CN115403328B - 一种环保暗室吸波材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种环保暗室吸波材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于吸波材料领域，涉及一种环保暗室吸波材料及其制备方法。本发明的环保暗室吸波材料使用粒径1‑10mm的锰锌铁氧体废料颗粒和硅酸盐水泥常温共混的形式制备成特定结构，原料成本低，工艺简单且低碳环保。本发明既回收利用了锰锌铁氧体废料，且最终制备的吸波材料在10MHz‑2GHz内都具有优异的吸波性能，并可进一步与EPP空心吸波尖锥复合成为一种超宽带电波暗室吸波材料；是一种低碳环保、超宽带暗室吸波材料，可替代传统的聚氨酯泡沫吸波尖锥与铁氧体瓦组成的复合型吸波材料，实现暗室全面升级。

Description

一种环保暗室吸波材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于吸波材料领域，涉及一种环保暗室吸波材料及其制备方法与应用，并可与EPP空心吸波尖锥复合，构成用于一种超宽带电波暗室的吸波材料。
背景技术
电波暗室，能够提供无电磁杂波干扰的“自由空间”，广泛应用于天线、雷达等无线通讯产品和电子产品高精度、高效率测试，在军工和民用市场需求都十分巨大。目前电波暗室主要采用聚氨酯泡沫吸波尖锥与铁氧体瓦组成的复合型吸波材料，聚氨酯泡沫吸波尖锥的有效工作频段为1GHz-18GHz，铁氧体瓦的有效工作频段为30MHz-1GHz。
聚氨酯泡沫吸波材料由于吸潮吸水等问题，导致暗室使用需要严格的温度和湿度管控，存在能耗高，且吸波材料使用寿命短的问题。另外，随着汽车电子和军用武器平台电磁频谱应用频段不断拓宽，电波暗室低频迫切需要拓展至10MHz，目前暗室吸波材料不能满足需求，如中国专利CN103253931，低频性能不足且成本高。该行业亟需发展新一代高性能环保超宽带吸波材料，实现电波暗室的全面升级。
近十年来，中国软磁铁氧体的产量一直维持在20万吨以上，主要是锰锌铁氧体，2018年更是达到23.92万吨，占全球产量的80％。在铁氧体生产过程中，会产生数量庞大的铁氧体废料，大部分的铁氧体废料被企业简单填埋或者低效率回收，既污染环境、又产生浪费。
近年来，有一些研究工作报道了基于铁氧体废料制备吸波材料，如中国专利CN111542213报道的锰锌铁氧体-石墨烯复合电磁屏蔽材料，需要在200℃温度环境下完成制备，且带宽较窄(6GHz～9GHz)；中国专利CN108102393、CN110494030、CN110563454、CN110526701、CN111995387和CN111995386报道了对铁氧体废料进行高温烧结(1000℃以上)，可实现一定的吸波效果，但工艺复杂且会产生较大污染；中国专利CN114685116、CN108395176报道了将水泥和铁氧体废料进行混合，可以得到工艺简单且环保的吸波材料，但其吸波频段都在2GHz以上，不能用于暗室吸波材料。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决当前暗室吸波材料存在低性能、高成本、污染、以及宽带相对不足的问题，本发明提供了一种环保暗室吸波材料及其制备方法与应用，通过将水泥基铁氧体废料设计为特定的形状满足暗室吸波材料的性能，在10MHz-2GHz内都具有优异的吸波性能，并进一步与EPP空心吸波尖锥复合成为一种超宽带电波暗室吸波材料。
一种环保暗室吸波材料，采用粒径1-10mm的颗粒状锰锌铁氧体废料改性水灰比0.3-0.7的硅酸盐水泥浆料制备成特定结构，其中锰锌铁氧体废料所占质量分数为30％-80％。
所述特定结构为2层，第一层是边长P1≥100mm的正多边形，高度h1≤30mm；第二层是第一层的正多边形缩放成边长P2的正多边形，P2＝(0.5-0.8)P1，其高度h2≥5h1。
进一步的，所述特定结构还有第三层，第三层是与第二层顶部相适应堆叠高度为h3的多棱锥，h3≥h2；以进一步提升吸收性能。
一种环保暗室吸波材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、备料：粒径大小1-10mm的颗粒状锰锌铁氧体废料，水灰比为0.3-0.7的硅酸盐水泥浆料。
步骤2、向步骤1所备硅酸盐水泥浆料中加入总质量分数30％-80％的锰锌铁氧体废料颗粒，混匀得到水泥基铁氧体浆料。
步骤3、将步骤2所得水泥基铁氧体浆料装入模具中，然后完成常规水泥养护，得特定结构的初胚。
所述特定结构为2或3层：第一层是边长P1≥100mm的正多边形，高度h1≤30mm；第二层是第一层的正多边形缩放成边长P2的正多边形，P2＝(0.5-0.8)P1，其高度h2≥5h1；第三层是与第二层顶部相适应堆叠高度为h3的多棱锥，h3≥h2。
步骤4、将步骤3所得初胚在≤150℃温度的条件下干燥完全，即可得到环保暗室吸波材料。
一种超宽带电波暗室吸波材料，采用上述环保暗室吸波材料置于EPP空心吸波尖锥的中空部分复合构成。
本发明的环保暗室吸波材料使用粒径1-10mm的锰锌铁氧体废料颗粒和硅酸盐水泥常温共混的形式制备成特定结构，原料成本低，工艺简单且低碳环保。最终实现的环保暗室吸波材料性能可在低频超宽带(10MHz-2GHz)范围内反射率达到-18dB以下，优于当前电波暗室广泛使用的铁氧体瓦(30MHz-1GHz)，并可进一步与EPP空心吸波尖锥复合成为一种超宽带电波暗室吸波材料。
综上所述，本发明既回收利用了大量的锰锌铁氧体废料，且最终制备的吸波材料在10MHz-2GHz内都具有优异的吸波性能，还可应用于电波暗室的吸波材料；是一种低碳环保、超宽带暗室吸波材料，可替代传统的聚氨酯泡沫吸波尖锥与铁氧体瓦组成的复合型吸波材料，实现暗室全面升级。
附图说明
图1为实施例的样品模型结构示意图。
图2为实施例1、实施例2和实施例3的反射率曲线。
图3为实施例4、实施例5和实施例6的反射率曲线。
图4为实施例7、实施例8和实施例9的反射率曲线。
图5为实施例的复合模型示意图。
图6为实施例9与实施例10的反射率对比曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
以下实施例中：模型1是底面边长P1＝250mm的正方形、高度h1＝23mm的长方体，采用模具1制备；模型2是在模型1顶部上居中相适应的堆叠一个底面边长P2＝150mm的正方形、高度h2＝150mm的长方体，采用模具2制备；模型3是在模型2的顶部上相适应的堆叠一个底面边长P2＝150mm的正方形、高度h3＝300mm的金字塔，采用模具3制备。如图1所示实施例中不同模具对应的样品模型，(a)模型1，(b)模型2，(c)模型3。
实施例1
步骤1、备料：质量分数30％的锰锌铁氧体废料颗粒(粒径大小5mm)，质量分数70％的硅酸盐水泥浆料(水灰比0.5)。
步骤2、将步骤1所备硅酸盐水泥浆料放入搅拌机中，并加入步骤1所备锰锌铁氧体废料颗粒，再搅拌60s至混匀，得到水泥基铁氧体浆料。
步骤3、将步骤2所得水泥基铁氧体浆料装入模具1，放入温度为20℃、湿度大于90％的恒温恒湿箱中养护24h后脱模，脱模后放入温度为80℃的高压蒸养箱中养护16h，得初胚。
步骤4、将步骤3得到的初胚静置在室温环境中24h。
实施例2
步骤1、备料：质量分数50％的锰锌铁氧体废料颗粒(粒径大小5mm)，质量分数50％的硅酸盐水泥浆料(水灰比0.5)。
步骤2、将步骤1所备硅酸盐水泥浆料放入搅拌机中，并加入步骤1所备锰锌铁氧体废料颗粒，再搅拌60s至混匀，得到水泥基铁氧体浆料。
步骤3、将步骤2所得水泥基铁氧体浆料装入模具1，放入温度为20℃、湿度大于90％的恒温恒湿箱中养护24h后脱模，脱模后放入温度为80℃的高压蒸养箱中养护16h，得初胚。
步骤4、将步骤3得到的初胚静置在室温环境中24h。
实施例3
步骤1、备料：质量分数80％的锰锌铁氧体废料颗粒(粒径大小5mm)，质量分数20％的硅酸盐水泥浆料(水灰比0.5)。
步骤2、将步骤1所备硅酸盐水泥浆料放入搅拌机中，并加入步骤1所备锰锌铁氧体废料颗粒，再搅拌30s至混匀，得到水泥基铁氧体浆料。
步骤3、将步骤2得到的水泥基铁氧体浆料装入模具1，放入温度为20℃、湿度大于90％的恒温恒湿箱中养护24h后脱模，脱模后放入温度为80℃的高压蒸养箱中养护16h，得初胚。
步骤4、将步骤3得到的初胚静置在室温环境中24h。
用自由空间法测量实施例1、实施例2和实施例3所得样品的反射率曲线，如图2所示。对于电波暗室吸波材料，低频性能一般要求在30MHz-500MHz频段实现-15dB以下的吸收，实施例1-3制备的模型1样品无法达到所需的性能指标。
实施例4
步骤1、备料：质量分数30％的锰锌铁氧体废料颗粒(粒径大小5mm)，质量分数70％的硅酸盐水泥浆料(水灰比0.5)。
步骤2、将步骤1所备硅酸盐水泥浆料放入搅拌机中，并加入步骤1所备锰锌铁氧体废料颗粒，再搅拌60s至混匀，得到水泥基铁氧体浆料。
步骤3、将步骤2所得水泥基铁氧体浆料装入模具2，放入温度为20℃、湿度大于90％的恒温恒湿箱中养护24h后脱模，脱模后放入温度为80℃的高压蒸养箱中养护16h，得初胚。
步骤4、将步骤3得到的初胚静置在室温环境中24h。
实施例5
步骤1、备料：质量分数50％的锰锌铁氧体废料颗粒(粒径大小5mm)，质量分数50％的硅酸盐水泥浆料(水灰比0.5)。
步骤2、将步骤1所备硅酸盐水泥浆料放入搅拌机中，并加入步骤1所备锰锌铁氧体废料颗粒，再搅拌60s至混匀，得到水泥基铁氧体浆料。
步骤3、将步骤2所得水泥基铁氧体浆料装入模具2，放入温度为20℃、湿度大于90％的恒温恒湿箱中养护24h后脱模，脱模后放入温度为80℃的高压蒸养箱中养护16h，得初胚。
步骤4、将步骤3得到的初胚静置在室温环境中24h。
实施例6
步骤1、备料：质量分数80％的锰锌铁氧体废料颗粒(粒径大小5mm)，质量分数20％的硅酸盐水泥浆料(水灰比0.5)。
步骤2、将步骤1所备硅酸盐水泥浆料放入搅拌机中，并加入步骤1所备锰锌铁氧体废料颗粒，再搅拌60s至混匀，得到水泥基铁氧体浆料。
步骤3、将步骤2中得到水泥基铁氧体浆料装入模具2，放入温度为20℃、湿度大于90％的恒温恒湿箱中养护24h后脱模，脱模后放入温度为80℃的高压蒸养箱中养护16h，得初胚。
步骤4、将步骤3得到的初胚静置在室温环境中24h。
用自由空间法测量实施例4、实施例5和实施例6所得样品的反射率曲线，如图3所示。在模型1的基础上增加了一个多棱柱(本实施例为四棱柱，五棱柱、六棱柱等亦可)，即模型2，填充水泥基铁氧体后，最终可以实现30MHz-500MHz内-18dB以下的吸收，如图3所示。
实施例7
步骤1、备料：质量分数30％的锰锌铁氧体废料颗粒(粒径大小5mm)，质量分数70％的硅酸盐水泥浆料(水灰比0.5)。
步骤2、将步骤1所备硅酸盐水泥浆料放入搅拌机中，并加入步骤1所备锰锌铁氧体废料颗粒，再搅拌60s至混匀，得到水泥基铁氧体浆料。
步骤3、将步骤2所得水泥基铁氧体浆料装入模具3，放入温度为20℃、湿度大于90％的恒温恒湿箱中养护24h后脱模，脱模后放入温度为80℃的高压蒸养箱中养护16h，得初胚。
步骤4、将步骤3得到的初胚静置在室温环境中24h。
实施例8
步骤1、备料：质量分数50％的锰锌铁氧体废料颗粒(粒径大小5mm)，质量分数50％的硅酸盐水泥浆料(水灰比0.5)。
步骤2、将步骤1所备硅酸盐水泥浆料放入搅拌机中，并加入步骤1所备锰锌铁氧体废料颗粒，再搅拌60s至混匀，得到水泥基铁氧体浆料。
步骤3、将步骤2所得水泥基铁氧体浆料装入模具3，放入温度为20℃、湿度大于90％的恒温恒湿箱中养护24h后脱模，脱模后放入温度为80℃的高压蒸养箱中养护16h，得初胚。
步骤4、将步骤3得到的初胚静置在室温环境中24h。
实施例9
步骤1、备料：质量分数80％的锰锌铁氧体废料颗粒(粒径大小5mm)，质量分数20％的硅酸盐水泥浆料(水灰比0.5)。
步骤2、将步骤1所备硅酸盐水泥浆料放入搅拌机中，并加入步骤1所备锰锌铁氧体废料颗粒，再搅拌60s至混匀，得到水泥基铁氧体浆料。
步骤3、将步骤2中得到水泥基铁氧体浆料装入模具3，放入温度为20℃、湿度大于90％的恒温恒湿箱中养护24h后脱模，脱模后放入温度为80℃的高压蒸养箱中养护16h，得初胚。
步骤4、将步骤3得到的初胚静置在室温环境中24h。
用自由空间法测量实施例7、实施例8和实施例9所得样品的反射率曲线，如图4所示。在模型2的基础上增加一个四棱锥(五棱锥、六棱锥等亦可)，即模型3，填充水泥基铁氧体后，可以实现30MHz-2GHz内-20dB以下的吸收，且在10MHz-30MHz也可达到-18dB以下的吸收，如图4所示，远超电波暗室吸波材料的低频性能指标。
实施例10
步骤1、将实施例9中得到的样品与图5(b)中EPP空心吸波尖锥(其中P1＝250mm，P2＝150mm，h2＝150mm，h4＝550mm)进行复合(拼装组合)，即可得到图5(c)所示的复合模型结构。图5中(a)为模型3，(b)为EPP空心吸波尖锥，(c)为(a)和(b)的复合模型。
步骤2、利用自由空间法测量步骤1中复合模型的反射率曲线。图6为实施例9与实施例10的反射率对比曲线。
表1为其他环保暗室吸波材料的组分比例和制备条件
Figure BDA0003795178450000061
Figure BDA0003795178450000071
表2为各实施例所得样品的反射率
Figure BDA0003795178450000072
通过以上实施例可见，本发明的环保暗室吸波材料使用粒径1-10mm的锰锌铁氧体废料颗粒和硅酸盐水泥常温共混的形式制备成特定结构，原料成本低，工艺简单且低碳环保。本发明既回收利用了锰锌铁氧体废料，且最终制备的吸波材料在10MHz-2GHz内都具有优异的吸波性能，并可进一步与EPP空心吸波尖锥复合成为一种超宽带电波暗室吸波材料；是一种低碳环保、超宽带暗室吸波材料，可替代传统的聚氨酯泡沫吸波尖锥与铁氧体瓦组成的复合型吸波材料，实现暗室全面升级。

Claims (3)

1.一种环保暗室吸波材料，其特征在于：采用粒径1-10mm的颗粒状锰锌铁氧体废料改性水灰比0.3-0.7的硅酸盐水泥浆料制备成特定结构，其中锰锌铁氧体废料所占质量分数为30%-80%；
所述特定结构为3层，第一层是边长P1≥100mm的正多边形，高度h1≤30mm；第二层是第一层的正多边形缩放成边长P2的正多边形，P2=（0.5-0.8）P1，其高度h2≥5h1；第三层是与第二层顶部相适应堆叠高度为h3的多棱锥，h3≥h2。
2.如权利要求1所述环保暗室吸波材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、备料：粒径大小1-10mm的颗粒状锰锌铁氧体废料，和水灰比为0.3-0.7的硅酸盐水泥浆料；
步骤2、向步骤1所备硅酸盐水泥浆料中加入总质量分数30%-80%的锰锌铁氧体废料颗粒，混匀得到水泥基铁氧体浆料；
步骤3、将步骤2所得水泥基铁氧体浆料装入模具中，然后完成常规水泥养护，得特定结构的初胚；
所述特定结构为3层：第一层是边长P1≥100mm的正多边形，高度h1≤30mm；第二层是第一层的正多边形缩放成边长P2的正多边形，P2=（0.5-0.8）P1，其高度h2≥5h1；第三层是与第二层顶部相适应堆叠高度为h3的多棱锥，h3≥h2；
步骤4、将步骤3所得初胚在≤150℃温度的条件下干燥完全，即可得到环保暗室吸波材料。
3.如权利要求1所述环保暗室吸波材料的应用，其特征在于：将其置于EPP空心吸波尖锥的中空部分复合构成一种超宽带电波暗室吸波材料。
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