一种具有复合结构的吸波材料及其制备方法与流程

1.本发明属于吸波材料领域，具体涉及一种具有复合结构的吸波材料及其制备方法。


背景技术：

2.众所周知，吸波材料可以将电磁波能量转化为其他形式的能量或者通过电磁波的干涉相消作用，进而达到解决电磁污染和飞行器隐身问题。近年来，吸波材料在军事“隐身”技术、改善电磁兼容性能、防止电磁辐射、防止信息泄露等领域发挥了重要作用。对于一种吸波材料而言，材料质量、阻抗匹配、磁损耗能力、可吸收电磁波的频段范围等都是衡量吸波材料性能优劣的关键因素。
3.吸波材料通过自身的损耗机制将入射电磁波的电磁能转换成热能而耗散掉，或使入射电磁波因干涉而回波减小，将电磁能量分散到其他方向上。
4.磁性吸波材料是目前研究和应用得最多的一类。一般而言，磁性吸波材料由于其高温稳定性、易加工性以及宽频高效性在当前的军民国防领域具有重要的战略地位。如何将不同的磁性材料通过有效的排列、进而达到扩宽吸波频带以及增强吸波特性一直是该领域的研究热点。
5.申请号为200810075570.1的中国发明专利公开了一种多层雷达吸波涂料及其制备方法，吸波涂层包含交替叠合的介电损耗复合涂料层和磁性损耗复合涂料层。其中，介电损耗涂料主要包括四针状氧化锌晶须、导电炭黑；磁性损耗复合涂料主要包括四氧化三铁和纳米铁粉；用喷涂或刷涂法施工到铝质平板材料上，从底层至面层喷涂顺序为：磁性层-介电层-磁性-介电层，最终其在4～8ghz波段的反射率达-4～-6db；在8～18ghz波段的反射率达到-5～-8db。
6.申请号为201910428518.8的中国发明专利文献公开了一种多层结构的耐高温雷达吸波材料，所述多层结构的耐高温雷达吸波材料由内至外依次包括内介质层、耐高温介电涂层和外介质层，其中，所述耐高温介电涂层为al掺杂ti3sic2陶瓷介电涂层；所述介质层为超细玻璃纤维增强氧化物基复合材料。其在8.2～12.4ghz频率范围内大大改善材料的微波损耗性能。
7.综上可以看到，已公开技术中对宽频吸波材料的研究中，其吸波频段和效果始终不尽人意，还达不到要求。为了实现宽频吸波材料的高效能和薄层化，本领域急需开发一种新型的兼具优良磁电特性和宽频微波吸收特性的复合吸波材料。


技术实现要素：

8.本发明提供了一种具有复合结构的吸波材料，该吸波材料具有较高的宽频吸波性能和磁电特性。
9.一种具有复合结构的吸波材料包括吸附在基体上的高频稀土软磁层，形成于所述高频稀土软磁层上的fesial层，以及形成于所述fesial层上的羰基铁层，所述高频稀土软
磁层、fesial层以及羰基铁层三者在所述吸波材料的质量占比分别呈梯度变化。
10.考虑到羰基铁、fesial层、高频稀土软磁在微波频段的磁电特性的互补性(介电常数依次增大、磁导率依次增大以及微波损耗能力的作用频点逐步提升)，本发明通过高频稀土软磁层、fesial层、羰基铁层三者的电磁耦合与协同作用，优化了该复合吸波材料层与层间之间的阻抗，拓宽了材料的宽频频带覆盖能力，最终提升了材料的宽频吸波特性。
11.所述高频稀土软磁层、fesial层以及羧基铁层在所述吸波材料的质量占比分别为60-80:20-15:10-5。这个占比主要从以下两点考虑：(1)提升金属基底与复合涂层的结合力，由于稀土软磁呈现片层，适合作为金属基底的接触层；然而，过高的稀土软磁层厚度会导致金属基底与涂层结合力下降，不利于严苛环境下的多次重复使用；(2)考虑到高频稀土软磁层的强吸收与高磁导率特性，相对高厚度的稀土软磁层利于降低总体涂层厚度，达到薄层强吸收的目的。
12.所述具有复合结构的吸波材料的厚度为0.8～3.0mm。
13.所述高频稀土软磁层、fesial层以及羧基铁层的厚度分别为0.5-1.5:0.2-0.7:0.1-0.8mm。
14.所述高频稀土软磁的化学式为aacobfec，其中，a为y、pr、nd、er、gd、tb、dy、ho稀土元素中的一种，且aacob中a的原子数a含量为30-35％，co的原子数b为25-35％，fe的原子数c含量为30-45％。
15.高频稀土软磁层的强吸收与高磁导率特性使其成为宽频拓展的关键，层与层之间的结合作用是3d打印中使用的环氧树脂结合力，层与层之间存在薄层环氧树脂，高温下的固化呈现一定结合力，满足使用要求
16.所述具有复合结构的吸波材料的宽频吸波性能为最大反射率为-30～-45db，有效频带覆盖宽度4-6.5ghz
17.本发明还公开了一种具有复合结构的吸波材料的制备方法，包括:
18.(1)将所述高频稀土软磁、溶剂、3d打印液混合得到混合溶液a，将所述fesial、所述溶剂、所述3d打印液混合得到混合溶液b，将所述羰基铁粉、所述溶剂、所述3d打印液混合得到混合溶液c；
19.(2)通过3d打印技术，将所述混合溶液a打印到基体表面形成高频稀土软磁层，将混合溶液b打印到所述高频稀土软磁层表面得到高频稀土软磁层/fesial层，将混合溶液c打印到所述fesial层表面得到高频稀土软磁层/fesial层/羰基铁层，经固化后得到具有复合结构的吸波材料。
20.所述溶剂为丙酮、正己烷、环己酮、丁苯、二甲苯、异丁醇中的一种或者多种。
21.所述固化工艺为在100-300℃下固化1-2h。
22.本发明的发明原理如下：由于单层吸波材料难以达到理想的效果，常常要用多种吸波材料叠加组成多层结构吸波体。多层结构吸波体所需要的电磁兼容频带和带宽可以通过材料改进来实现。多层结构型吸波材料最大的难点是阻抗的匹配问题。通常而言，电磁波在进入吸波材料过程中会随着材料磁电特性的变化而具有不同的进入能力。本发明针对的是磁性材料，随着材料磁导率的梯度变化(比如由低到高)，电磁波的进入能力将会呈现出逐步变弱的趋势。由此可见，采用具有阻抗渐变结构的多层结构吸波体，通过阻抗匹配层的匹配作用，使空间入射来的电磁波可以尽可能多地进入吸收层而被损耗与吸收。在本发明
中，以低介电常数、低磁导率、高频性能好的球形羰基铁粉作为最外层；以中频吸收强的片状fesial作为过渡层；以高介电常数、高磁导率、低频损耗大的高频稀土软磁材料作为高损耗底层。最终通过综合优化工艺，得到具有宽频吸收能力的雷达隐身吸波材料。
23.本发明通过以上技术方案所获得的有益效果是：
24.(1)本发明的具有复合结构的吸波材料采用梯度结构设计，可以最大程度发挥材料的磁电特性，具体而言，低介电常数、低磁导率的羰基铁粉为最外层，其在高频段范围产生吸波效能；以中频吸收强的片状fesial作为过渡层，其在中频范围产生吸波效能；以高介电常数、高磁导率、低频损耗大的高频稀土软磁材料作为高损耗底层，其在低频段产生吸波效能。
25.(2)本发明的具有梯度的复合结构的吸波材料，可以承受较高的力学性能和抗热震性能，这为后续的隐身承载、多功能一体化奠定了一定基础。
附图说明
26.图1为具体实施方式提供的具有梯度的复合结构的吸波材料结构示意图。
27.图2为实施例1提供的具有梯度的复合结构的吸波材料的雷达波反射率曲线图。
28.图3为实施例2提供的具有梯度的复合结构的吸波材料的雷达波反射率曲线图。
29.图4为对比例1提供的具有梯度的复合结构的吸波材料的雷达波反射率曲线图。
具体实施方式
30.以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。但本发明的保护范围并不仅限于此。
31.实施例1
32.一种具有复合结构梯度的吸波材料，如图1所示，其由内至外依次包括高频稀土软磁、铁硅铝以及羰基铁外层；具体实施如下：
33.(1)将环氧树脂3d打印液20wt％，高频稀土软磁70wt％，纳米二氧化硅分散剂5wt％，环己酮5wt％初步混合，搅拌机慢速搅拌2h后，在金属基底上采用3d打印高频稀土软磁吸波涂层，厚度为0.8mm。
34.(2)将环氧树脂3d打印液50wt％，铁硅铝20wt％，纳米二氧化硅分散剂20wt％，环己酮10wt％初步混合，搅拌机慢速搅拌2h后，在步骤(1)得到的高频稀土软磁吸波涂层表面上采用3d打印铁硅铝吸波涂料，厚度为0.3mm；形成铁硅铝/高频稀土软磁吸波涂层。
35.(3)将环氧树脂3d打印液50wt％，羰基铁10wt％，纳米二氧化硅分散剂30wt％，环己酮10％初步混合，搅拌机慢速搅拌2h后，在(2)得到的铁硅铝/高频稀土软磁吸波涂层上采用3d打印羰基铁吸波涂料，厚度为0.2mm；形成铁硅铝/高频稀土软磁/羰基铁吸波涂层，在200℃下固化1h得到具有复合结构梯度的吸波材料，通过大板弓形法(国标测试方法gjb 2038a-2011-rl)测试得到吸波性能。如图2所示，实施例1制备的材料在2-18ghz频段内的最大反射率为-42db,有效频带覆盖宽度为6.5ghz。表1为实施例力学性能对照表。
36.实施例2
37.(1)将环氧树脂3d打印液20wt％，高频稀土软磁70wt％，纳米二氧化硅分散剂5wt％，环己酮5wt％初步混合，搅拌机慢速搅拌2h后，在金属基底上采用3d打印高频稀土软
磁吸波涂料，厚度为1mm。
38.(2)将环氧树脂3d打印液50wt％，铁硅铝20wt％，纳米二氧化硅分散剂20wt％，环己酮10wt％初步混合，搅拌机慢速搅拌2h后，在在(1)基础上采用3d打印铁硅铝吸波涂料，厚度为0.4mm；形成铁硅铝/高频稀土软磁吸波涂料，
39.(3)将环氧树脂3d打印液50wt％，羰基铁10wt％，纳米二氧化硅分散剂30wt％，环己酮10wt％初步混合，搅拌机慢速搅拌2h后，在(2)基础上采用3d打印羰基铁吸波涂料，厚度为0.4mm；形成铁硅铝/高频稀土软磁/羰基铁吸波涂料；在200℃下固化1h得到具有复合结构梯度的吸波材料。其性能如图3所示，实施例2制备的材料在2-18ghz频段内的最大反射率为-45db,有效频带覆盖宽度为5ghz。表1为实施例力学性能对照表。
40.对比例1
41.(1)将环氧树脂3d打印液50wt％，羰基铁10wt％，纳米二氧化硅分散剂30wt％，环己酮10wt％初步混合，搅拌机慢速搅拌2h后，在金属基底上采用3d打印高频稀土软磁吸波涂料，厚度为0.2mm。
42.(2)将环氧树脂3d打印液50wt％，铁硅铝20wt％，纳米二氧化硅分散剂20wt％，环己酮10wt％初步混合，搅拌机慢速搅拌2h后，在在(1)基础上采用3d打印铁硅铝吸波涂料，厚度为0.3mm；形成铁硅铝/羰基铁吸波涂料，
43.(3)将环氧树脂3d打印液20wt％，高频稀土软磁70wt％，纳米二氧化硅分散剂5wt％，环己酮5wt％初步混合，搅拌机慢速搅拌2h后，在(2)基础上采用3d打印高频稀土软磁吸波涂料，厚度为0.8mm；形成高频稀土软磁/铁硅铝/羰基铁吸波涂料；在200℃下固化1h得到具有复合结构梯度的吸波材料。其性能如图4所示，在2-18ghz频段内的最大反射率为-20db,有效频带覆盖宽度为2.5ghz。表1为实施例力学性能对照表。
44.表1力学性能对照表
45.
技术特征：
1.一种具有复合结构的吸波材料，其特征在于，包括：吸附在基体上的高频稀土软磁层，形成于所述高频稀土软磁层上的fesial层，以及形成于所述fesial层上的羰基铁层，所述高频稀土软磁层、fesial层以及羰基铁层三者在所述吸波材料的质量占比呈梯度变化。2.根据权利要求1所述的具有复合结构的吸波材料，其特征在于，所述高频稀土软磁层、fesial层以及羰基铁层在所述吸波材料的质量占比分别为60-80:20-15:10-5。3.根据权利要求1所述的具有复合结构的吸波材料，其特征在于，所述具有复合结构的吸波材料的厚度为0.8～3.0mm。4.根据权利要求1所述的具有复合结构的吸波材料，其特征在于，所述高频稀土软磁层、fesial层以及羰基铁层的厚度分别为0.5-1.5:0.2-0.7:0.1-0.8mm。5.根据权利要求1所述的具有复合结构的吸波材料，其特征在于，所述高频稀土软磁的化学式为a
a
co
b
fe
c
，其中，a为y、pr、nd、er、gd、tb、dy、ho稀土元素中的一种，且a
a
co
b
中a的原子数a含量为30-35％，co的原子数b为25-35％，fe的原子数c含量为30-45％。6.根据权利要求1所述的具有复合结构的吸波材料，其特征在于，所述具有复合结构的吸波材料的宽频吸波性能为最大反射率为-30～-45db，有效频带覆盖宽度4-6.5ghz。7.根据权利要求1-6任一项所述的具有复合结构的吸波材料的制备方法，其特征在于，包括：(1)将所述高频稀土软磁、溶剂、3d打印液混合得到混合溶液a，将所述fesial、所述溶剂、所述3d打印液混合得到混合溶液b，将所述羰基铁粉、所述溶剂、所述3d打印液混合得到混合溶液c；(2)通过3d打印技术，将所述混合溶液a打印到基体表面形成高频稀土软磁层，将混合溶液b打印到所述高频稀土软磁层表面得到高频稀土软磁层/fesial层，将混合溶液c打印到所述fesial层表面得到高频稀土软磁层/fesial层/羰基铁层，经固化后得到具有复合结构的吸波材料。8.根据权利要求7所述的具有复合结构的吸波材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂为丙酮、正己烷、环己酮、丁苯、二甲苯、异丁醇中的一种或者多种。9.根据权利要求7所述的具有复合结构的吸波材料的制备方法，其特征在于，所述固化工艺为在100-300℃下固化1-2h。

技术总结
本发明公开了一种具有复合结构的吸波材料，包括吸附在基体上的高频稀土软磁层，形成于所述高频稀土软磁层上的FeSiAl层，以及形成于所述FeSiAl层上的羰基铁层，所述高频稀土软磁层、FeSiAl层以及羰基铁层三者在所述吸波材料的质量占比分别呈梯度变化。该吸波材料具有较高的宽频吸波性能和磁电特性。本发明还提供了一种具有复合结构的吸波材料制备方法，该制备方法简单、高效。高效。高效。


技术研发人员：林建强 程俊峰 熊军 韩培松 程俊岗 刘少艮
受保护的技术使用者：宁波招宝磁业有限公司
技术研发日：2022.02.16
技术公布日：2022/5/25