CN114142238A - 一种基于多边形基元序构的微波/红外电磁兼容超材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多边形基元序构的微波/红外电磁兼容超材料，这种超材料为双层结构，包括微波吸收涂层与红外屏蔽超表面。其中，底层微波吸收涂层为柔性树脂与微波吸收剂的复合材料，实现对微波波段的宽频带吸收。顶层红外屏蔽超表面材质为片状高导电粉体与柔性树脂的混合物，使用简单的喷涂与压印工艺形成由多边形凸起单元周期排列构成的超结构。依靠微米级片状高导电率粉体实现对电磁波的过滤，利用毫米级多边形序构实现超表面与空气的阻抗匹配，实现红外发射率小于0.3的同时不影响微波层的电磁波吸收性能。通过结构创新将矛盾的红外屏蔽与微波吸收完美兼容于同一目标体。

Description

一种基于多边形基元序构的微波/红外电磁兼容超材料及其 制备方法
技术领域
本发明涉及一种兼容超材料，特别是基于多边形基元序构的微波与红外电磁兼容超材料。
背景技术
电磁波中蕴含的能量与信息极大推动了之后百余年电子通信、材料检测、航空航天、国防科技等领域的进步，然而电磁环境恶化的问题也日益凸显，造成电磁干扰、信息泄露、危害人体健康等不利影响。因此需要开发多波段电磁兼容材料。其中微波吸收材料要求对电磁波具有宽频段、高强度的吸收，对于波长更短的红外波段往往同样具有高吸收和高发射能力，而红外波段的热效应会对电子设备的安全与寿命和人体安全产生威胁。此外，红外屏蔽材料对电磁波具有高反射，阻止电磁波的进入。二者机理层面的冲突严重阻碍了电磁兼容材料的发展。目前，科研人员已经提出了许多方法在同一物体上兼容红外屏蔽和微波吸收性能。传统的兼容方法，如材料的复合和表面改性，纳米材料，导电聚合物，以及掺杂氧化物半导体等材料在实现红外低发射率的同时会损害材料的微波吸收性能，使吸收带宽变窄或吸收效率降低。而结构层面的创新可以将两种相互矛盾的性能兼容在同一目标体上。超材料是一种理想的兼容材料解决方案，许多研究人员通过超材料实现滤波性能，利用红外与微波波段的波长差异实现二者的兼容。然而，目前的兼容超材料由于吸波机理的限制具有较大的厚度，一般大于3mm～5mm。所使用的介质也往往是刚性的，这极大限制了电磁兼容材料在复杂环境与不规则表面上的应用。并且复杂的超材料结构对加工方式提出了较高的要求。
发明内容
本发明的目的是弥补现存微波/红外电磁兼容材料的不足，提出一种结合了涂层与多边形基元序构超表面的微波/红外电磁兼容结构。该结构具有厚度薄、柔性好，制备简单的特点，通过微米级片状低发射率填料实现对微波与红外波的不同响应，通过毫米级超表面结构对涂层的阻抗匹配进行调节。在保证红外发射率低于0.3的同时基本不对微波波段的吸收产生干扰。
本发明技术方案如下：
一种基于多边形基元序构的微波/红外电磁兼容超材料及其制备方法，其特征在于：所述微波/红外电磁兼容超材料为双层结构，包括微波吸收涂层与红外屏蔽超表面。其中，底层微波吸收涂层为柔性树脂与吸波剂复合材料。红外屏蔽超表面使用喷涂与压印方法形成由多边形凸起单元周期排列构成的超表面，这些多边形边长1mm～5mm可调，相邻多边形间隙宽度0.01mm～1mm，间隙厚度5μm～35μm，间隙厚度为间隙底部的厚度；凸起部分厚度50μm～120μm。多边形形状包括正三角形、正方形、正六边形与多边形组合。超表面材料为柔性树脂与高导电金属的片状粉末，粉末粒径1μm～30μm。间隙部分导电金属粉末含量为凸起部分的5％～60％。通过微米级低发射率填料实现对微波与红外波的不同响应，通过毫米级超表面结构对涂层的阻抗匹配进行调节。在保证红外发射率低于0.3的同时基本不对微波的吸收产生干扰。所用的吸波剂粉体包括羰基铁、铁氧体、炭黑、碳纳米管、铁基合金、高熵合金等。高导电金属片状粉末包括铝、铁、铜、银、金、铁基合金、高熵合金等。电导率为1×105～3×105S/cm。
上述微波/红外电磁兼容超材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将微波吸收剂与柔性树脂按一定比例混合，经超声分散3～30min，机械搅拌3～30min，再重复一次上述过程后将混合物均匀涂覆至200mm×200mm×1.5mm的铝板上形成均匀涂层。
(2)将高导电金属片状粉末与柔性树脂按一定比例混合，加入稀释剂稀释至喷枪所要求的粘度范围，重复步骤(1)中分散与机械搅拌操作，随后均匀喷涂至0.05mm～0.5mm厚度的柔性透波薄膜上。
(3)使用多边形模具均匀压在漆膜表面，用平板压覆，同时均匀施加压力，保持30～60s。随后取下模具，在漆膜表面压出周期排列的多边形凸起。
(4)待微波吸收涂层与红外屏蔽超表面固化后将二者使用胶黏剂连接。
所述步骤(2)中，喷涂工艺按GB 1727-92《漆膜一般制备法》喷涂，喷涂厚度50μm～120μm。步骤(3)中，所述柔性透波薄膜包括PC、PE、ABS、PP、PA薄膜。步骤(4)中，所选用的胶黏剂包括硅橡胶、氯丁橡胶、环氧树脂、酚醛树脂、聚丙烯酸树脂、聚氯乙烯树脂等，与涂层所用柔性树脂搭配使用。
所述步骤(1)中，微波吸收剂与柔性树脂用量质量比为1:0.5～1:6。
所述步骤(2)中，高导电金属片状粉末与柔性树脂用量质量比为1:0.05～1:3
本发明同现有技术相比，具有以下优点：
本发明中的微波/红外电磁兼容超材料结构首次使用压印技术巧妙地将涂层与超材料结构结合到一起。与传统电磁兼容材料相比，其超表面结构可以实现对不同波段的分别调控，反射微米波而透过毫米波，在实现红外低发射率的同时基本不影响对微波的吸收效果，具有优异的兼容性能。其次与现存其他超材料相比，与涂层结合后使其具有涂层薄、轻、宽、柔的性质，对于特殊环境与复杂表面的适应性有了很大提高，此外加工难度也大大降低。这种兼具超材料与涂层的优势的兼容超材料在商用、军用等领域具有更广阔的前景。
附图说明
图1为基于六边形结构的微波/红外电磁兼容超材料及所用模具示意图。
图2为本发明实施例1铝粉与聚氨酯涂层的表面与截面扫描电镜图。
图3为本发明实施例1的微波/红外电磁兼容材料实物图与六边形序构超表面的局部顺光、背光照片。
图4为本发明实施例1的不同配比表层六边形结构红外屏蔽层的2～22μm波段红外发射率。
图5为本发明实施例1中表层无结构双层涂层与表层六边形序构超材料的2～18GHz波段吸收性能。
具体实施方式
为了更直观地了解本发明，下面将结合附图说明本发明的具体实施方式。
实施例1
一种基于六边形序构的微波/红外电磁兼容超材料，图1为基于六边形序构超表面的微波/红外电磁兼容材料及所用模具示意图。兼容材料为双层结构，底层为微波吸收层，表层为红外屏蔽超表面。六边形结构在整个平面内密排，间隙部位形成透波通道。其中微波吸收层为聚氨酯与片状羰基铁按质量比1:2.5搭配的复合材料，其厚度为1mm。表层红外屏蔽层为喷涂在0.2mm厚PC薄膜上的聚氨酯与片状铝粉分别按质量比1:0.1、1:0.2、1:0.3、1:0.4混合的复合材料，片状铝粉粒径为10μm，间隙部分厚度为20μm，凸起部分厚度为80μm。间隙部分铝粉含量为凸起部分的30％。六边形结构由图1中蜂窝模具压印形成，所使用模具为边长为3.5mm，六边形间隙为0.2mm的芳纶蜂窝。上述片状铝粉购自上海杳田纳米科技有限公司，片状羰基铁购自陕西兴化化工有限公司，聚氨酯购自上海鹤城高分子材料有效公司。
本实施例中基于六边形序构的微波/红外电磁兼容超材料具体制备步骤如下：
(1)首先将所用的聚氨酯与片状羰基铁粉末按照质量比1:2.5混合，在搅拌机上以800rpm的转速搅拌15分钟，接着超声处理15分钟，待FCIP分散之后，将其他所需助剂，如稀释剂、消泡剂等按照比例加入到混合物中，重复上述搅拌-超声处理半小时；随后加入固化剂，将混合浆料涂覆在200mm×200mm的铝板上形成厚度为1mm的涂层，置于室温中使其固化制备出片状羰基铁平板涂层。
(2)将聚氨酯与10μm粒径的片状铝粉分别按质量比1:0.1、1:0.2、1:0.3、1:0.4混合配制红外屏蔽层涂料，在搅拌机上以800rpm的转速搅拌15分钟，接着超声处理15分钟，待填料分散之后，将稀释剂、消泡剂等助剂加入到混合物中保证混合物粘度符合喷枪喷涂要求，搅拌-超声处理半小时；加入固化剂后，使用无气喷枪将混合涂料均匀喷涂在0.2mm的PC薄膜上，喷涂过程中喷枪枪头距喷涂表面20～30cm，沿同一方向均匀移动，相邻两道漆膜之间重复1/3，使表面薄膜均匀。其中每个比例喷涂两块薄膜，形成实施例组与对照组两组。将对照组置于空气中固化，形成无结构的红外屏蔽薄膜。
(3)表层的六边形结构使用模具压印的方法制备。模具的六边形边长为3.5mm，六边形间隙为0.2mm。在铝粉-聚氨酯薄膜喷涂完成后取步骤(2)中的实施例组，将蜂窝结构模具轻轻压在喷涂后的涂料上进行压印，施加均匀向下的压力压印40s后取下模具，将涂层置于室温中使其固化，形成表层六边形序构的红外屏蔽薄膜。
(4)将步骤(2)和(3)中制备的红外屏蔽薄膜置于步骤(1)中固化后的微波吸收涂层表面，二者之间使用胶黏剂进行结合，分别形成无结构的双层微波/红外兼容材料和基于六边形序构的微波/红外电磁兼容超材料。
图2为本发明实施例1铝粉与聚氨酯涂层的表面与截面扫描电镜图，喷涂后10μm的片状铝粉均匀分布在红外屏蔽层中。图3为本发明实施例1的微波/红外电磁兼容超材料的实物图与红外超表面局部放大后的顺光与背光照片。使用蜂窝模具压印时，间隙处大部分铝粉被挤压到六边形内部，在顺光条件下观察时六边形和间隙处存在厚度差异，六边形处较厚，间隙处较薄。其中间隙部分为压印后残留的聚氨酯和微量的铝粉组成的混合物。在背光条件下，可以观察到规则的六边形结构。
实施例1中的微波/红外电磁兼容超材料具有良好的兼容性能。所制备的六边形序构红外屏蔽超表面具有较低的红外发射率，其中质量比为Al:PU＝0.2:1的涂层的红外发射率达到使用标准0.3以下，具有良好的红外屏蔽性能。与此同时，结构化之后涂层的微波吸收性能有了较大提高。将步骤(4)中所制备的无结构的双层微波/红外兼容材料和基于六边形序构的微波/红外电磁兼容超材料的反射损耗曲线进行对比。当覆盖无结构的低红外屏蔽薄膜时，涂层的最大有效吸收带宽仅为7.8GHz，与步骤(1)中所制备的单层片状羰基铁平板涂层的有效吸收带宽8.7GHz相比损失了接近1GHz，吸收峰明显向低频移动。而压印了六边形结构的低红外发射率超表面可以在具有优异的红外屏蔽性能的同时，使整体的吸波性能与单层片状羰基铁平板涂层基本无异。有效吸收带宽仍能保持在8.6GHz，吸收峰位置与吸收强度也无明显改变。这种结构将微波吸收与红外屏蔽完美兼容在同一目标体上，具有广阔的应用前景。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多边形基元序构的微波/红外电磁兼容超材料，其特征在于：
所述微波/红外电磁兼容超材料为双层结构，
包括位于底层的微波吸收涂层与位于顶层红外屏蔽超表面；
其中，底层微波吸收涂层为柔性树脂与吸波剂的复合材料；
所述吸波剂包括羰基铁、铁氧体、炭黑、碳纳米管、铁基合金、高熵合金粉体；
红外屏蔽超表面设有多边形凸起单元周期排列构成的超结构，这些多边形边长1mm～5mm可调，相邻多边形间隙宽度0.01mm～1mm，间隙厚度5μm～35μm，凸起部分厚度50μm～120μm；所述红外屏蔽超表面材料为柔性树脂与高导电金属的片状粉末的复合材料，所述高导电金属电导率范围为1×105～3×105S/cm。
2.如权利要求1所述的材料，其特征在于：所述高导电金属包括铝、铁、铜、银、金、铁基合金、高熵合金中的一种或多种，所述高导电金属的片状粉末粒径为1μm～30μm。
3.如权利要求1所述的材料，其特征在于：所述多边形单元包括正三角形、正方形、正六边形与多边形组合。
4.如权利要求1～3任意一项所述的微波/红外电磁兼容超材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将微波吸收剂与柔性树脂按一定比例混合，经超声分散，机械搅拌，均匀涂覆至基板表面形成均匀涂层；
(2)将高导电金属片状粉末与柔性树脂按一定比例混合，加入稀释剂稀释至喷枪要求粘度范围重复步骤(1)中分散与搅拌操作，随后均匀喷涂至0.05mm～0.5mm厚度的柔性透波薄膜上；
(3)使用多边形模具均匀压在红外屏蔽漆膜表面，施加压力，随后取下模具，在薄膜上压出周期排列的多边形凸起；
(4)待微波吸收涂层与红外屏蔽超表面固化后将二者使用胶黏剂连接，其中红外屏蔽超表面多边形凸起在上表面。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，喷涂厚度50μm～120μm；所述步骤(1)中，超声分散3～30min，机械搅拌3～30min；再重复一次超声分散和机械搅拌的过程。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所选用的胶黏剂包括硅橡胶、氯丁橡胶、环氧树脂、酚醛树脂、聚丙烯酸树脂、聚氯乙烯树脂，与涂层所用柔性树脂搭配使用。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，(3)使用多边形模具上部用平板压覆，同时均匀施加压力，保持30～60s。
8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述基板包括铝板、铝合金板、铁板、铁合金板、铜板、铜合金板；述步骤(2)中，所述柔性透波薄膜包括PC、PE、ABS、PP、PA薄膜。
9.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，微波吸收剂与柔性树脂用量质量比为1:0.5～1:6。
10.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，高导电金属片状粉末与柔性树脂用量质量比为1:0.05～1:3。
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