CN114717843A - 一种性能可调的柔性吸波复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种性能可调的柔性吸波复合材料及其制备方法和应用，涉及吸波材料技术领域。本发明性能可调的柔性吸波复合材料由改性碳纤维吸波剂与硅橡胶复合而成的改性碳纤维/硅橡胶复合材料，以及磁性金属组成；通过调控磁性金属的阵列来调控所述性能可调的柔性吸波复合材料的吸波性能。本发明将改性后的碳纤维与硅橡胶制成柔性吸波复合材料，并将其与磁性金属(铁钉)配合制成吸波材料/器件，利用磁性金属阵列的手段来调控复合材料的吸波性能，实现了难得的吸波性能便捷可调效果，解决了目前的吸波材料调控需要换层的难题。

Description

一种性能可调的柔性吸波复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及吸波材料技术领域，特别是涉及一种性能可调的柔性吸波复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

如今时代，科技迅速发展，社会面貌日新月异，导致社会生活的方方面面都充斥着电磁波，复杂的电磁环境在带来前所未有的便利生活的同时也对人体健康、信息安全存在着严重的负面影响。在军事领域，武器装备不断迭代更新，随着各国军队不断深入机械化、信息化，雷达、数据链通讯等各种电子设备在战场上也不断普及，已经可以做到“发现即打击，打击即摧毁”，现代武器装备的生存能力面临严峻考验，隐身能力的重要性日益凸显。

雷达隐身的原理类似于迷彩涂装，使对方雷达接收到的回波强度极低，将自身的信号特征隐没在飞鸟、山川、丛林、高楼等环境的背景信号中，对方也就无法探测到我方装备，可以通过把入射而来的电磁波散射向其他方向或直接吸收掉来实现。因而，装备实现雷达隐身能力可以从外形和材料两个方面入手。合理的外形和结构设计可以大大提高武器装备的雷达隐身能力，在隐身能力的实现中占主导地位，但是外形和结构优化的代价通常都较高，因为最合理的隐身外形/结构未必最有利于装备性能的发挥，实际工程中必须在二者之间达成妥协，这时就需要吸波材料来补充。另一方面，材料隐身技术也具有应用难度较低的优点，除了可以应用在隐身飞机、隐身舰船、隐身坦克等新一代装备上，还能被应用在现有的不具备隐身能力的老式装备上，同样可以大大减小其雷达反射信号，虽不能实现隐身，但也可以大大减小被雷达发现的距离，对战场上的生存能力有很好的提升，大大缓解对新一代装备的迫切需求。换言之，可以用较低的成本换取战斗力的巨大加强。综上所述，吸波材料不可或缺，其研发和应用日益重要。

吸波材料根据功能性可以分为单纯的功能型吸波剂和结构/吸波一体化吸波剂。根据基本材料的种类，可以将吸波材料分为铁氧体类吸波剂、金属微粉类吸波剂、石墨烯类吸波剂、碳纳米管类吸波剂、碳纤维类吸波剂等类型。其中铁氧体类、金属微粉类吸波材料属于研究得较为成熟的传统吸波材料。传统的铁氧体、金属微粉类型的吸波材料虽有成本低、灵活性好和易加工等优点，但是往往存在密度大、阻抗匹配效果差、吸波带宽窄、强度低、整体厚度大、耐热能力低等缺陷，难以满足新一代装备对吸波材料的“薄、轻、宽、强、热”的需求；石墨烯类吸波剂、碳纳米管等类型的吸波剂则具有工序复杂、成本高昂的缺陷；碳纤维具有良好力学性能和比强度、耐热性，具有很好的发展成新型结构/吸波一体化材料的潜力，然而目前在吸波性能与力学性能兼备的新型碳纤维类吸波材料方面的工作很少，当前对碳纤维吸波材料的微观结构与宏观吸波性能之间联系的研究还不够系统，认识不够深刻。

装备服役时往往面临着风吹雨打、粗暴使用、难以及时保养等恶劣服役环境，单纯的功能性吸波材料在使用时存在很大的环境适用性缺陷，兼具力学性能和吸波性能的结构/吸波一体化材料具有更好的实用性。另一方面，随着新一代跳频技术、多波段雷达的普及和战域雷达设备的廉价化、复杂化，对性能可便捷调控的新型吸波材料的需求也随之暴涨。

吸波材料便捷的性能调控是一个重要且急需的需求。整体看来，在当前吸波材料的工作中，性能调控效果大多数都是通过改变吸波剂在复合材料中的含量或复合材料的整体厚度来实现的，成本高昂，且实际应用时的调控过程繁琐，目前对性能真正可便捷调控的吸波材料的研究还很缺乏；现有的有限几个通过电压、形状记忆骨架、温度等因素实现性能调控的工作是通过复杂的材料体系、实验环境、微观结构设计来实现的，不仅所得效果不明显，且最终复合材料的吸波强度衰减到很弱的水平，调控起来还非常繁琐，还存在复杂、成本高的缺陷，目前仍处于初级阶段。

因此，有必要提供一种性能可调的柔性吸波复合材料，在兼具结构/吸波一体化材料的力学性能和吸波性能的同时，满足可便捷调控的要求。

发明内容

基于上述内容，本发明提供一种性能可调的柔性吸波复合材料及其制备方法和应用，在兼具结构/吸波一体化材料的力学性能和吸波性能的同时，满足可便捷调控的要求。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明技术方案之一，一种改性碳纤维吸波剂的制备方法，包括以下步骤：

先将碳纤维在过氧化氢溶液中进行酸氧化处理，之后依次在镍盐溶液中沉积镍盐，进行煅烧腐蚀处理，得到所述改性碳纤维吸波剂。

进一步地，所述过氧化氢溶液的浓度为3-7wt％；所述镍盐溶液的浓度为2-10wt.％；所述镍盐为乙酸镍；所述煅烧腐蚀处理具体为：在氮气气氛中，先以4-7℃/min的速度升至150-200℃，再以10-15℃/min的速度升至700-750℃保温3-5h。

进一步地，碳纤维在进行酸氧化处理前还需要进行清洗处理，以除去碳纤维中的环氧树脂胶等残留物；所述清洗处理具体为：空气环境中以5℃/min的速度从室温升至400℃保温1h，冷却后浸泡在无水乙醇中，搅拌分散，超声0.5h，搅拌1h，抽滤，去离子水中冲泡抽滤三次，烘干。

本发明技术方案之二，利用上述的制备方法制备得到的改性碳纤维吸波剂。

本发明技术方案之三，上述的改性碳纤维吸波剂在吸波材料中的应用。

本发明技术方案之四，一种性能可调的柔性吸波复合材料，所述性能可调的柔性吸波复合材料由上述的改性碳纤维吸波剂与硅橡胶复合而成的改性碳纤维/硅橡胶复合材料，以及铁钉组成；

通过调控磁性金属的阵列来调控所述性能可调的柔性吸波复合材料的吸波性能。

进一步地，所述磁性金属为铁。

本发明技术方案之五，上述的性能可调的柔性吸波复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将所述改性碳纤维吸波剂与硅橡胶生胶进行混炼，硫化，得到改性碳纤维/硅橡胶复合材料；

将磁性金属按一定阵列扎在所述改性碳纤维/硅橡胶复合材料的表面，得到所述性能可调的柔性吸波复合材料。

进一步地，所述所述磁性金属为铁。

进一步地，所述一定阵列为间距为1cm的均匀阵列、中心两列间距为2cm均匀阵列、间距为1cm的双环阵列和间距为1cm的对角线阵列中的一种或多种。

本发明技术方案之六，上述的性能可调的柔性吸波复合材料在雷达隐身中的应用。

本发明技术构思：

本发明采用具有良好力学性能和比强度、耐热性的短切碳纤维作原料，通过腐蚀碳纤维，制备出具有多孔结构和表面改性碳纤维吸波剂，碳纤维被改性后，可以在保留一定力学性能的同时，增大比表面积，引入磁性镍颗粒，因此具有良好的吸波性能。由于多孔的结构也赋予了其更粗糙的表面，与硅橡胶基体材料的结合力变得更强，纤维的力学性能得以更好的发挥，复合材料整体的力学性能因此得以提高。为了进一步增强该材料的实际使用价值，还将其与磁性金属(铁钉)配合制成了吸波材料/器件，使用磁性金属阵列的手段来调控复合材料的吸波性能，实现难得的吸波性能便捷可调效果。高温循环和海水腐蚀等耐候性实验也表明了这种材料极强的实用能力。

本发明公开了以下技术效果：

(1)本发明将改性后的碳纤维与具有良好柔韧性、透波性、耐热性的硅橡胶制成柔性吸波复合材料，并将其与磁性金属(铁钉)配合制成吸波材料/器件，利用磁性金属阵列的手段来调控复合材料的吸波性能，实现了难得的吸波性能便捷可调效果，解决了目前的吸波材料调控需要换层的难题。

(2)本发明通过腐蚀碳纤维，使碳纤维具备多孔结构，赋予碳纤维更粗糙的表面，使其与硅橡胶基体材料的结合力变得更强，纤维的力学性能得以更好的发挥，解决了目前的碳纤维类吸波剂未发挥力学增强潜力的缺憾。

(3)本发明以碳纤维为基，使用新原理，开发出了一种兼顾优良吸波性能和较好力学增强作用的结构/吸波一体化吸波剂，能够满足吸波材料“薄、轻、宽、强、热”的要求；使用改性碳纤维吸波剂与硅橡胶制成的柔性吸波复合材料，可在薄至2mm的厚度下表现出优良的吸波性能，同时兼具较好的耐热耐腐蚀特性。

(4)碳纤维本身具有价格低、密度低、用量低、耐热性能好的特点，本发明利用碳纤维为吸波剂制备的柔性吸波复合材料具有高效、高强、轻质、耐热、价廉的突出优势，能够满足对新一代吸波材料的要求，在如今军事装备更新换代日益急迫、电磁污染日趋严重的背景下，具有极高的价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明对碳纤维进行改性处理的流程及各步骤纤维表面形态示意图；

图2为本发明使用改性碳纤维与硅橡胶制备柔性复合材料工艺流程示意图；

图3为本发明实施例1中制得的改性碳纤维的微观结构表征图；其中，(a)为改性碳纤维的扫描电镜图，(b)为改性碳纤维的扫描电镜图，(c)为改性碳纤维的透射电镜图，(d)为改性碳纤维的透射电镜图；

图4为本发明实施例1中制得的改性碳纤维/硅橡胶复合材料的吸波性能图；

图5为本发明实施例1中制得的改性碳纤维/硅橡胶复合材料(样品)的力学性能图；其中，(a)为纯硅橡胶和样品的抗拉强度、断后伸长率对比图，(b)纯硅橡胶和样品的100％定伸应力和邵氏硬度对比图；

图6为本发明实施例1中制得的改性碳纤维/硅橡胶复合材料在150℃2h+250℃1h三次循环和在海水中浸泡72h后的吸波性能图；

图7为本发明利用铁钉阵列调控吸波性能的示意图；

图8为本发明实施例1制得的性能可调的柔性吸波复合材料的实物图；

图9为本发明实施例1制得的性能可调的柔性吸波复合材料在不同铁钉阵列下的吸波性能图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明实施例所用原材料如无特殊说明，均自购买途径得到。

本发明所述“室温”，如无特殊说明，均指15-25℃。

本发明采用弓形法表征吸波材料的吸波性能。

本发明实施例中碳纤维进行改性处理的流程及各步骤纤维表面形态示意图如图1所示。

本发明实施例中使用改性碳纤维与硅橡胶制备柔性复合材料的工艺流程如图2所示。

本发明利用铁钉阵列调控吸波性能的示意图如图7所示。

实施例1

步骤1，将10g T700短切碳纤维装于坩埚，放入管式炉，以5℃/min的速度从室温升至400℃，在空气环境中保持此温度1h，随炉冷却，之后将其浸泡在无水乙醇中，搅拌分散，超声0.5h，搅拌1h，抽滤，再在去离子水中冲泡抽滤三次，80℃烘干1天；得到清洗后的碳纤维。

步骤2，将上述清洗后的碳纤维在200mL 5wt.％过氧化氢溶液中搅拌、分散，经超声2h、浸泡2h程序进行酸氧化处理，得到氧化碳纤维。

步骤3，将上述氧化碳纤维在200mL 5wt.％浓度的乙酸镍水溶液中经超声0.5h、浸泡2h处理沉积乙酸镍；沉积后过滤置于管式炉中，通入氮气保护，先以5℃/min的速度升至150℃，再以10℃/min的速度升至700℃腐蚀碳纤维，保温3h后随炉冷却，得到改性碳纤维，其微观结构表征如图3所示，能够看出，其具有多孔结构，在表面多孔处分布有石墨烯和被碳纳米管包覆的Ni球。

步骤4，将硅橡胶生胶、改性碳纤维、硫化剂、硫化促进剂按生胶100g、双二四硫化剂1.3g、硫化促进剂0.1g、纤维在总质量中占比4wt.％的比例依次放入双辊混炼机均匀混合、开炼，两辊间距逐渐从7mm依次调节至5、3、5、7、10、15、22mm，混炼完成后夹好脱模纸、夹入模具、放入硫化机，200℃下硫化12min；冷却后放入烘箱，在200℃下保温4h以进行二次硫化，最终得到厚度为2mm的柔性的改性碳纤维/硅橡胶复合材料(标记为样品1)。

采用弓形法对改性碳纤维/硅橡胶复合材料的吸波性能进行检测，结果如图4所示，由图4能够看出，其吸波强度可达-44.74dB(峰值位于7.04GHz)，有效吸波带宽(强于-10dB)为1.6GHz，吸波频段大都集中在XC波段。

对改性碳纤维/硅橡胶复合材料以及采用同样制备方法制备得到的未添加改性碳纤维的纯硅橡胶的力学性能进行检测，结果如图5所示，其中，(a)为纯硅橡胶和样品的抗拉强度、断后伸长率对比图，(b)纯硅橡胶和样品的100％定伸应力和邵氏硬度对比图；由图5能够看出，相比纯硅橡胶，本发明制备的改性碳纤维/硅橡胶复合材料的力学性能大大增强。

测试碳纤维/硅橡胶复合材料在150℃2h+250℃1h三次循环和在海水中浸泡72h后的吸波性能，结果如图6所示，由图6能够看出，本发明制备的改性碳纤维/硅橡胶复合材料具有良好的耐热耐腐蚀特性，可以在经历高温和海水腐蚀后很好地保持吸波性能，具有狭而强的吸波峰形。

步骤5，分别按照铁钉(规格尺寸：直径为1.5mm，长度为1.0cm；铁钉直径1.5-2.0mm均能达到与1.5mm相似的技术效果)间距为1cm的均匀阵列、中心两列铁钉间距为2cm均匀阵列、铁钉间距为1cm的双环阵列、铁钉间距为1cm的对角线阵列，将铁钉扎在改性碳纤维/硅橡胶复合材料上(铁钉穿透改性碳纤维/硅橡胶复合材料，并固定良好)得到性能可调的柔性吸波复合材料，实物照片如图8所示)，进行吸波性能检测，结果如图9所示。由图9能够看出，不同的铁钉数量及阵列规则下，表现出不同的吸波性能(由图中阵列1和阵列4能够看出，相同铁钉数量、不同阵列的情况下，吸波峰由C波段逐渐移至XC波段)；随着铁钉数量和阵列的变化，整个器件的吸波峰逐渐向低频移动，可以由C波段逐渐移至XC波段，且在这一过程中仍可以一直保持-20dB以上的吸波强度(99％以上的吸波能力)，利用铁定数量以及阵列规则的变化，实现吸波性能有规律的变化，从而实现吸波材料便捷的性能调控。并且由图9还能够看出，本发明性能可调的柔性吸波复合材料具有狭而强的吸波峰形，这在性能可调的吸波材料/器件的应用中具有独特的优势。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种改性碳纤维吸波剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

先将碳纤维在过氧化氢溶液中进行酸氧化处理，之后依次在镍盐溶液中沉积镍盐，进行煅烧腐蚀处理，得到所述改性碳纤维吸波剂。

2.根据权利要求1所述的一种改性碳纤维吸波剂的制备方法，其特征在于，所述过氧化氢溶液的浓度为3-7wt％；所述镍盐为乙酸镍；所述煅烧腐蚀处理具体为：在氮气气氛中，先以4-7℃/min的速度升至150-200℃范围，再以10-15℃/min的速度升至700-750℃保温3-5h。

3.一种根据权利要求1或2所述的制备方法制备得到的改性碳纤维吸波剂。

4.如权利要求3所述的改性碳纤维吸波剂在吸波材料中的应用。

5.一种性能可调的柔性吸波复合材料，其特征在于，所述性能可调的柔性吸波复合材料由利用权利要求3所述的改性碳纤维吸波剂与硅橡胶复合而成的改性碳纤维/硅橡胶复合材料，以及磁性金属组成；

通过调控磁性金属的阵列来调控所述性能可调的柔性吸波复合材料的吸波性能。

6.根据权利要求5所述的一种性能可调的柔性吸波复合材料，其特征在于，所述磁性金属为铁。

7.一种权利要求5所述的性能可调的柔性吸波复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述改性碳纤维吸波剂与硅橡胶生胶进行混炼，硫化，得到改性碳纤维/硅橡胶复合材料；

将磁性金属按一定阵列扎在所述改性碳纤维/硅橡胶复合材料的表面，得到所述性能可调的柔性吸波复合材料。

8.如权利要求5所述的性能可调的柔性吸波复合材料在雷达隐身中的应用。

Images