114014366A - 一种由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料、制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料、制备方法及其应用，由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料，以氧化钨作为外壳层，降低阻抗，使得电磁波更好的射入材料内部，配合壳层之间的界面极化作用和空心结构的多层散射作用，从而提高碳化钨的电磁波吸收能力。制备过程中，通过球磨和喷雾造粒过程制备碳化钨空心核壳粉末，再经过加热氧化，制得由三氧化钨和碳化钨组成的多层核壳空心结构粉末。同时，由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料用于电磁波吸收。

Description

一种由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料、 制备方法及其应用
技术领域
本发明属于电磁波吸收材料领域，具体涉及一种由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料、制备方法及其应用。
背景技术
随着现代探测技术和手段的发展,为了提高军用飞行器的反探测和突防能力,吸波材料在军事领域的地位越来越重。并且随着信息化时代的发展,各种各样的电子产品也被广泛的应用在生活的方方面面，电子产品在带来便利的同时,也带来了许多的电磁辐射,这些辐射会对人体健康和电子设备的正常运行产生极大的影响。
吸波材料是指能吸收投射到他表面的电磁波的能量,并通过材料的介质损耗使电磁波能量转化为热能、机械能或者其他形式的能量的一类材料，它的工作原理与材料的电磁特性有关。常见的吸波材料按照吸收剂对电磁波的损耗机理,可以分为介电型吸波材料和磁性吸波材料。
介电型吸波材料主要以极化损耗和电阻损耗为主,电损耗产生的原因有两个,一是电介质中杂质引起的漏导电流,另一个是电介质在电场中发生极化取向时,由于极化取向与外加电场相位差而产生的极化电流损耗。吸波效率取决于材料的介电常数,其原理为电介质以正负电荷重心不重合的电极化方式传递电磁波,当外场为交变场时,随外场频率的增加,介质的极化逐渐落后于外场的变化,损耗部分来源于极化过程中的转动取向,部分来源于材料和外电场的频率与分子或原子热振动频率一致时引起的共振。介电型吸波材料大多具有密度小,力学性质优异、耐高温、耐腐蚀等特点。介电材料虽然在高频部吸波能力优秀,但其低频吸波能力差,吸收频带窄等问题限制了其性能的发展。
碳化钨材料由于具有高硬度、高熔点、高密度、高耐磨性和耐侵蚀性而被广泛应用在微型钻头、核耐火零件、医疗设备、切削工具及耐磨零件等领域，由于导电性良好，电阻率低，是一种潜在的电磁吸波材料，但是碳化钨材料作为陶瓷介电材料，同样也具有吸收频率靠后，吸波频宽偏窄的问题。因此，鲜有有关碳化钨吸波材料的研究，尤其是吸波频宽合适、吸波性能良好的碳化钨吸波材料也鲜有报道。
发明内容
针对现存的问题，本发明提供一种由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料、制备方法及其应用，本发明的吸波材料具有良好的吸波性能，能够有效的衰减电磁波，并且制备方法简单，且吸收频率可以调控。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
本发明的一个方面提供一种由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料，有如下材料和结构组成：
外壳层为三氧化钨，内壳层为碳化钨，核心层为空心结构。
所述外壳层由空心结构的碳化钨核壳粉末在空气氛围下加热氧化制备而成。
所述碳化钨核壳粉末制备过程如下：
将碳化钨粉末和柠檬酸铵以及阿拉伯树胶溶解于水，得到混合溶液；将混合溶液进行球磨混粉，然后将球磨后的溶液使用喷雾造粒机进行喷雾造粒。
进一步的，所述碳化钨核壳粉末制备过程中，碳化钨、柠檬酸铵、阿拉伯树胶和水的质量比为250:1:2:250；球磨时间为48-72小时，球磨转30-100r/min；球磨后用筛网过滤得球磨后的溶液；喷雾造粒时转子频率20-25GHz。
所述球磨球磨步骤中，球磨球选自不锈钢、氧化锆、氧化铝、硬质合金中的一种或几种，球磨球与混合溶液质量比1:1。
本发明的另一个方面，提供一种由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料的制备方法，包括以下步骤：
S1，将碳化钨粉末和柠檬酸铵以及阿拉伯树胶溶解于水，得到混合溶液；
S2，将混合溶液进行球磨混粉；
S3，将球磨完的溶液使用喷雾造粒机进行喷雾造粒，得到碳化钨空心结构核壳粉末；
S4，将碳化钨空心结构核壳粉末置于空气氛围下加热氧化，得到三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心粉末。
进一步的，所述S1步骤中，碳化钨、柠檬酸铵、阿拉伯树胶和水的质量比为250:1:2:250，碳化钨粉末的粒径可选自50纳米-200微米。
进一步的，所述球磨混粉过程如下：
将混合溶液与一定量的球磨球置于球磨桶中，球磨48-72h，转速30-100r/min，。
进一步的，所述球磨球选自不锈钢、氧化锆、氧化铝、硬质合金中的一种或几种，球磨球与混合溶液质量比1:1。
进一步的，所述S4步骤中，加热温度350-700℃，升温速率为2-10℃/min，保温时间0-360min。
本发明的另一个方面，提供一种由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料的应用，由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料作为吸波材料在电磁波吸收方面的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明制备工艺简单，制备的由三氧化钨和碳化钨组成的多层核壳空心材料，通过三氧化钨透波层减少反射，并通过界面极化和空心内核的多重反射作用，能够有效的衰减电磁波；并且通过调整氧化时间和氧化温度，可以改变外表面透波层的厚度，从而改变材料吸收的频率。
附图说明
图1为由三氧化钨和碳化钨组成的多层核壳空心粉末三维结构示意图。
图2为实施例1制备的由三氧化钨和碳化钨组成的多层核壳空心粉末与石蜡质量比2：1时测量的介电常数。
图3为根据传输线理论，计算的实施例1制备的由三氧化钨和碳化钨组成的多层核壳空心粉末的反射损耗值。
具体实施方式
结合附图和具体实施例,对本发明作进一步说明.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.此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,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。
实施例1：一由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料的制备
(1)将粒径为1微米的碳化钨粉末和柠檬酸铵以及阿拉伯树胶溶解于水，WC与柠檬酸铵，阿拉伯树胶和水的质量比为250:1:2:250，得到混合溶液。
(2)将混合溶液与氧化锆球置于球磨桶中，氧化锆球与混合溶液质量比为1：1，球磨72小时，转速30r/min。
(3)将球磨完的溶液使用筛网过滤，再使用喷雾造粒机，喷雾造粒，转子频率20GHz，得到碳化钨空心结构核壳粉末。
(4)将碳化钨空心结构核壳粉末置于空气氛围下加热氧化，加热温度410℃，保温时间0分钟，然后随炉冷却，得到由三氧化钨和碳化钨组成的多层核壳空心粉末。
实施例2：一由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料的制备
(1)将粒径为5微米碳化钨粉末和柠檬酸铵以及阿拉伯树胶溶解于水，碳化钨与柠檬酸铵，阿拉伯树胶和水的质量比为250:1:2:250，得到混合溶液。
(2)将混合溶液与氧化锆球置于球磨桶中，氧化锆球与混合溶液质量比为1：1，球磨72小时，转速60r/min。
(3)将球磨完的溶液使用筛网过滤，再使用喷雾造粒机，喷雾造粒，转子频率22GHz，得到碳化钨空心结构核壳粉末。
(4)将碳化钨空心结构核壳粉末。置于空气氛围下加热氧化，加热温度410℃，保温时间30min，然后随炉冷却，得到由三氧化钨和碳化钨组成的多层核壳空心粉末。
实施例3：一由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料的制备
(1)将粒径为1微米的碳化钨和柠檬酸铵以及阿拉伯树胶溶解于水，碳化钨与柠檬酸铵，阿拉伯树胶和水的质量比为300:1:2.5:250，得到混合溶液。
(2)将混合溶液与氧化锆球置于球磨桶中，氧化锆球与混合溶液质量比为1：1，球磨72小时，转速60r/min。
(3)将球磨完的溶液使用筛网过滤，再使用喷雾造粒机，喷雾造粒，转子频率20GHz，得到碳化钨空心结构核壳粉末。
(4)将碳化钨核壳粉末置于空气氛围下加热氧化，加热温度600℃，保温时间0min，然后随炉冷却，得得到由三氧化钨和碳化钨组成的多层核壳空心粉末。
实施例4：由三氧化钨和碳化钨组成的多层核壳空心粉末的性能测试
为了由三氧化钨和碳化钨组成的多层核壳空心粉末(实施例1制备)的介电性能进行表征，使用网络矢量分析仪对其进行测试。
电磁参数测试采用同轴法，测试频率范围为2-16GHz，通过测量同轴样品的一对复数散射参数S11和S21,通过样品尺寸和电磁波在样品中的传输系数求得到材料的复介电常数和复磁导率。测试样品以石蜡为基体,按照样品与石蜡质量比3：1的比例配置混合粉末,充分混合均匀,铸成尺寸为外径7.00mm、内径为3.04mm的同轴样品来进行测量。因为由三氧化钨和碳化钨组成的多层核壳空心粉末是介电材料，所以其复磁导率实部默认为1，虚部为0。测试数据如附图2所示。介电常数是为了下一步利用传输线法计算反射率的数据，其实部表示电场极化程度，代表储存能量的能力，虚部表示在电场下，由于电偶距移动产生的损耗，代表损耗能量的能力。
将测试得到的电磁参数，通过传输线理论，计算材料的吸波性能，计算公式如下所示：
Zin＝Z0(μr/εr)1/2tanh[j(2πfd/c)(μr/εr)1/2]
RL＝20log10|(Zin-Z0)/(Zin+Z0)|
式中Zin表示材料的阻抗，Z0表示空气的阻抗，c表示光速，d表示样品的厚度，f表示电磁波的频率，RL代表反射率。
通过计算，得实施例1制备的由三氧化钨和碳化钨组成的多层核壳空心粉末的反射率为20dB(数据如图3所示)，表示该材料吸收电磁波的能力较强，由三氧化钨和碳化钨组成的多层核壳空心粉末作为电磁吸波材料，性能优秀。

Claims (10)

1.一种由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料，其特征在于，包括：外壳层为三氧化钨，内壳层为碳化钨，核心层为空心结构。
2.根据权利要求1所述的由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料，其特征在于，所述外壳层由空心结构的碳化钨核壳粉末在空气氛围下加热氧化制备而成。
3.根据权利要求2所述的由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料，其特征在于，所述碳化钨核壳粉末制备过程如下：
将碳化钨粉末和柠檬酸铵以及阿拉伯树胶溶解于水，得到混合溶液；将混合溶液进行球磨混粉，然后将球磨后的溶液使用喷雾造粒机进行喷雾造粒。
4.根据权利要求2所述的由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料，其特征在于，所述碳化钨核壳粉末制备过程中，碳化钨、柠檬酸铵、阿拉伯树胶和水的质量比为250:1:2:250；球磨时间为48-72小时，球磨转30-100r/min；球磨后用筛网过滤得球磨后的溶液；喷雾造粒时转子频率20-25GHz。
5.一种由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将碳化钨粉末和柠檬酸铵以及阿拉伯树胶溶解于水，得到混合溶液；
S2，将混合溶液进行球磨混粉；
S3，将球磨完的溶液使用喷雾造粒机进行喷雾造粒，转子频率20-25GHz，得到碳化钨空心结构核壳粉末；
S4，将碳化钨空心结构核壳粉末置于空气氛围下加热氧化，得到三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心粉末。
6.根据权利要求5所述的由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料制备方法，其特征在于，所述S1步骤中，碳化钨、柠檬酸铵、阿拉伯树胶和水的质量比为250:1:2:250，碳化钨粉末的粒径可选自50纳米-200微米。
7.根据权利要求5所述的由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料制备方法，其特征在于，所述球磨混粉过程如下：
将混合溶液与一定量的球磨球置于球磨桶中，球磨48-72h，转速30-100r/min，。
8.根据权利要求7所述的由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料制备方法，其特征在于，所述球磨球选自不锈钢、氧化锆、氧化铝、硬质合金中的一种或几种，球磨球与混合溶液质量比1:1。
9.根据权利要求5所述的由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料制备方法，其特征在于，所述S4步骤中，加热温度350-700℃，升温速率为2-10℃/min，保温时间0-360min。
10.权利要求1-9所述的由三氧化钨和碳化钨组成的核壳空心结构的吸波材料作为吸波材料在电磁波吸收方面的应用。
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