CN114498067A - 一种磁性吸波超材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁性吸波超材料，包括基体材料；以及超材料单元阵列，设置在基体材料上，包括多个超材料单元，多个超材料单元为点阵排列；超材料单元和基体材料均包括软磁粉体和高分子基材，超材料单元中的软磁粉体的质量占比为50％‑80％，述软磁粉体沿着磁力堆积成形，基体材料中的软磁粉体的质量占比为20％‑60％。该材料能够较好的吸收较宽频的电磁波。本发明还提供了一种磁性吸波超材料的制备方法，该方法简单、高效。

Description

一种磁性吸波超材料及其制备方法
技术领域
本发明属于吸波材料领域，具体涉及一种磁性吸波超材料及其制备方法。
背景技术
随着通讯技术的发展，多天线干扰、电磁辐射和污染等问题愈加严重，电磁波吸收(吸波)需求也愈来愈迫切。现代的电子产品，功能越来越强大，电子线路也越来越复杂，电磁干扰(EMI)问题越来越突出，抗电磁干扰用吸波材料逐步体现出他的价值。
电磁兼容设计实际上就是针对电子产品中产生的电磁干扰进行最佳化设计，使之能成为符合各国或地区电磁兼容性标准的产品，而很多电子产品的设计无法完全从根源上消除电磁干扰，此时EMI问题的最终解决就需要用到吸波材料。
吸波材料能将电磁波能量转换成其它形式的能量而损耗衰减掉，吸波材料最早应用在隐身技术领域，用于吸收衰减雷达波信号，提高武器装备系统的防雷达探测能力。随着电子通讯技术的迅猛发展及现代军事工程应用技术不断进步，电磁兼容和抗电磁辐射干扰也亟需一种宽频化、结构化等多重功能的吸波材料。
传统吸波片大多由单层吸波片组成，以吸波材料与复合基体成型，赋予特定厚度，实现在特定频段的电磁波吸收性能。随着吸波场景的多样化，演变出多层宽频吸波和结构设计超材料吸波等多种特殊设计的吸波片。
超材料通过设计单元的结构、排布方式以及设置电磁参数就能够实现对散射电磁波的频率、极化、幅度和相位等特性的灵活调控，因此超材料在吸波领域获得了广泛关注。超材料吸波体主要是利用自身结构的谐振损耗吸收电磁波。
根据损耗机理不同可以将吸波材料分为电阻损耗型、介质电损耗型和磁损耗型。磁损耗型吸波材料通常采用铁氧体、羰基铁粉和金属软磁粉体等具有磁性的材料作为吸收剂，相比而言具有能在8～18GHz具有良好吸波性能，而在4～8GHz的吸波性能不理想，且其比重大、力学强度低，不能满足工程实际对吸波材料的综合性能要求。且在制备过程中，复杂的模具及结构单元极大地增加了成本，这成为制约其发展的关键因素。
发明内容
本发明提供了一种磁性吸波超材料，该材料能够较好的吸收较宽频的电磁波。
一种磁性吸波超材料，包括：
基体材料；
以及超材料单元阵列，设置在基体材料上，包括多个超材料单元，所述多个超材料单元为点阵排列；
所述超材料单元和基体材料均包括软磁粉体和高分子基材，所述超材料单元中的软磁粉体的质量占比为50％-80％，所述软磁粉体沿着磁力堆积成形，基体材料中的软磁粉体的质量占比为20％-60％。
所述超材料单元阵列中的超材料单元中心间距为5-15mm。
所述超材料单元为高度为1-5mm，直径为2-10mm的半球体。
由于超材料单元与基体软磁粉体浓度的差异，吸波材料的磁导率与介电常数出现规律性分布，加上结构单元的尺寸变化与阵列间距的不同，入射吸波材料内的电磁波随阵列出现耦合共振，有效提高了吸波片的阻抗匹配度(即吸波材料阻抗与自由空间阻抗比值接近1)，进而提升吸波性能与有效吸收带宽。
所述软磁粉体为Ce2Fe17N3粉体、羰基铁粉中的一种或两种。
所述软磁粉体为片状软磁粉体。
所述软磁粉体的粒径小于10μm，径厚比为20-100:1。
软磁粉体粒径小于10μm，可以获得更高的截止频率，才能够应用于GHz频段。片状化的磁粉具有更好的形状各项异性，且自然共振频率和磁导率都有所提升，并且易于在磁场作用下取向分布，有利于增加吸波性能。而合适的径厚比可以保证磁粉介电常数不会因片状化而过高，防止因介电常数过高引起阻抗匹配失配。
所述高分子基材为低密度高分子材料，包括：聚烯烃、硅胶、环氧树脂、聚氨酯的一种或多种。
所述聚烯烃为PE、PP或PB。
所述磁性吸波超材料的厚度为2-10mm。
所述磁性吸波超材料的应用频段在1-40GHz。
本发明还公开了一种磁性吸波超材料的制备方法，包括：
将片状软磁粉体与高分子基材混合均匀得到混合物，其中，软磁粉体的质量分数为30％-70％；
将所述混合物流延于PET薄膜上得到复合片，将所述复合片置于亚克力板上2-10min时间得到超材料单元阵列，其中，所述亚克力板上具有点阵分布且N极向上的多个永磁圆柱体，所述超材料单元中的片状软磁粉体沿着磁力线排布；
对所述超材料单元阵列加热、固化成型得到磁性吸波超材料。
本发明通过亚克力板上的永磁圆柱体，将具有一定粘度的复合片中的软磁粉体进行聚集形成具有较高软磁粉体质量分数的超材料单元，且基于永磁圆柱体的点阵排列，形成多个超材料单元点阵分布在具有较低软磁粉体质量分数的基体材料中，这是由于软磁粉体具有较高的磁感应强度，在永磁圆柱体磁场作用下，会往接近方向靠拢，进而形成较高软磁粉体质量分数的超材料单元。且基于永磁圆柱体的N极向上的磁性方向，使得超材料单元中的软磁粉体沿着不受相邻磁体干扰，可以获得稳定形态的半球形超材料单元。
所述永磁圆柱体的剩余磁化强度为0.5-1.35T。
所述永磁圆柱体的高度为1-5mm，直径为2-10mm，永磁圆柱体间距为5-15mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过将具有较高软磁粉体质量分数的超材料单元分布在具有较低软磁粉体质量分数的基体材料上，使得吸波材料出现规则排布的结构单元，有效改善材料阻抗与自由空间阻抗的匹配度，并且通过每个超材料单元中的软磁粉体通过一致方向的磁力线分布，使得超材料单元结构稳定呈现半球形，以获得具有规则排布且形状一致得超材料单元，提升阻抗匹配，增加有效吸收带宽，达到宽频吸收电磁波的目的。
(2)本发明利用亚克力板上的点阵分布的永磁圆柱体，使得具有一定流动性的软磁粉体聚集形成高质量分数的超材料单元，和低软磁粉体质量分数的基体材料，并通过每个永磁圆柱体N极向上使得每个超材料单元的软磁粉体均沿一致磁力线方向排布而呈现稳定的半球形结构单元，制备所使用的模具比较简单，制备方法高效。
附图说明
图1为具体实施方式提供的磁性吸波超材料结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种磁性吸波超材料的制备方法，具体步骤如下：
首先将高性能的粉末化软磁粉体通过球磨或砂磨工艺实现片状化，然后将片状磁粉与高分子基材充分混合均匀，形成糊状复合物。将糊状复合物置于流延装置流延成型，在PET薄膜上形成复合片，然后将复合片放置于具有点状分布且N极均向上的多个永磁圆柱(高度为5mm，直径为2～10mm，柱间距为5～15mm)的亚克力板上，加热并固化成型，得到具有磁粉点状高浓度分布的磁性吸波片，如图1所示。
对比例1
将粉末化的稀土软磁材料铈铁氮通过砂磨片状化的粉末，然后将片状铈铁氮磁粉与液态聚氨酯充分混合并搅拌均匀，质量分数50％，形成糊状复合物。将糊状复合物置于流延装置流延成型，在PET薄膜上形成复合片加热并固化成型，得到均匀分布磁粉的复合吸波片，厚度5mm。将磁性吸波片裁剪成300X300mm的尺寸后进行吸波性能测试。测试结果：吸波峰值-12dB，中心频率16GHz，有效吸收带宽(RL<-10dB)2GHz
实施例1
将粉末化的稀土软磁材料铈铁氮通过砂磨片状化的粉末，然后将片状铈铁氮磁粉与液态聚氨酯充分混合并搅拌均匀，质量分数50％，形成糊状复合物。将糊状复合物置于流延装置流延成型，在PET薄膜上形成复合片，然后将复合片放置于具有点状分布且N极均向上的多个永磁圆柱(高度为5mm，直径为5mm，柱间距为10mm)的亚克力板上，永磁圆柱体的剩余磁化强度为0.5T，加热并固化成型，得到得到具有点状高浓度软磁粉超材料单元(软磁粉体质量分数60％)分布在低浓度软磁粉分布基体(软磁粉体质量分数40％)的磁性吸波超材料，厚度5mm，点状矩阵堆积的超材料单元呈现半球形，半球形直径5mm，半球形中心点间距为10mm。将磁性吸波片裁剪成300X300mm的尺寸后进行吸波性能测试。测试结果：吸波峰值-20dB，中心频率17GHz，有效吸收带宽(RL<-10dB)5GHz。
实施例2
将粉末化的稀土软磁材料铈铁氮通过砂磨片状化的粉末，然后将片状铈铁氮磁粉与液态聚氨酯充分混合并搅拌均匀，质量分数50％，形成糊状复合物。将糊状复合物置于流延装置流延成型，在PET薄膜上形成复合片，然后将复合片放置于具有点状分布且N极均向上的多个永磁圆柱(高度为5mm，直径为5mm，柱间距为10mm)的亚克力板上，永磁圆柱体的剩余磁化强度为1T，加热并固化成型，得到具有点状高浓度软磁粉超材料单元(软磁粉体质量分数70％)分布在低浓度软磁粉分布基体(软磁粉体质量分数20％)的磁性吸波超材料，其中，厚度5mm点状矩阵堆积的超材料单元呈现半球形，半球形直径5mm，半球形中心点间距为10mm。将磁性吸波超材料裁剪成300X300mm的尺寸后进行吸波性能测试。测试结果：吸波峰值-25dB，中心频率18GHz，有效吸收带宽(RL<-10dB)8GHz。
实施例3
将粉末化的稀土软磁材料铈铁氮通过砂磨片状化的粉末，然后将片状铈铁氮磁粉与液态聚氨酯充分混合并搅拌均匀，质量分数50％，形成糊状复合物。将糊状复合物置于流延装置流延成型，在PET薄膜上形成复合片，然后将复合片放置于具有点状分布且N极均向上的多个永磁圆柱(高度为5mm，直径为5mm，柱间距为15mm)的亚克力板上，永磁圆柱体的剩余磁化强度为1T，加热并固化成型，得到得到具有点状高浓度软磁粉超材料单元(软磁粉体质量分数70％)分布在低浓度软磁粉分布基体(软磁粉体质量分数20％)的磁性吸波超材料，厚度5mm，点状矩阵堆积的超材料单元呈现半球形，半球形直径5mm，半球形中心点间距为15mm。将磁性吸波片裁剪成300X300mm的尺寸后进行吸波性能测试。测试结果：吸波峰值-28dB，中心频率21GHz，有效吸收带宽(RL<-10dB)12GHz。

Claims (10)

1.一种磁性吸波超材料，其特征在于，包括：
基体材料；
以及超材料单元阵列，设置在基体材料上，包括多个超材料单元，所述多个超材料单元为点阵排列；
所述超材料单元和基体材料均包括软磁粉体和高分子基材，所述超材料单元中的软磁粉体的质量占比为50％-80％，所述软磁粉体沿着磁力堆积成形，基体材料中的软磁粉体的质量占比为20％-60％。
2.根据权利要求1所述的磁性吸波超材料，其特征在于，所述超材料单元阵列中的超材料单元中心间距为5-15mm。
3.根据权利要求1所述的磁性吸波超材料，其特征在于，所述超材料单元为高度为1-5mm，直径为2-10mm的半球体。
4.根据权利要求1所述的磁性吸波超材料，其特征在于，所述软磁粉体为Ce2Fe17N3粉体、羰基铁粉中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的磁性吸波超材料，其特征在于，所述软磁粉体的粒径小于10μm，径厚比为20-100:1。
6.根据权利要求1所述的磁性吸波超材料，其特征在于，所述高分子基材为低密度高分子材料，包括：聚烯烃、硅胶、环氧树脂、聚氨酯的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的磁性吸波超材料，其特征在于，所述磁性吸波超材料的厚度为2-10mm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的磁性吸波超材料的制备方法，其特征在于，包括：
将片状软磁粉体与高分子基材混合均匀得到混合物，其中，软磁粉体的质量分数为30％-70％；
将所述混合物流延于PET薄膜上得到复合片，将所述复合片置于亚克力板上2-10min时间得到超材料单元阵列，其中，所述亚克力板上具有点阵分布且N极向上的多个永磁圆柱体，所述超材料单元中的片状软磁粉体沿着磁力线排布；
对所述超材料单元阵列加热、固化成型得到磁性吸波超材料。
9.根据权利要求8所述的磁性吸波超材料的制备方法，其特征在于，所述永磁圆柱体的剩余磁化强度为0.5-1.35T。
10.根据权利要求8所述的磁性吸波超材料的制备方法，其特征在于，所述永磁圆柱体的高度为1-5mm，直径为2-10mm，永磁圆柱体间距为5-15mm。
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