CN115838493B - 一种多孔结构屏蔽吸波复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔结构屏蔽吸波复合材料及其制备方法，其中制备方法包括制备非致密碳纳米管连续网络聚集体；向非致密碳纳米管连续网络聚集体中添加混合粉体后进行辊压，得到膜材；混合粉体包括高分子聚合物、屏蔽吸波粒子和发泡粉体；将一层或者多层膜材组合在一起后，将其置于温度大于100℃的环境中，使高分子聚合物融化，发泡粉体膨胀发泡形成中空微球，得到多孔结构屏蔽吸波复合材料。本发明的制备方法简单、易操作、成本低，且制备所得多孔结构屏蔽吸波复合材料保留了碳纳米管的连续网络结构，具有质量轻、厚度薄、适应频段宽、屏蔽效能强、导电性佳等优点。
Description
技术领域
本发明公开了一种多孔结构屏蔽吸波复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。
背景技术
随着电子和信息技术的发展，电磁波已经渗透到日常生活中的各个方面，更是关系到网络安全和国防安全，电磁屏蔽对日常生活、人体健康、设备运行、信息安全、武器装备等具有重要影响。
电磁屏蔽是在空间某个区域内，用以减弱由某些源引起的场强的措施。现有技术中电磁屏蔽使用的材料可为铜、铝、钢等金属或者铁氧体等。
由上可知，现有电磁屏蔽材料主要为单一材料，而单一材料存在质量大、成本高、厚度大、屏蔽效能不足等缺点，难以满足高性能电磁屏蔽需求。
发明内容
本申请的目的在于，提供一种多孔结构屏蔽吸波复合材料及其制备方法，以解决现有技术中单一电磁屏蔽材料存在的质量大、成本高、厚度大、屏蔽效能不足的技术问题。
本发明的第一方面提供了一种多孔结构屏蔽吸波复合材料的制备方法，包括：
制备非致密碳纳米管连续网络聚集体；
向所述非致密碳纳米管连续网络聚集体中添加混合粉体后进行辊压，得到膜材；所述混合粉体包括高分子聚合物、屏蔽吸波粒子和发泡粉体；
将一层或者多层所述膜材组合在一起后，将其置于温度大于100℃的环境中，使所述高分子聚合物融化，所述发泡粉体膨胀发泡形成中空微球，得到多孔结构屏蔽吸波复合材料。
优选地，所述高分子聚合物的体积大于所述混合粉体总体积的30％。
优选地，所述高分子聚合物、屏蔽吸波粒子和发泡粉体的体积比为1:1:1。
优选地，所述高分子聚合物为热塑性或热固性树脂材料；
所述屏蔽吸波粒子使用的材料为铁氧体吸波材料、微粉吸波材料；
所述发泡粉体为碳酸氢钠发泡剂或者十二烷基硫酸钠。
优选地，向所述非致密碳纳米管连续网络聚集体中添加混合粉体后进行辊压，具体包括：
通过物理沉积方式均匀地向所述非致密碳纳米管连续网络聚集体中添加混合粉体后进行辊压。
优选地，将一层或者多层所述膜材组合在一起后，将其置于温度大于100℃的环境中，具体包括：
将一层或者多层所述膜材组合在一起后，在组合后的所述膜材的上下表面均设置限位板；
将设置有所述限位板的组合后的膜材置于温度大于100℃的环境中。
优选地，所述混合粉体内的高分子聚合物、屏蔽吸波粒子和发泡粉体的粒径为微米级粒径或者纳米级粒径。
优选地，所述混合粉体内的高分子聚合物、屏蔽吸波粒子和发泡粉体的粒径均小于30μm。
本发明的第二方面提供了一种利用上述多孔结构屏蔽吸波复合材料的制备方法制备得到的多孔结构屏蔽吸波复合材料。
优选地，所述多孔结构屏蔽吸波复合材料的厚度为2mm-4mm，密度为1.5g/cm3-2g/cm3。
本发明的多孔结构屏蔽吸波复合材料及其制备方法，相较于现有技术，具有如下有益效果：
本发明的制备方法简单、易操作、成本低，且制备所得多孔结构屏蔽吸波复合材料保留了碳纳米管的连续网络结构，具有质量轻、厚度薄、适应频段宽、屏蔽效能强、导电性佳等优点。
附图说明
图1为本发明实施例中多孔结构屏蔽吸波复合材料的制备方法的流程图；
图2为本发明具体实施例中多孔结构屏蔽吸波复合材料的电磁屏蔽效果图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
本发明的第一方面提供了一种多孔结构屏蔽吸波复合材料的制备方法，其流程如图1所示，包括：
步骤1、制备非致密碳纳米管连续网络聚集体，具体为：
以乙醇、甲烷、乙炔等含碳有机物作为碳源，通过固态升华或液态雾化方式注入到高温炉管内，并在以氢气、氩气、氮气为主要载气的气流作用下沿炉管轴向方向由进料端向出料端运动，在此过程中含碳有机物发生高温裂解，形成碳原子，并在含Fe和S的催化剂作用下(如二茂铁和噻吩)发生原位化学反应，生成碳纳米管，并在载气气流作用下组装成为碳纳米管宏观体，在炉管出料端进行逐层收集，形成非致密的碳纳米管连续网络聚集体。
本发明实施例中的碳纳米管是一种具有较大长径比的高导电一维线性材料。一方面碳纳米管材料由于具有非常高的长径比，容易发生团聚，在聚合物中难以均匀分散；另一方面，碳纳米管在聚合物中难以形成连续导电网络，导致其电磁屏蔽性能不佳，且影响复合材料的力学性能。而利用本发明实施例的方法制备的碳纳米管连续网络聚集体为骨架结构，不存在局部团聚问题，从而便于后续向其内添加混合粉体，使得最终制备的多孔结构屏蔽吸波复合材料性能稳定。且利用后续步骤2，向碳纳米管中添加了屏蔽吸波粒子和发泡粉体，从而使得碳纳米管导电性、电磁屏蔽效能及稳定性均较佳。
步骤2、向非致密碳纳米管连续网络聚集体中添加混合粉体后进行辊压，得到膜材；其中混合粉体包括高分子聚合物、屏蔽吸波粒子和发泡粉体。
其中混合粉体内的高分子聚合物、屏蔽吸波粒子和发泡粉体的粒径为微米级粒径或者纳米级粒径。三者的粒径可相同或者不同，例如高分子聚合物、屏蔽吸波粒子和发泡粉体的粒径均小于30μm或者高分子聚合物、屏蔽吸波粒子的粒径均小于25μm，发泡粉体的粒径大于35μm。
本发明实施例中，步骤2具体为：
步骤21、通过物理沉积方式均匀地或者非均匀地向非致密碳纳米管连续网络聚集体中添加混合粉体。
本发明实施例中的物理沉积方式的具体实现方式为：采用自动化或者非自动化的振动筛粉撒粉装置，将微米级或纳米级混合粉体撒入非致密碳纳米管连续网络聚集体内部。
为保证制备所得多孔结构屏蔽吸波复合材料性能均一，本发明实施例优选利用自动化的振动筛粉撒粉装置将混合粉体均匀分布于碳纳米管连续网络聚集体内部。
为使屏蔽吸波粒子和发泡粉体的相对位置不变，从而保证制备所得多孔结构屏蔽吸波复合材料各部分性能稳定，本发明实施例混合粉体中的高分子聚合物的体积要大于混合粉体总体积的30％，例如可为31％，33％，34％，50％等，其中高分子聚合物为热塑性或热固性树脂材料，具体可为聚酰亚胺、环氧树脂、聚醚醚酮等。上述体积的热塑性或热固性树脂材料，能够使得其融化后足以包覆全部的屏蔽吸波粒子和发泡粉体，将碳纳米管、发泡粉体形成的中空微球、屏蔽吸波粒子均匀粘结在一起，保证所有的屏蔽吸波粒子和发泡粉体在碳纳米管连续网络聚集体中的相对位置固定。
本发明实施例中，屏蔽吸波粒子所使用的材料可以为铁氧体吸波材料、微粉吸波材料、多晶铁磁性金属纤维、希克夫盐基视黄脂等，由于铁氧体吸波材料具有吸收强、频带宽的优点，因此本发明优选使用铁氧体吸波材料，所使用的铁氧体吸波材料可以为镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、钡铁氧体等。
本发明实施例中的发泡粉体为碳酸氢钠发泡剂或者十二烷基硫酸钠。上述发泡粉体形成的中空微球不仅可以起到减重的作用，而且有利于电磁波的介电损耗，提高电磁波吸收能力。其与屏蔽吸波粒子协同工作，可大幅提高屏蔽效果。
优选地，本发明实施例中的高分子聚合物、屏蔽吸波粒子和发泡粉体的体积比为1:1:1。在该配比下，既能保证高分子聚合物胶黏剂的作用可充分发挥，又能使得屏蔽吸波粒子和发泡粉体的协同作用达到最大，提高电磁屏蔽效果。
步骤22、通过多层排列堆叠将宽度不超过100mm的添加混合粉体后的碳纳米管连续网络聚集体连续铺放于旋转金属(通常为不锈钢或者铝合金，表面光滑，粗糙度小于3.2)滚筒表面，并利用滚筒垂直于碳纳米管连续网络聚集体收集方向的运动，使其均匀铺放于滚筒表面；
步骤23、将均匀铺放于滚筒表面的含混合粉体的非致密碳纳米管连续网络聚集体膜材沿滚筒轴向切开，并将其取下，得到矩形非致密碳纳米管连续网络聚集体膜材；
步骤24、通过辊压方法将上述膜材进行初步致密处理，确保混合粉体牢牢固定于碳纳米管连续网络结构内部。
步骤3、将一层或者多层膜材组合在一起后，将其置于温度大于100℃的环境中，使高分子聚合物融化，发泡粉体膨胀发泡形成中空微球，得到多孔结构屏蔽吸波复合材料，具体为：
将单层或多层膜材组合在一起后，放置于温度大于100℃的高温环境，目的是使其内部的高分子聚合物融化和使发泡粉体膨胀。其中温度具体可为101℃、110℃、115℃或者120℃等。
为进一步使其定型，保证厚度一致性，在复合膜材上下各加一块限位板，最终得到具有碳纳米管连续网络结构、且其内部均匀分布有高分子聚合物、具有高效屏蔽效果的屏蔽吸波粒子、发泡中空微球的轻质电磁屏蔽吸波复合材料。
本发明的第二方面提供了一种利用上述多孔结构屏蔽吸波复合材料的制备方法制备得到的多孔结构屏蔽吸波复合材料。
本发明实施例得到的多孔结构屏蔽吸波复合材料的厚度为2-4mm，具体可为2mm、2.5mm、3mm或者4mm；密度为1.5g/cm3-2g/cm3，具体可为1.5g/cm3、1.7g/cm3、1.9g/cm3或者2g/cm3。在该厚度及密度范围内，其能够在保证屏蔽效果的同时，降低成本。
下面将以更为具体的实施例详述本申请。
实施例1
将粒径不超过30μm的环氧树脂、铁氧体和碳酸氢钠发泡剂按照体积比1:1:1混合，均匀撒于非致密碳纳米管聚集体内部，然后经过辊压得到厚度0.2mm的复合材料膜材，将5层该膜材放置于间距为2mm的模具之间，然后放置于150℃真空热处理炉中，得到厚度为2mm的复合材料板材。采用波导法进行电磁屏蔽性能测试，在2-18GHZ波段内，其综合电磁屏蔽效能均在60dB以上，如图2所示；复合板材密度仅为1.5g/cm3，且具有较好的柔韧性和强度，因此表现出非常优异的综合性能。
实施例2
将粒径大于35μm的聚酰亚胺、铁氧体和十二烷基硫酸钠按照体积比1:1:1混合，均匀撒于非致密碳纳米管聚集体内部，然后经过辊压得到厚度0.4mm的复合材料膜材，将5层该膜材放置于间距为3mm的模具之间，然后放置于150℃真空热处理炉中，得到厚度为3mm的复合材料板材。采用波导法进行电磁屏蔽性能测试，在2-18GHZ波段内，其综合电磁屏蔽效能均在55dB以上；复合板材密度仅为1.8g/cm3，且具有较好的柔韧性和强度，因此表现出非常优异的综合性能。
实施例3
将粒径不超过25μm的环氧树脂、铁氧体和碳酸氢钠发泡剂按照体积比1:1:1混合，均匀撒于非致密碳纳米管聚集体内部，然后经过辊压得到厚度0.3mm的复合材料膜材，将5层该膜材放置于间距为4mm的模具之间，然后放置于150℃真空热处理炉中，得到厚度为4mm的复合材料板材。采用波导法进行电磁屏蔽性能测试，在2-18GHZ波段内，其综合电磁屏蔽效能均在58dB以上；复合板材密度仅为2g/cm3，且具有较好的柔韧性和强度，因此表现出非常优异的综合性能。
本发明的制备方法简单、易操作、成本低，且制备所得多孔结构屏蔽吸波复合材料保留了碳纳米管的连续网络结构，导电性、电磁屏蔽效果及稳定性更佳。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (8)
1.一种多孔结构屏蔽吸波复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
制备非致密碳纳米管连续网络聚集体；
采用自动化或者非自动化的振动筛粉撒粉装置，将混合粉体撒入非致密碳纳米管连续网络聚集体内部后进行辊压，得到膜材；所述混合粉体包括高分子聚合物、屏蔽吸波粒子和发泡粉体；
将一层或者多层所述膜材组合在一起后，将其置于温度大于100℃的环境中，使所述高分子聚合物融化，所述发泡粉体膨胀发泡形成中空微球，得到多孔结构屏蔽吸波复合材料；
所述高分子聚合物的体积大于所述混合粉体总体积的30%；
所述高分子聚合物为热塑性或热固性树脂材料；
所述屏蔽吸波粒子使用的材料为铁氧体吸波材料；
所述发泡粉体为碳酸氢钠发泡剂或者十二烷基硫酸钠。
2.根据权利要求1所述的多孔结构屏蔽吸波复合材料的制备方法，其特征在于，所述高分子聚合物、屏蔽吸波粒子和发泡粉体的体积比为1:1:1。
3.根据权利要求1所述的多孔结构屏蔽吸波复合材料的制备方法，其特征在于，采用自动化或者非自动化的振动筛粉撒粉装置，将混合粉体撒入非致密碳纳米管连续网络聚集体内部后进行辊压，具体包括：
采用自动化或者非自动化的振动筛粉撒粉装置，将混合粉体均匀地撒入非致密碳纳米管连续网络聚集体内部后进行辊压。
4.根据权利要求1所述的多孔结构屏蔽吸波复合材料的制备方法，其特征在于，将一层或者多层所述膜材组合在一起后，将其置于温度大于100℃的环境中，具体包括：
将一层或者多层所述膜材组合在一起后，在组合后的所述膜材的上下表面均设置限位板；
将设置有所述限位板的组合后的膜材置于温度大于100℃的环境中。
5.根据权利要求1所述的多孔结构屏蔽吸波复合材料的制备方法，其特征在于，所述混合粉体内的高分子聚合物、屏蔽吸波粒子和发泡粉体的粒径为微米级粒径或者纳米级粒径。
6.根据权利要求1所述的多孔结构屏蔽吸波复合材料的制备方法，其特征在于，所述混合粉体内的高分子聚合物、屏蔽吸波粒子和发泡粉体的粒径均小于30μm。
7.一种利用权利要求1-6任一项所述的多孔结构屏蔽吸波复合材料的制备方法制备得到的多孔结构屏蔽吸波复合材料。
8.根据权利要求7所述的多孔结构屏蔽吸波复合材料，其特征在于，所述多孔结构屏蔽吸波复合材料的厚度为2mm-4mm，密度为1.5g/cm3-2g/cm3。
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