CN114016182B - 一种周期性纤维编织电磁波吸收材料的制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

一种周期性纤维编织电磁波吸收材料的制备方法和应用，本发明要解决目前无法获取纤维的本征电磁参数，得到同时兼具吸收多功能、超薄、轻质、耐高温、可批量制备、稳定、优良力学的宽频电磁波吸收性能的吸波材料的问题。本发明通过获得本征电磁参数，利用遗传算法结合CST软件的指导，使用编织机制备了宽频电磁波吸收的周期性纤维编织材料。本发明制备的纤维编织材料创新之处在于获得了纤维材料的本征电磁参数，在算法和模拟的指导下优化材料的周期性宏观结构，充分发挥了材料电磁损耗，同时与周期性结构的谐振损耗相配合。本发明应用于电磁波吸收材料领域。

Description

一种周期性纤维编织电磁波吸收材料的制备方法和应用
技术领域
本发明涉及电磁波吸收材料的制备及应用领域，具体涉及多功能、可大批量制备、优良力学性能、超薄、轻质、耐高温、稳定宽频吸收的周期性编织电磁波吸收材料的制备方法和应用。
背景技术
随着信息技术的飞速发展,环境中存在的辐射污染已经成为一个不可忽视的问题,它不仅可以干扰电子设备的操作,还会对人类健康造成伤害。因此,对电磁波吸收材料的要求不仅限于单纯的吸收强度，更加对于柔性、力学性能以及多领域的耐受性都提出了复杂的要求，这都大大的提升了对吸波材料研究的难度。
因此,全波段的吸波材料的研发和应用显得尤为重要。近年来的被开发的具有吸波性能的材料体系以及结构的种类纷繁复杂，对于已知材料在吸波领域的深入开发仍有欠缺，且很少有人探究结构、材料等与吸波性能的直接关系，及在调整结构和探索过程中其吸波性能得到优化的根本原因，难以有目的的调控吸波性能。这样导致部分吸波性能优良，但有效吸收频段随机、无法有效控制、吸波材料的综合性能较差；而也有极少数的学者致力于通过模拟计算等，却缺少实验与之对应、结构无法和实际性能同步，研究过程冗杂缓慢，从而使理论无法应用到实际生产中。
发明内容
本发明要解决目前无法获取纤维的本征电磁参数，以得到同时兼具吸收多功能、超薄、轻质、耐高温、可批量制备、稳定、优良力学的宽频电磁波吸收性能的吸波材料的问题。
本发明通过获得本征电磁参数，利用遗传算法结合CST软件的指导，使用编织机制备了宽频电磁波吸收的周期性纤维编织材料。本发明制备的纤维编织材料创新之处在于获得了纤维材料的本征电磁参数，在算法和模拟的指导下优化材料的周期性结构，充分发挥了材料电磁损耗，同时与周期性结构的谐振损耗相配合，最终实现了超宽频吸收，高效且低成本地获得了一种多功能、超薄、轻质、耐高温、可批量制备、优良力学性能、稳定的宽频电磁波吸收的周期性纤维编织材料及其应用。
本发明的多功能、可大批量制备、优良力学性能、超薄、轻质、耐高温、稳定宽频吸收的周期性编织电磁波吸收材料的制备方法，是按照以下步骤进行的：
一、获取本征电磁参数：
①、将长连续纤维剪切成固定长度的短切吸波纤维，然后将短切吸波纤维与液态石蜡混合，使短切吸波纤维与石蜡充分分散，取向随机分布，获得短切吸波复合石蜡材料样品和纯石蜡样品；
②、将步骤①获得的短切吸波复合石蜡材料样品和纯石蜡样品压制成同轴环状样品，然后进行电磁参数的测量；
③、将测量短切吸波复合石蜡材料样品和纯石蜡样品所得的参数带入修正后的Maxwell–Garnett等效媒介模型，获取吸波纤维本征电磁参数；
二、遗传算法结合CST软件进行优化设计：
①、将编织结构简化为二进制代码‘0’和‘1’，并随机分布形成编码矩阵，通过CST软件接收随机分布的编码矩阵，并转化为几何模型，将吸波纤维本征介电常数代入模型中；
所述的编织结构为吸波纤维和透波材料的混合编织结构；
②、设计CST模拟电磁环境，入射电磁波沿-z方向入射到周期性单元中，设置沿x轴和y轴的周期边界条件，运行CST软件，模拟周期性结构单元的反射损耗，获取反射损耗曲线；
③、设定评估函数，筛选步骤①中接收到的随机分布的编码矩阵对应编织结构下的反射损耗；依据反射损耗与步骤②模拟电磁环境的关系，当反射损耗＜-10dB时，判定为有效吸收并统计全部有效频宽，最终保存模拟电磁环境中电磁波最大频宽对应的编码与反射损耗曲线；
三、使用编织方法制备周期性纤维编织吸波材料：
将上述最大频宽对应的编码输入到编织机，采用编织机编织样品吸波纤维和透波材料。
进一步地，所述的吸波纤维为高分子纤维(涤纶纤维、腈纶纤维等)，金属纤维(不锈钢纤维,镍纤维等)、氧化物纤维(Al2O3纤维，ZrO2纤维，ZnO纤维)、陶瓷纤维(SiC纤维，Si3N4纤维)或碳质纤维(碳纤维、石墨烯纤维、石墨纤维等)。
进一步地，所述编织结构为上下搭接结构，所述编织结构为吸波纤维和透波材料的混合编织，若吸波纤维在透波纤维上方，则设定编码为‘1’；若吸波纤维在透波纤维下方，则设定编码为‘0’。
进一步地，通过CST软件接收随机分布的编码矩阵，并转化为几何模型，当编码为1时，编织结构中，上层结构赋予吸波纤维本征电磁参数，下层结构被赋予透波材料介电常数，当编码为0时，编织结构中，下层结构赋予吸波纤维本征电磁参数，上层结构被赋予透波材料介电常数。
进一步地，步骤一中①所述短切吸波纤维与60℃的液态石蜡混合，并进行超声处理，使其充分分散，获得石蜡样品。
进一步地，步骤二中①所述的将编织结构简化为二进制代码‘0’‘1’，并随机分布形成6×6的编码矩阵。
进一步地，步骤二③中所述的评估函数为分段函数。
进一步地，步骤三中编织机为自动编织机，采用自动编织机编织180mm×180mm的编织样品。
本发明的多功能、可大批量制备、优良力学性能、超薄、轻质、耐高温、稳定宽频吸收的周期性编织电磁波吸收材料的应用，是作为电磁波吸收材料用于各种波段的电磁波吸收。
本发明的有益效果是：
本发明创新性地提出获得吸波纤维材料本征电磁参数后，利用遗传算法结合CST软件的指导，解决了目前无法获取吸波纤维材料本征电磁参数的问题，能够以吸波纤维的本征电磁参数为基础，设计算法，优化编织结构，无需大量的实验摸索，即可得到同时兼具可大批量制备、多功能、优良力学性能、超薄、轻质、稳定宽频吸收的周期性编织吸波材料。
一、采用商业的原始纤维材料，不需进行复杂的化学合成，本发明的制备工艺成本低，工艺简单，能够实现规模化生产。
二、提供了一种适用于吸波纤维材料的本征电磁参数的获取方法。
三、本发明使用软件模拟和计算代替冗杂的实验试错过程，节约了极大的实验成本和实验时间。
四、在通过编织可以制备出180mm×180mm的大尺寸样品，周期性纤维编织吸波材料的可以实现超宽的有效吸收带宽。
五、周期性纤维编织吸波材料的可以根据对于不同波段的要求、不同环境的要求等，选择不同的编织纤维进行优化，进而实现多功能化。
六、本发明制备的多功能、可大批量制备、优良力学性能、超薄、轻质、耐高温、稳定宽频吸收的周期性编织电磁波吸收材料创新之处在于获得了纤维材料的本征电磁参数，在算法和模拟的指导下优化材料的周期性结构，充分发挥了材料电磁损耗，同时与周期性结构的谐振损耗相配合，最终实现了超宽频吸收，高效且低成本地获得了一种可大批量制备、多功能、优良力学性能、超薄、轻质、稳定宽频吸收的周期性纤维编织材料。本发明应用于电磁波吸收材料领域。
附图说明
图1为实施例一所述碳纤维的SEM图；其中，a图为碳纤维整体形貌，b图为局部形貌；
图2为实施例一所述矢量网络分析仪；
图3为实施例一所述基体石蜡、碳纤维/石蜡复合材料样品电磁参数图；其中，a图为基体电磁参数图，b图为碳纤维/石蜡复合样品电磁参数图；图中，A为ε”，B为ε'；
图4为实施例一所述碳纤维本征电磁参数图；其中，A为ε”，B为ε'；
图5为实施例一所述编织结构简化编码图；
图6为实施例一所述优化后碳纤维周期结构编码图；
图7为实施例一所述180mm*180mm周期性织物图；
图8为实施例一所述弓形法设备图；
图9为实施例一所述碳纤维编织大板反射损耗RL曲线图；
图10为实施例一所述电磁波斜入射下吸收反射损耗RL曲线图，其中，A为电磁波入射角度为85°时反射损耗RL曲线，B为电磁波入射角度为45°时反射损耗RL曲线，C为电磁波入射角度为30°时反射损耗RL曲线；
图11为实施例一所述高温下吸收反射损耗RL曲线图,其中，A为温度在25℃时反射损耗RL曲线，B为温度在50℃时反射损耗RL曲线，C为温度在100℃时反射损耗RL曲线，D为温度在200℃时反射损耗RL曲线；
图12为实施例一所述极端环境下吸收反射损耗RL曲线图,其中，A为浸泡在水中30天后，反射损耗RL曲线，B为浸泡在盐酸溶液中30天后，反射损耗RL曲线，C为浸泡在氢氧化钠溶液中30天后，反射损耗RL曲线，C为保持在-18℃×30天后的反射损耗RL曲线；
图13为实施例一所述弯曲2000次后吸收反射损耗RL曲线图，其中，A为常态下反射损耗RL曲线，B为弯曲2000次后，编织大板反射损耗RL曲线；
图14为实施例一所述拉伸强度测试图；
图15为实施例一所述柔性测试图；
图16为实施例一所述制备大尺寸碳纤维周期结构编织材料图；
图17为实施例二所述基体石蜡、SiC纤维/石蜡复合样品电磁参数图，图中，A为ε”，B为ε'；
图18为实施例二所述SiC纤维本征电磁参数图，其中，A为ε'，B为ε”；
图19为实施例二所述优化后SiC纤维样品周期结构编码图；
图20为实施例二所述SiC纤维编织大板模拟反射损耗RL曲线图。
具体实施方式
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例的一种多功能、超薄、轻质、耐高温、可批量制备、优良力学性能、稳定的宽频电磁波吸收的周期性碳纤维编织材料的制备方法，具体按以下步骤进行的：
一、获取碳纤维本征电磁参数：
①、分别在60-70℃融化石蜡，将固定含量碳纤维加入，与石蜡充分分散混合，碳纤维在石蜡内部均匀分散，取向随机分布，使用模具进行压制成同轴环测试样品，并单独制备纯石蜡同轴环样品，然后测试碳纤维复合材料的电磁参数；
吸波材料测试样品尺寸：同轴环样品，外径7mm，内径3mm，高2～3mm；
②、将步骤①获得的同轴环样品放入矢量网络分析仪器中测试，获取复合材料的电磁参数；
③、将步骤②获得的电磁参数带入修正后的Maxwell–Garnett等效方程中，获取碳纤维本征电磁参数；
二、遗传算法结合CST软件优化工艺：
①、将编织结构简化为二进制代码‘0’和‘1’，编织结构为碳纤维和透波材料的混合编织，当碳纤维在玻璃纤维上方时，设定编码为‘1’，反之编码为‘0’，进一步地，通过CST软件接收随机分布的编码矩阵，并转化为几何模型，当编码为1时，编织结构中，上层结构赋予碳纤维本征电磁参数，下层结构被赋予玻璃纤维介电常数，当编码为0时，编织结构中，下层结构赋予碳纤维本征电磁参数，上层结构被赋予玻璃纤维介电常数。
②、编程使其形成随机分布的6×6的矩阵，通过CST软件接收随机分布的6×6矩阵，并转化为几何模型；
③、设计CST模拟环境，平面波沿-z方向入射到周期性结构中，建立沿x轴和y轴的周期边界条件，在周期性结构上方和下方设定监视端口，收集反射及透射数据，模拟周期性单元结构的反射损耗RL曲线；
④、设定评估函数，筛选出反射损耗RL＜-10dB的频率并统计有效吸收频宽，保存最大有效吸收频宽对应的结构与反射损耗RL曲线；
所述的分段函数为if RLfrq>-10dB，set Vfrq＝0；if RLfrq<-10dB,Vfrq＝-1，
Figure GDA0003950305630000061
式中，各标号代表RLfrq为每频率对应的反射损耗，Vfrq代表单个频率对应的评估值，Vtotal代表整个频段对应的评估值；
三、制备电磁波吸收的周期性碳纤维编织材料：
为固定碳纤维间距，在碳纤维中加入定位纱，选用对电磁波基本无损耗的玻璃纤维。
①、将步骤二获得的优化后的结构通过编织工艺实现过程，采用自动编织机编织。
②、采用弓形法测试180mm×180mm的大板吸波性能，同时进行拉伸强度，柔性测试，和弯曲后、斜入射角度下、高温下及极端环境下吸波性能测试。
③、采用自动编织机大批量制备碳纤维周期性结构吸波大板。
本实施例的短切碳纤维的SEM图如图1所示，本实施例碳纤维本征电磁参数图如图4所示，由图4可以得出通过修正后的Maxwell–Garnett获得的碳纤维本征电磁参数基本正确。本实施例的编织大板反射损耗RL曲线图如图9所示，由图9可以得出通过模拟指导碳纤维编织吸波体的策略有效，实现了32.7GHz(7.3-40GHz)的超宽频有效吸收，由图10、图11、图12、图13可知该编织大板具有耐磨、耐高温、斜入射及极端环境下稳定宽频吸收特性。
本实施例的多功能、超薄、轻质、耐高温、可批量制备、优良力学性能、稳定的宽频电磁波吸收的周期性碳纤维编织材料拉伸强度测试图如图14示，由图14以得出该编织结构具有优良的拉伸性能。柔性测试图如图15示，由图15以得出该碳纤维编织吸波体具有优良的柔性。
实施例二
本实施例的一种多功能、超薄、轻质、耐超高温(最高至1500℃)、可批量制备、稳定的宽频电磁波吸收的周期性SiC纤维编织材料的制备方法，具体按以下步骤进行的：
一、获取SiC纤维本征电磁参数：
①、分别在60-70℃融化石蜡，将短切SiC纤维分别加入，与其充分分散混合，SiC纤维在石蜡内部均匀分散，取向随机分布，使用模具进行压制成同轴环测试样品，并单独制备纯石蜡同轴环样品，然后测试SiC纤维复合材料的电磁参数；
②、将步骤①获得的同轴环样品放入矢量网络分析仪器中测试，获取SiC纤维复合材料和石蜡样品的电磁参数；
③、将步骤②获得的电磁参数带入修正后的Maxwell–Garnett等效方程中，获取SiC纤维本征电磁参数；
二、遗传算法结合CST软件优化工艺：
①、将编织结构简化为二进制代码‘0’和‘1’，编织结构为SiC纤维和透波纤维的混合编织，当SiC纤维在透波纤维上方时，设定编码为‘1’，反之编码为‘0’，进一步地，通过CST软件接收随机分布的编码矩阵，并转化为几何模型，当编码为1时，编织结构中，上层结构赋予SiC纤维本征电磁参数，下层结构被赋予透波纤维介电常数，当编码为0时，编织结构中，下层结构赋予SiC纤维本征电磁参数，上层结构被赋予透波纤维介电常数。
②、编程使其形成随机分布的6×6的矩阵，通过CST软件接收随机分布的6×6矩阵，并转化为几何模型；
③、设计CST模拟环境，平面波沿-z方向入射到周期性结构中，建立沿x轴和y轴的周期边界条件，在周期性结构上方和下方设定监视端口，收集反射及透射数据，模拟周期性单元结构的反射损耗RL曲线；
④、设定评估函数，筛选出反射损耗RL＜-10dB的频率并统计有效吸收频宽，保存最大有效吸收频宽对应的结构与反射损耗RL曲线；
三、制备电磁波吸收的周期性SiC纤维编织材料：
①、将步骤二获得的优化后的结构通过编织工艺实现过程为，采用自动编织机编织。
②、采用弓形法测试180mm×180mm的大板吸波性能，同时进行拉伸强度，柔性测试，和弯曲后、斜入射角度下、高温下及极端环境下吸波性能测试。
③、采用自动编织机大批量制备SiC纤维周期性结构吸波大板。
本实施例SiC纤维样品电磁参数图如图17示，本征电磁参数图如图18示。通过优化所得SiC纤维编织结构简化编码图如图19示。本实施例的多功能、超薄、轻质、耐高温、可批量制备、优良力学性能、稳定的宽频电磁波吸收的周期性SiC纤维编织材料反射损耗RL曲线图如图20，由图20得出该编织结构具有优良的电磁波吸收性能。
实施例三
本实施例的一种多功能、超薄、轻质、耐高温、可批量制备、优良力学性能、稳定的宽频(红外波段等)电磁波吸收的周期性Al2O3材料的制备方法，具体按以下步骤进行的：
一、获取Al2O3纤维本征电磁参数：
①、分别在60-70℃融化石蜡，将短切Al2O3纤维分别加入，与其充分分散混合，SiC纤维在石蜡内部均匀分散，取向随机分布，测试Al2O3纤维复合材料的电磁参数；
②、将步骤①获得的电磁参数带入修正后的Maxwell–Garnett等效方程中，获取Al2O3纤维本征电磁参数；
二、遗传算法结合CST软件优化工艺：
①、将编织结构简化为二进制代码‘0’和‘1’，编织结构为SiC纤维和透波材料的混合编织，当SiC纤维在透波纤维上方时，设定编码为‘1’，反之编码为‘0’，进一步地，通过CST软件接收随机分布的编码矩阵，并转化为几何模型，当编码为1时，编织结构中，上层结构赋予SiC纤维本征电磁参数，下层结构被赋予透波纤维介电常数，当编码为0时，编织结构中，下层结构赋予SiC纤维本征电磁参数，上层结构被赋予透波纤维介电常数。
②、编程使其形成随机分布的6×6的矩阵，通过CST软件接收随机分布的6×6矩阵，并转化为几何模型；
③、设计CST模拟环境，平面波沿-z方向入射到周期性结构中，建立沿x轴和y轴的周期边界条件，在周期性结构上方和下方设定监视端口，收集反射及透射数据，模拟周期性单元结构的反射损耗RL曲线；
④、设定评估函数，筛选出反射损耗RL＜-10dB的频率并统计有效吸收频宽，保存最大有效吸收频宽对应的结构与反射损耗RL曲线；
三、制备电磁波吸收的周期性Al2O3纤维编织材料：
①、将步骤二获得的优化后的结构通过编织工艺实现过程为，采用自动编织机编织。
②、采用弓形法测试180mm×180mm的大板吸波性能，同时进行拉伸强度，柔性测试，和弯曲后、斜入射角度下、高温下及极端环境下吸波性能测试。
③、采用自动编织机大批量制备Al2O3纤维周期性结构吸波大板。

Claims (10)

1.一种周期性纤维编织电磁波吸收材料的制备方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行的：
一、获取本征电磁参数：
①、将长连续纤维剪切成长度均一的短切吸波纤维，然后将短切吸波纤维与液态石蜡混合，使短切吸波纤维与石蜡充分分散，且短切吸波纤维取向随机分布，获得短切吸波复合石蜡材料样品，并准备纯石蜡样品；
②、将步骤①获得的短切吸波复合石蜡材料样品和纯石蜡样品压制成同轴环状样品，然后进行电磁参数的测量；
③、将短切吸波复合石蜡材料样品和纯石蜡样品电磁参数测试结果带入Maxwell–Garnett等效媒介模型，获取吸波纤维本征电磁参数；
二、遗传算法结合CST软件进行优化设计：
①、将编织结构简化为二进制代码‘0’和‘1’，并随机分布形成编码矩阵，通过CST软件接收随机分布的编码矩阵，并转化为几何模型，将获取的吸波纤维本征电磁参数代入模型中，获得随机分布形成编码矩阵所对应编织结构的反射损耗；
所述的编织结构为吸波纤维和透波纤维的混合编织结构；
②、依据CST软件设计CST模拟电磁环境，入射电磁波沿-z方向入射到周期性单元中，运行CST软件，模拟周期性结构单元的反射损耗，获取反射损耗曲线；
③、设定评估函数，筛选步骤①中接收到的随机分布的编码矩阵对应编织结构的反射损耗；当反射损耗＜-10dB时，判定为有效吸收并统计全部有效频宽，最终保存模拟电磁环境中电磁波最大频宽对应的编码与反射损耗曲线；
三、使用编织方法制备多功能、耐高温、宽频吸收的周期性纤维编织电磁波吸波材料：
将上述最大频宽对应的编码转化为编织上机图，输入到自动编织机，采用自动编织机编织周期性纤维编织电磁波吸波材料。
2.根据权利要求1所述的一种周期性纤维编织电磁波吸收材料的制备方法，其特征在于所述的吸波纤维为高分子纤维、金属纤维、氧化物纤维、陶瓷纤维或碳质纤维。
3.根据权利要求1所述的一种周期性纤维编织电磁波吸收材料的制备方法，其特征在于所述编织结构为上下搭接结构，所述编织结构为吸波纤维和透波纤维的混合编织，若吸波纤维在透波纤维上方，则设定编码为‘1’；若吸波纤维在透波吸波纤维下方，则设定编码为‘0’。
4.根据权利要求1或3所述的一种周期性纤维编织电磁波吸收材料的制备方法，其特征在于通过CST软件接收随机分布的编码矩阵，并转化为几何模型，当编码为1时，编织结构中，上层结构赋予吸波纤维本征电磁参数，下层结构赋予透波纤维介电常数，当编码为0时，编织结构中，下层结构赋予吸波纤维本征电磁参数，上层结构被赋予透波纤维介电常数。
5.根据权利要求1所述的一种周期性纤维编织电磁波吸收材料的制备方法，其特征在于所述的透波纤维为玻璃纤维。
6.根据权利要求1所述的一种周期性纤维编织电磁波吸收材料的制备方法，其特征在于步骤一中①所述短切吸波纤维与60℃的液态石蜡混合，并进行超声处理，使其充分分散，获得短切吸波复合石蜡材料样品，并准备纯石蜡样品。
7.根据权利要求1所述的一种周期性纤维编织电磁波吸收材料的制备方法，其特征在于步骤二中①所述的将编织结构简化为二进制代码‘0’‘1’，并随机分布形成6×6的编码矩阵。
8.根据权利要求1所述的一种周期性纤维编织电磁波吸收材料的制备方法，其特征在于步骤二③中所述的评估函数为分段函数。
9.根据权利要求1所述的一种周期性纤维编织电磁波吸收材料的制备方法，其特征在于步骤三中编织机为自动编织机，采用自动编织机编织180mm×180mm的编织样品。
10.如权利要求1制备的一种周期性纤维编织电磁波吸收材料的应用，其特征在于它是作为电磁波吸收材料用于多种波段的电磁波吸收；所述的多种波段为紫外线波段、红外线波段或微波波段。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114986916B (zh) * 2022-06-28 2023-04-07 电子科技大学 一种应用于3d打印丝材的电磁参数调控方法
CN115874321B (zh) * 2023-01-29 2023-05-30 江苏卓鹏智能机电有限公司 一种提高纱线质量的自适应管理方法及系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111074251A (zh) * 2018-10-19 2020-04-28 洛阳尖端技术研究院 吸波材料及其制备方法
CN112364524A (zh) * 2020-11-27 2021-02-12 上海无线电设备研究所 一种多铺层碳纤维复合材料的宽频段电磁参数获取方法
CN112876273A (zh) * 2021-03-17 2021-06-01 中南大学 一种耐高温吸波结构一体化陶瓷基复合材料及其制备方法
CN113373553A (zh) * 2021-07-07 2021-09-10 上海圣石生物医学科技有限公司 碳基微波吸收材料、制备方法及保健产品

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110126299B (zh) * 2019-05-29 2021-02-02 青岛理工大学 一种嵌入式共固化大阻尼电磁吸波复合材料及其制备方法和应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111074251A (zh) * 2018-10-19 2020-04-28 洛阳尖端技术研究院 吸波材料及其制备方法
CN112364524A (zh) * 2020-11-27 2021-02-12 上海无线电设备研究所 一种多铺层碳纤维复合材料的宽频段电磁参数获取方法
CN112876273A (zh) * 2021-03-17 2021-06-01 中南大学 一种耐高温吸波结构一体化陶瓷基复合材料及其制备方法
CN113373553A (zh) * 2021-07-07 2021-09-10 上海圣石生物医学科技有限公司 碳基微波吸收材料、制备方法及保健产品

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