CN114214866A - 一种磁损耗芳纶纸、吸波蜂窝及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种磁损耗芳纶纸、吸波蜂窝及制备方法，属于功能材料技术领域，该磁损耗芳纶纸包括芳纶纸和混杂在芳纶纸中的磁性吸收剂，该磁性吸收剂为纤维状磁性吸收剂和片状磁性吸收剂中的一种或两种，该纤维状磁性吸收剂的长度为2mm～16mm，该片状磁性吸收剂的大小为10μm～1.5mm，二者尺寸均小于所需吸收的电磁波波长的四分之一；该磁性吸收剂质量占磁损耗芳纶纸总质量的1％～15％。既具有高的磁损耗、稳定的磁导率、大的磁导率调控范围，又具有高的高温尺寸稳定性、高的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁损耗芳纶纸、吸波蜂窝及制备方法，属于功能材料技术领域。
背景技术
芳纶纸蜂窝是一种新型的轻质结构夹芯材料，具有密度低、力学性能高、耐热性能好等优点，主要用于轻质夹层结构中。传统的芳纶纸蜂窝具有优异的电磁波透过性能，但不具有电磁波吸收性能，无法直接用于吸波领域。通过物理或化学方法，对芳纶纸蜂窝进行改性处理，得到芳纶吸波蜂窝，应用于轻质夹层结构中，可满足结构/吸波一体化的需求。
基于上述背景，若要开发具有电磁损耗功能的芳纶纸吸波蜂窝，常规的思路则是通过在芳纶纸透波蜂窝壁上引入电磁波吸收剂的方式来实现。目前，现有芳纶纸吸波蜂窝大多先将不具有电磁损耗功能的普通芳纶纸制备成芳纶纸透波蜂窝，再在芳纶纸透波蜂窝的蜂窝壁上浸渍电磁波吸收剂胶液，最后固化成型得到吸波蜂窝。浸渍工艺无法应用大长径比碳纤维和磁性纤维类吸收剂，导致芳纶纸吸波蜂窝磁损耗性能低，另外浸渍工艺可控性差，造成芳纶纸吸波蜂窝的电磁性能稳定性不高。另外一种思路是在芳纶纸抄造过程中将碳纤维、磁性纤维或片状磁性吸收剂等混杂到纸浆中，制备具有介电损耗或磁损耗的吸波芳纶纸，再将吸波芳纶纸制备成芳纶纸吸波蜂窝。其中，掺混碳纤维形成的吸波蜂窝多针对高频电磁波吸收，而针对低频电磁波吸波则需要掺混磁性吸收剂。常用的磁性吸收剂主要为片状或纤维状，其物理形貌有利于掺混造纸工艺的实现，从而实现磁性吸收剂在芳纶纸吸波蜂窝中的应用，获得较高的磁损耗性能。另外，该方法的混杂工艺一致性的控制性较好，能够使芳纶纸吸波蜂窝的电磁损耗性能具有较高的稳定性。目前该种磁损耗芳纶纸吸波蜂窝还未见报道。
专利200410037774.8公开了一种磁性纤维芳纶纤维合成纸及湿法抄造方法，该合成纸由芳纶纤维、磁性纤维和粘结纤维组成，并且经过表面施胶处理，该合成纸并不适合制作吸波蜂窝，原因是该合成纸添加熔点较低的聚酯纤维或聚苯硫醚纤维作为粘结纤维，其热压后易收缩变形，导致基于该合成纸制造的蜂窝高温尺寸稳定性差，另外该合成纸表面进行施胶处理，其对树脂的浸透性降低，导致基于该合成纸制作的蜂窝力学性能差。专利201910603007.5公开了一种高性能磁性纤维/间位芳纶沉析纤维纸基复合材料及其制备方法，该纸基复合材料由芳纶沉析纤维和磁性纤维组成，该纸基复合材料也不适合制作吸波蜂窝，原因是该纸基复合材料不含芳纶短切纤维，其力学性能低，导致基于该纸基复合材料制作的蜂窝力学性能差。专利200410037774.8公开的合成纸和专利201910603007.5公开的纸基复合材料均不是面向吸波用途，因此均未公开如何根据所需吸收的电磁波波长选择磁性纤维的长度与添加量，无法直接用于芳纶纸吸波蜂窝制作。发明专利申请CN112553942A公开了一种介电损耗芳纶纸、吸波蜂窝及制备方法，是在芳纶纸造纸过程中掺混一定含量的碳纤维，获得吸波芳纶纸，再制备得到具有介电损耗的吸波蜂窝。该类吸波蜂窝不具有磁性损耗能力，其主要针对高频电磁波的吸收。同时，该专利申请中指出碳纤维长度的选择与所需吸收的电磁波波长相关，小于所需吸收的电磁波波长的四分之一；当所需吸收的电磁波波长小于或等于300mm同时大于60mm时(1GHz～5GHz)，碳纤维长度在8mm～16mm之间选择；当所需吸收的电磁波波长小于或等于60mm同时大于30mm时(5GHz～10GHz)，碳纤维长度在4mm～8mm之间选择；当所需吸收的电磁波波长小于或等于30mm同时大于15mm时(10GHz～20GHz)，碳纤维长度在2mm～4mm之间选择。该专利申请仅对1GHz～20GHz吸波范围的碳纤维长度进行了规定，未针对更低频率的电磁波(1GHz以下)。1GHz以下电磁波的吸收需要依靠磁性吸收剂，该专利申请中未涉及。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种既具有高的磁损耗、稳定的磁导率、大的磁导率调控范围，又具有高的高温尺寸稳定性、高的力学性能的磁损耗芳纶纸、吸波蜂窝及制备方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案如下：
一种磁损耗芳纶纸，包括芳纶纸和混杂在芳纶纸中的磁性吸收剂，该磁性吸收剂为纤维状磁性吸收剂和片状磁性吸收剂中的一种或两种，该纤维状磁性吸收剂的长度为2mm～16mm，该片状磁性吸收剂的大小为10μm～1.5mm，二者尺寸均小于所需吸收的电磁波波长的四分之一；该磁性吸收剂质量占磁损耗芳纶纸总质量的1％～15％。
进一步地，磁性吸收剂材料为羰基铁、铁氧体、铁硅铝中的至少一种，磁性吸收剂的种类根据吸收电磁波的频段进行选择，主要依据该类吸收剂在该频段内具有高的磁导率和磁损耗。
一种吸波蜂窝，由上述的磁损耗芳纶纸通过蜂窝制备方法制备得到，该制备方法的步骤包括粘芯条胶、叠层、热压、拉伸、浸胶、烘干及固化，属于公知技术，具体工艺参数，根据实际生产需要进行确定。
一种磁损耗芳纶纸的制备方法，包括以下步骤：
1)制备吸波纸浆，吸波纸浆的成分包括磁性吸收剂、芳纶短切纤维、芳纶浆粕、水和分散剂，其中该磁性吸收剂为纤维状磁性吸收剂和片状磁性吸收剂中的一种或两种，该纤维状磁性吸收剂的长度为2mm～16mm，该片状磁性吸收剂的大小为10μm～1.5mm，二者尺寸均小于所需吸收的电磁波波长的四分之一；该磁性吸收剂质量为磁损耗芳纶纸总质量的1％～15％；纸浆制备工艺为本领域公知技术，包括磁性吸收剂疏解分散成悬浮液，芳纶短切纤维疏解分散成悬浮液，芳纶浆粕疏解分散成悬浮液，磁性吸收剂、芳纶短切纤维和芳纶浆粕悬浮液共混制备吸波纸浆，具体工艺参数，根据实际生产需要确定；
2)利用步骤1)配制的吸波纸浆，制备磁损耗芳纶纸；芳纶纸制备工艺为本领域公知技术，包括吸波纸浆抄造制备磁损耗芳纶纸原纸，原纸热压成最终的磁损耗芳纶纸等步骤，具体工艺参数，根据实际生产需要确定。
进一步地，磁性吸收剂材料为羰基铁、铁氧体、铁硅铝中的至少一种，磁性吸收剂的种类根据吸收电磁波的频段进行选择，主要依据该类吸收剂在该频段内具有高的磁导率和磁损耗。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明在造纸环节将磁性吸收剂混杂到芳纶纸内部，根据所需吸收的电磁波波长选择特定长度范围和特定含量范围的磁性吸收剂，使磁损耗芳纶纸具有高的磁损耗；其中，磁性吸收剂选用纤维状磁性吸收剂和片状磁性吸收剂时从两个方面考虑：一是芳纶纸制造工艺，纤维状的磁性吸收剂更容易与芳纶纤维掺混，制备吸波芳纶纸，且添加量可更高；而片状磁性吸收剂的加入会不利于造纸，添加量较低。二是低频吸波效率方面：片状磁性吸收剂的吸波效率更高，且取向性不明显；而纤维状磁性吸收剂加入芳纶纸中，易形成取向，造成正交两个方向电磁性能存在极大的差异。一般情况下，仅选用一种磁性吸收剂的一种形态进行制备吸波芳纶纸，如磁性吸收剂仅为片状的羰基铁；特殊情况会选用两种磁性吸收剂，如片状的羰基铁和片状铁硅铝、铁纤维和片状铁硅铝。
(2)本发明磁损耗芳纶纸的磁特性可通过改变磁性吸收剂的添加量在较大范围内调控，使制备的芳纶纸吸波蜂窝的磁导率可在大范围内调控，进而为芳纶纸吸波蜂窝在多层吸波材料中的应用提供了较大的设计空间；
(3)本发明磁损耗芳纶纸与普通芳纶纸相比仅仅添加了少量的磁性吸收剂，使磁损耗芳纶纸除磁性能外的其他性能与普通芳纶纸相当，进而使制备的芳纶纸吸波蜂窝保持了与芳纶纸普通蜂窝相当的优异的力学性能。
附图说明
图1为本发明磁损耗芳纶纸示意图(侧视)；
图2为本发明磁损耗芳纶纸示意图(主视)；
图3为本发明吸波蜂窝制备流程图；
图4A、4B、4C、4D、4E、4F为实施例1吸波蜂窝电磁参数测试曲线；
图5A、5B、5C、5D为实施例2吸波蜂窝电磁参数测试曲线。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。
实施例1
本实施例制备的磁损耗芳纶纸如图1所示，由芳纶纸和混杂在芳纶纸中的片状铁硅铝吸收剂(片状磁性吸收剂)组成，片状铁硅铝吸收剂的尺寸为0.5mm～1.5mm，直接选用的片状铁硅铝尺寸是一个范围，呈正态分布，选用的0.5～1.5mm的片状铁硅铝，80％尺寸为0.9～1.1mm，20％为其他尺寸。铁硅铝吸收剂质量占磁损耗芳纶纸总质量的1.5％，磁损耗芳纶纸的定量为120g/m2，厚度为80μm。
制备方法：
(1)将铁硅铝吸收剂、芳纶短切纤维、芳纶浆粕分别加到含有分散剂的水中疏解分散后混合，制备吸波纸浆；
(2)将第一步得到的吸波纸浆通过抄造、热压工艺制备磁损耗芳纶纸。
将制得的磁损耗芳纶纸通过粘芯条胶、叠层、热压、拉伸、浸胶、烘干、固化工艺，按照孔格边长1.83mm、密度85kg/m3控制工艺，制得吸波蜂窝，对其进行平压强度测试，结果为2.79MPa，对其进行2.6GHz～3.95GHz频段的电磁参数测试(介电常数，介电损耗，磁导率和磁损耗)，结果如图4A、图4B、图4C、图4D所示。制备得到的吸波蜂窝在2.6GHz～3.95GHz频率范围内具有介电损耗能力，介电常数实部为13～14.5，介电损耗为0.57～0.66；同时还具有较好的磁损耗能力，磁损耗为0.09～0.11。对其低频0.1GHz～1.5GHz频段内的磁导率进行测试，结果如图4E和4F所示。在0.1GHz～1.5GHz频率范围内，吸波蜂窝具有更加优异的磁损耗能力，为0.05～0.45，在较宽的范围内磁损耗高于0.2。
实施例2
制备方法：
与实施例1不同的是，纤维状磁性吸收剂采用纤维状羰基铁，长度为16mm，质量占磁损耗芳纶纸总质量的4.5％，其余均与实施例1相同。
将制得的磁损耗芳纶纸通过粘芯条胶、叠层、热压、拉伸、浸胶、烘干、固化工艺，按照孔格边长1.83mm、密度100kg/m3控制工艺，制得吸波蜂窝，对其进行平压强度测试，结果为3.63MPa，对其进行2.6GHz～3.95GHz频段的电磁参数测试(介电常数，介电损耗，磁导率和磁损耗)，结果如图5A、图5B、图5C、图5D所示。制备得到的吸波蜂窝在2.6GHz～3.95GHz频率范围内具有更高的介电损耗能力，介电常数实部为15.4～17.9，介电损耗为0.63～0.76；同时还具有一定的磁损耗能力，磁损耗为0.07～0.08。
实施例3
与实施例1不同的是，片状铁硅铝吸收剂的大小为10～50μm，质量占磁损耗芳纶纸总质量的1％，其余均与实施例1相同。
制得吸波蜂窝，对其进行平压强度测试，结果为3.10MPa，对其进行2.6GHz～3.95GHz频段的电磁参数测试(介电常数，介电损耗，磁导率和磁损耗)。制备得到的吸波蜂窝在2.6GHz～3.95GHz频率范围内具有介电损耗能力，介电常数实部为11～12.5，介电损耗为0.47～0.56；同时还具有较好的磁损耗能力，磁损耗为0.07～0.08。对其低频0.1GHz～1.5GHz频段内的磁导率进行测试，吸波蜂窝具有一定的的磁损耗能力，为0.03～0.30，在较宽的范围内磁损耗高于0.1。
实施例4
与实施例1不同的是，磁性吸收剂为片状铁硅铝吸收剂(大小为50-100μm)和纤维状铁氧体(长度为2mm)，质量占磁损耗芳纶纸总质量的15％，其余均与实施例1相同。
制得吸波蜂窝，对其进行平压强度测试，结果为2.56MPa，对其进行2.6GHz～3.95GHz频段的电磁参数测试(介电常数，介电损耗，磁导率和磁损耗)。制备得到的吸波蜂窝在2.6GHz～3.95GHz频率范围内具有介电损耗能力，介电常数实部为20～22.5，介电损耗为0.70～0.82；同时还具有优异的的磁损耗能力，磁损耗为0.30～0.60。
实施例5
与实施例1不同的是，磁性吸收剂为片状铁硅铝吸收剂(大小为1mm～1.5mm)和纤维状铁氧体(长度为8mm)，质量占磁损耗芳纶纸总质量的10％，其余均与实施例1相同。
制得吸波蜂窝，对其进行平压强度测试，结果为2.68MPa，对其进行2.6GHz～3.95GHz频段的电磁参数测试(介电常数，介电损耗，磁导率和磁损耗)。制备得到的吸波蜂窝在2.6GHz～3.95GHz频率范围内具有介电损耗能力，介电常数实部为15～18.5，介电损耗为0.59～0.75，同时还具有较好的磁损耗能力，磁损耗为0.22～0.48。对其低频0.1GHz～1.5GHz频段内的磁导率进行测试，吸波蜂窝具有一定的的磁损耗能力，为0.15～0.40，在较宽的范围内磁损耗高于0.3。
对比例
与实施例1不同的是，吸收剂为碳纤维，长度为6mm，碳纤维质量占介电损耗芳纶纸总质量的1.5％，制备得到的吸波蜂窝密度为54kg/m3。对其进行平压强度测试，结果为2.79MPa。对其进行2.6GHz～3.95GHz频段的电磁参数测试(介电常数，介电损耗，磁导率和磁损耗)。吸波蜂窝在2.6GHz～3.95GHz频率范围内仅具有介电损耗能力，介电常数实部为2.5～4.8，介电损耗为0.20～0.35；不具备磁损耗能力。
本发明将磁性吸收剂掺混到芳纶纸中，制备得到的吸波蜂窝同时具有介电损耗和磁损耗的吸波能力，且性能更加优异。磁性吸收剂的加入可使吸波蜂窝具有更低频率电磁波的吸收能力，电磁性能可设计性更强，有利于该类吸波蜂窝的广泛应用。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的适当修改或者等同替换，均应涵盖于本发明的保护范围内，本发明的保护范围以权利要求所限定者为准。
Claims (5)
1.一种磁损耗芳纶纸，其特征在于，包括芳纶纸和混杂在芳纶纸中的磁性吸收剂，该磁性吸收剂为纤维状磁性吸收剂和片状磁性吸收剂中的一种或两种，该纤维状磁性吸收剂的长度为2mm～16mm，该片状磁性吸收剂的大小为10μm～1.5mm，二者尺寸均小于所需吸收的电磁波波长的四分之一；该磁性吸收剂质量占磁损耗芳纶纸总质量的1％～15％。
2.如权利要求1所述的磁损耗芳纶纸，其特征在于，磁性吸收剂材料为羰基铁、铁氧体、铁硅铝中的至少一种。
3.一种吸波蜂窝，由权利要求1或2所述的磁损耗芳纶纸通过蜂窝制备方法制备得到，该蜂窝制备方法的步骤包括粘芯条胶、叠层、热压、拉伸、浸胶、烘干及固化。
4.一种磁损耗芳纶纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备吸波纸浆，吸波纸浆的成分包括磁性吸收剂、芳纶短切纤维、芳纶浆粕、水和分散剂，其中该磁性吸收剂为纤维状磁性吸收剂和片状磁性吸收剂中的一种或两种，该纤维状磁性吸收剂的长度为2mm～16mm，该片状磁性吸收剂的大小为10μm～1.5mm，二者尺寸均小于所需吸收的电磁波波长的四分之一；该磁性吸收剂质量为磁损耗芳纶纸总质量的1％～15％；
2)利用步骤1)配制的吸波纸浆，制备磁损耗芳纶纸。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，磁性吸收剂材料为羰基铁、铁氧体、铁硅铝中的至少一种。
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