CN115011076A - 一种纤维嵌入型吸波复合材料空心球及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维嵌入型吸波复合材料空心球及其制备方法，属于复合材料结构设计、制造及应用技术领域。本发明以环氧基树脂为基体，塑料泡沫小球为模板，碳纤维和铁氧体为增强体制备纤维嵌入型吸波复合材料空心球。该空心球直径为4～6mm，壁厚为0.18～0.2mm，密度为0.38～0.43g/cm3，抗压强度为10～20MPa，有效吸波带宽为10～18GHz，具备良好的吸波性能，相关材料可以应用于吸波隐身，以及用以屏蔽工业和生活中的电磁辐射，减少电磁波危害。

Description

一种纤维嵌入型吸波复合材料空心球及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种纤维嵌入型吸波复合材料空心球及其制备方法，属于复合材料结构设计、制造及应用技术领域。
背景技术
吸波材料是一种能将入射的电磁能转换为热能，或使电磁波发生干涉相消而衰减的一类材料。在军事领域，吸波材料可以吸收敌人发射的探测雷达波，降低武器装备的雷达散射截面，从而起到雷达隐身功能，提高战场的生存能力和军事突防能力；在民用领域，吸波材料可以屏蔽工业和生活中的电磁辐射，减少电磁波危害。
理想的吸波材料不仅要具有优良的吸波性能，还要具有轻质和高强度等特点，特别是在军用飞机、雷达隐身系统等高端应用领域。根据目前吸波材料的发展现状，单一的材料很难同时满足日益提高的隐身技术所提出的“薄、轻、宽、强”的要求，需要将多种材料进行各种形式的复合以获得最佳效果，因此研发质量轻、密度小的新型空心球壳结构具有重要意义。
现有技术中制备吸波空心球结构时，往往将浸泡球壳发泡液的发泡球于铁丝网上进行静止、沥净，然后进行包裹，但这种方法会导致发泡球表面树脂减少甚至固化，使得包裹过程中纤维包裹量大大降低，而且该方法制备所需时间过长，效率较低。
发明内容
本发明为了解决现有上述技术问题，提供一种纤维嵌入型吸波复合材料空心球及其制备方法。
本发明的技术方案：
一种纤维嵌入型吸波复合材料空心球，该空心球的球壳直径为4～6mm，壁厚为0.18～0.2mm，密度为0.38～0.43g/cm3，抗压强度为10～20MPa，有效吸波带宽为10～18GHz；所述的球壳是包括环氧基树脂、碳纤维和铁氧体粉末的复合材料。
进一步限定，碳纤维密度为1.65g/cm3，直径为7um，长度为300目。
进一步限定，铁氧体粉末为反尖晶石型亚铁磁性材料，成分为Fe3O4，密度为5.18g/cm3。
上述纤维嵌入型吸波复合材料空心球的制备方法，包括以下步骤：
(1)向环氧基树脂中加入稀释剂和固化剂搅拌均匀，置于真空烘箱中，在65℃下抽真空处理5～8min，获得基体胶液；
(2)将步骤(1)获得的基体胶液加入到泡沫塑料小球中，搅拌均匀使每个泡沫塑料小球表面都均匀地沾上基体胶液；
(3)将碳纤维与铁氧体粉末混合，搅拌均匀，获得增强体填料；
(4)将内部具有多个隔间的震荡盘加热至温度T1，并设置震荡盘的振荡频率f1，转速为15r/min；然后，在震荡盘的每个隔间内均匀喷洒一层步骤(3)获得的增强体填料；再然后，将步骤(2)获得的产物分批倒入震荡盘的隔间中，并同时喷洒部分增强体填料，使得增强体填料均匀地包覆在泡沫塑料小球表面，继续震荡直至产物表面粘度降低，形成具有光滑的圆球面的圆球；
(5)将步骤(4)获得的圆球取出过筛去除多余纤维后，再次放入震荡盘内，在加热震荡条件下固化；
(6)重复步骤(4)和步骤(5)，使泡沫塑料小球表面包裹两层增强体填料；加入环氧基树脂，震荡包裹均匀，置于90℃鼓风干燥箱加热120min，取出搅拌，置于温度为130℃鼓风干燥箱加热180min，得到纤维嵌入型吸波复合材料空心球。
进一步限定，原料组分按重量份计配比为：环氧树脂100份，固化剂20份，稀释剂10份，泡沫塑料小球15份，碳纤维90～120份，铁氧体粉末0～50份。
进一步限定，泡沫塑料小球为PVC、PS或PU材质，粒径为4.5～5mm。
进一步限定，固化剂为甲基四氢酸酐。
进一步限定，稀释剂为1,4-丁二醇二缩水甘油醚。
进一步限定，环氧树脂为环氧树脂E51。
进一步限定，步骤(4)中温度T1为60℃，f1为10Hz。
进一步限定，步骤(4)的整个处理时间为30～40min。
进一步限定，步骤(6)中固化过程中温度为90℃，固化时间为120min。
制备上述纤维嵌入型吸波复合材料空心球的震荡盘，震荡盘内隔间是直径为10cm的圆筒，震荡盘沿中心轴旋转，多个震荡盘安装在旋转筒内，旋转筒外与振荡器连接。
本发明有益效果：
(1)本发明以环氧基树脂为基体，泡沫塑料小球为填料，碳纤维和铁氧体为增强体制备纤维嵌入型吸波复合材料空心球，该空心球直径为4～6mm，壁厚为0.18～0.2mm，密度为0.38～0.43g/cm3，抗压强度为10～20MPa，有效吸波带宽为10～18GHz，具备良好的吸波性能，达到吸收探测雷达波，降低武器装备的雷达散射截面，从而起到雷达隐身功能；在民用领域，用以屏蔽工业和生活中的电磁辐射，减少电磁波危害。
(2)本发明在制备过程中加热，可使树脂流动性更好，包裹更多的纤维且均匀，尤其是最后包裹的一层树脂，不仅使得球壳结构具有疏水性还能使其更加光亮。
(3)本发明采用机械震荡作用于震荡盘，可以在树脂固化过程中震荡加热，使得空心球之间有相对运动，有效预防固化过程中复合材料空心球相互粘连。
(4)相比于现有其他空心球壳制备方法，本发明制备所需时间较短，效率大大提高，纤维在球壳内部分布均匀，球壳直径较小，表面光滑、光亮，更加美观实用。
(5)此外，采用本发明提供的制备方法通过适当调整碳纤维和铁氧体混合粉末加入量，可以达到所需球壳大小和壁厚。
附图说明
图1为实施例1制备的空心球的实物图；
图2为实施例1和对比例2制备的密排复合材料的RL-f曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1：
(1)配置环氧基树脂基体：将100份E-51环氧基树脂，加入2份稀释剂1,4-丁二醇二缩水甘油醚、20份固化剂甲基四氢酸酐，搅拌均匀，放入真空干燥箱，于65℃下抽真空5～8min，防止树脂溶液中因有气泡导致空心球壳表面出现缺陷。
(2)称取15份的泡沫塑料小球放入金属容器中，倒入5份步骤(1)中配置好的树脂用搅拌器搅拌，使得每个泡沫塑料小球上面都均匀地沾上一层薄薄的树脂。
(3)称取36份碳纤维和84份铁氧体粉末于容器中混合搅拌10min，使之混合均匀，获得增强体填料。
(4)将内部具有多个隔间的震荡盘加热至温度60℃，并设置震荡盘的振荡频率10Hz，转速为15r/min；然后，在震荡盘的每个隔间内均匀喷洒一层步骤(3)获得的增强体填料；再然后，将步骤(2)获得的产物分批缓慢倒入震荡盘的隔间中，震荡过程中同时喷洒部分增强体填料，使得增强体填料均匀地包覆在泡沫塑料小球表面，继续震荡直至产物表面粘度降低，形成具有光滑的圆球面的圆球；整个步骤(4)处理时间为30min，增强体填料加入总量为120份。
(5)将步骤(4)获得的圆球取出过筛去除多余纤维后，再次放入震荡盘内，在90℃下加热震荡120min，固化完全。
(6)重复步骤(4)和(5)，使得泡沫塑料小球表面包裹两层碳纤维。然后加入步骤(1)所配置的树脂5份，放入90℃鼓风干燥箱加热120min使其固化完全，取出搅拌，在130℃鼓风干燥箱内加热180min，使泡沫塑料小球收缩变小，即可得到纤维嵌入型吸波复合材料空心球。
如图1所示，获得的空心球直径为5mm，壁厚为到0.18～0.2mm，密度0.41g/cm3。
将获得的空心球制备成密排复合材料，简称为3C7F/EP，具体操作流程为：在模具中单层密排摆放所制得空心球，摆放完成后加入环氧树脂填充制得空心球密排复合材料板。
对比例1：
本对比例与实施例1不同处为：步骤(3)中增强体填料中不含有铁氧体粉末，其余操作过程与实施例1相同。
具体操作过程如下：
(1)配置环氧基树脂基体：将100份E-51环氧基树脂，加入2份稀释剂1,4-丁二醇二缩水甘油醚、20份固化剂甲基四氢酸酐，搅拌均匀，放入真空干燥箱，于65℃下抽真空5～8min，防止树脂溶液中因有气泡导致空心球壳表面出现缺陷。
(2)称取15份的泡沫塑料小球放入金属容器中，倒入5份步骤(1)中配置好的树脂用搅拌器搅拌，使得每个泡沫塑料小球上面都均匀地沾上一层薄薄的树脂。
(3)称取36份碳纤维作为增强体填料。
(4)将内部具有多个隔间的震荡盘加热至温度60℃，并设置震荡盘的振荡频率10Hz，转速为15r/min；然后，在震荡盘的每个隔间内均匀喷洒一层步骤(3)获得的增强体填料；再然后，将步骤(2)获得的产物分批缓慢倒入震荡盘的隔间中，震荡过程中同时喷洒部分增强体填料，使得增强体填料均匀地包覆在泡沫塑料小球表面，继续震荡直至产物表面粘度降低，形成具有光滑的圆球面的圆球；整个步骤(4)处理时间为30min，增强体填料加入总量为36份。
(5)将步骤(4)获得的圆球取出过筛去除多余纤维后，再次放入震荡盘内，在90℃下加热震荡120min，固化完全。
(6)重复步骤(4)和(5)，使得泡沫塑料小球表面包裹两层碳纤维。然后加入步骤(1)所配置的树脂5份，放入90℃鼓风干燥箱加热120min使其固化完全，取出搅拌，在130℃鼓风干燥箱内加热180min，使泡沫塑料小球收缩变小，即可得到纤维嵌入型吸波复合材料空心球。
将获得的空心球制备成密排复合材料，简称为SCFs/EP。
对获得的SCFs/EP和3C7F/EP进行性能表征，RL-f曲线如图2所示，实施例1获得的密排复合材料的有效吸收带宽为1.8GHz(13.7～15.5GHz频段)，实施例1获得的密排复合材料的有效吸收带宽为0.6GHz(4.2～4.8GHz频段)。
对现有文献报道中中Fe3O4为吸波剂的吸波涂层性能指标进行整理，如下表1所示：
吸收剂 厚度 最低反射率 吸收带宽
b-Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub> 3.5mm -22.6dB 5.6GHz
rGO/MCNT/Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub> 2.0mm -36.0dB 4.1GHz
Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>/RGO 3.0mm -22.7dB 3.1GHz
Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>/TiO<sub>2</sub>/Ti<sub>3</sub>C<sub>2</sub>T<sub>x</sub>Mxenes 1.9mm -57.3dB 2.0GHz
PEDOT/Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub> 4.0mm -31.4dB 约1.5GHz
Fe/Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>/a-FeOOH 1.2mm -10dB 0
Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>/SCFs 0.18mm -14.7dB 1.8GHz
对比可知，本申请制备的纤维嵌入型吸波复合材料空心球的吸波性能，与文献报道的Fe3O4为吸波剂的吸波涂层性能指标居于中等水平，但其达到同样吸波性能时吸波剂用量少，密度仅0.38～0.43g/cm3，具有很大应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，鉴于本发明所属领域的技术人员可以对上述实施方式进行适当的变更和修改，因此，本发明并不局限于上面所述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纤维嵌入型吸波复合材料空心球，其特征在于，该空心球的球壳直径为4～6mm，壁厚为0.18～0.2mm，密度为0.38～0.43g/cm3，有效吸波带宽为10～18GHz；球壳是包括环氧基树脂、碳纤维和铁氧体粉末的复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种纤维嵌入型吸波复合材料空心球，其特征在于，碳纤维密度为1.65g/cm3，直径为7um，长度为300目。
3.根据权利要求1所述的一种纤维嵌入型吸波复合材料空心球，其特征在于，铁氧体粉末为反尖晶石型亚铁磁性材料，成分为Fe3O4，密度为5.18g/cm3。
4.一种权利要求1所述的纤维嵌入型吸波复合材料空心球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)向环氧基树脂中加入稀释剂和固化剂搅拌均匀，置于真空烘箱中，在65℃下抽真空处理5～8min，获得基体胶液；
(2)将步骤(1)获得的基体胶液加入到泡沫塑料小球中，搅拌均匀使每个泡沫塑料小球表面都均匀地沾上基体胶液；
(3)将碳纤维与铁氧体粉末混合，搅拌均匀，获得增强体填料；
(4)将内部具有多个隔间的震荡盘加热至温度T1，并设置震荡盘的振荡频率f1，转速为15r/min；然后，在震荡盘的每个隔间内均匀喷洒一层步骤(3)获得的增强体填料；再然后，将步骤(2)获得的产物分批倒入震荡盘的隔间中，并同时喷洒部分增强体填料，使得增强体填料均匀地包覆在泡沫塑料小球表面，继续震荡直至产物表面粘度降低，形成具有光滑的圆球面的圆球；
(5)将步骤(4)获得的圆球取出过筛去除多余纤维后，再次放入震荡盘内，在加热震荡条件下固化；
(6)重复步骤(4)和步骤(5)，使泡沫塑料小球表面包裹两层增强体填料；加入环氧基树脂，震荡包裹均匀，置于90℃鼓风干燥箱加热120min，取出搅拌，置于温度为130℃鼓风干燥箱加热180min，得到纤维嵌入型吸波复合材料空心球。
5.根据权利要求4所述的纤维嵌入型吸波复合材料空心球的制备方法，其特征在于，原料组分按重量份计配比为：环氧树脂100份，固化剂20份，稀释剂10份，泡沫塑料小球15份，碳纤维90～120份，铁氧体粉末0～50份。
6.根据权利要求5所述的纤维嵌入型吸波复合材料空心球的制备方法，其特征在于，泡沫塑料小球为PVC、PS或PU材质，粒径为4.5～5mm。
7.根据权利要求5所述的纤维嵌入型吸波复合材料空心球的制备方法，其特征在于，骤(4)中温度T1为60℃，f1为10Hz。
8.根据权利要求5所述的纤维嵌入型吸波复合材料空心球的制备方法，其特征在于，步骤(4)的整个处理时间为30～40min。
9.根据权利要求5所述的纤维嵌入型吸波复合材料空心球的制备方法，其特征在于，步骤(6)中固化过程中温度为90℃，固化时间为120min。
10.一种权利要求5所述的制备方法使用的震荡盘，其特征在于，震荡盘内隔间是直径为10cm的圆筒，震荡盘沿中心轴旋转，多个震荡盘安装在旋转筒内，旋转筒外与振荡器连接。
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