一種金屬粉體及其制備和應(yīng)用的制作方法
本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，具體地涉及一種金屬粉體及其制備和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著移動(dòng)通訊、雷達(dá)通訊和探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，以及各類高頻率工作的電子器件的大量使用，電磁環(huán)境日益復(fù)雜化。為了解決電磁波輻射干擾、信息泄露和電磁污染問(wèn)題，利用吸波材料來(lái)將電磁波能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量或者通過(guò)電磁波的干涉相消作用，來(lái)抑制電磁波的輻射和干擾意義重大。吸波材料可以對(duì)電磁噪音進(jìn)行有效地抑制，也可以用于降低雷達(dá)波的反射和雷達(dá)信號(hào)對(duì)機(jī)載設(shè)備的干擾，在軍事和民用領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。
X波段是雷達(dá)波通訊和探測(cè)的重要波段，即8-12GHz。X頻段在空間應(yīng)用方面有空間研究、廣播衛(wèi)星、固定通訊業(yè)務(wù)衛(wèi)星、地球探測(cè)衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等用途?，F(xiàn)有的X波段吸波材料均難以同時(shí)滿足制備簡(jiǎn)單、薄層、輕量、寬頻和高效的應(yīng)用需求，尤其是其-10dB的有效帶寬無(wú)法覆蓋整個(gè)X波段。
因此，本領(lǐng)域急需開發(fā)一種新型的兼具制備簡(jiǎn)單、薄層、輕量、寬頻和高效等特點(diǎn)的X波段吸波材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種可用于制備兼具薄層、輕量、寬頻和高效等特點(diǎn)的X波段吸波材料的金屬粉體及其制備和應(yīng)用。
本發(fā)明的第一方面，提供了一種金屬粉體，所述金屬粉體具有式I所示組成：
FeMaRbNc 式I
其中，M選自下組：Ni、Co、Mn、Al、Ga、或其組合；
R為選自下組的稀土元素：Y、Ce、Nd、Pr、Sm、Er、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Lu、或其組合；
且按式I所示組成的原子總數(shù)計(jì)，M的原子個(gè)數(shù)百分含量a為1-99％，R的原子個(gè)數(shù)百分含量b為4-20％，N的原子個(gè)數(shù)百分含量c為0-15％，余量為Fe；
并且，所述金屬粉體的粒徑≤8μm。
在另一優(yōu)選例中，按式I所示組成的原子總數(shù)計(jì)，M的原子個(gè)數(shù)百分含量a為3-95％，R的原子個(gè)數(shù)百分含量b為6-15％，N的原子個(gè)數(shù)百分含量c為1-12％，余量為Fe。
在另一優(yōu)選例中，按式I所示組成的原子總數(shù)計(jì)，M的原子個(gè)數(shù)百分含量a為5-90％，R的原子個(gè)數(shù)百分含量b為8-12％，N的原子個(gè)數(shù)百分含量c為3-9％，余量為Fe。
在另一優(yōu)選例中，所述金屬粉體的粒徑為0.9－8μm。
在另一優(yōu)選例中，所述金屬粉體的粒徑為1－5μm，較佳地2－4.8μm，較佳地2.5-4.5μm，更佳地2.8－4.2μm。
在另一優(yōu)選例中，所述“粒徑”指平均粒徑。
在另一優(yōu)選例中，所述金屬粉體是單相的。
在另一優(yōu)選例中，所述金屬粉體包含單一軟磁滲氮相。
在另一優(yōu)選例中，所述“單一軟磁滲氮相”是指R2Fe17Nx，其中R如上文所定義，x的取值范圍為0.1－3.5，較佳地2.5－3.4。
本發(fā)明的第二方面，提供了一種復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包含本發(fā)明第一方面所述金屬粉體和任選的粘結(jié)劑。
在另一優(yōu)選例中，所述復(fù)合材料中所述金屬粉體和粘結(jié)劑的重量比為2-10：1-5。
在另一優(yōu)選例中，所述復(fù)合材料中所述金屬粉體和粘結(jié)劑的重量比為2-8：1-3，較佳地2-5：1.5-2.5。
在另一優(yōu)選例中，所述粘結(jié)劑為高分子粘結(jié)劑。
在另一優(yōu)選例中，所述粘結(jié)劑選自下組：熱固性樹脂、熱塑性樹脂、橡膠材料、纖維材料、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述熱固性樹脂選自下組：乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(EPD)、酚醛樹脂(PF)、環(huán)氧樹脂、聚氨酯、聚酰亞胺、有機(jī)硅樹脂、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述熱塑性樹脂選自下組：聚氯乙烯、聚甲醛(TPU)、聚乙烯、聚苯硫醚、聚丙烯、聚乙烯醇縮丁醛、聚偏二氟乙烯(PVD)、聚碳酸酯、聚苯醚、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述橡膠材料選自下組：丁苯橡膠(SBR)、天然橡膠(NR)、丁晴橡膠(NBR)、氯丁橡膠(CR)、三元乙丙橡膠、聚氯乙烯、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，按所述復(fù)合材料的總重量計(jì)，本發(fā)明第一方面所述金屬粉體的含量為50-95wt％。
在另一優(yōu)選例中，按所述復(fù)合材料的總重量計(jì)，本發(fā)明第一方面所述金屬粉體的含量為60-85wt％，較佳地63-80wt％，較佳地65-78wt％，更佳地70-78wt％。
本發(fā)明的第三方面，提供了一種吸波材料，所述吸波材料包含反射背襯層和結(jié)合于所述反射背襯層表面的吸收體層，且所述吸收體層包含本發(fā)明第一方面所述金屬粉體。
在另一優(yōu)選例中，形成所述反射背襯層的材料基本為導(dǎo)電材料。
在另一優(yōu)選例中，形成所述反射背襯層的材料選自下組：導(dǎo)電金屬材料、導(dǎo)電非金屬材料、非晶帶材、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述導(dǎo)電金屬材料選自下組：銅箔、鋁箔、鐵箔、銀箔、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述導(dǎo)電非金屬材料選自下組：石墨烯膜、碳纖維、碳納米管、石墨片、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述非晶帶材選自下組：非晶軟磁帶材、非晶納米晶帶材、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述非晶軟磁帶材選自下組：FeSiBP、FeSiBPC、FeSiBPNb、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述反射背襯層的厚度為0.01-0.5mm，較佳地0.05-0.3mm，更佳地0.08-0.2mm。
在另一優(yōu)選例中，所述吸收體層的厚度為0.1-3mm，較佳地0.5-2.5mm，較佳地1.2-2.2mm，更佳地1.4-2mm。
在另一優(yōu)選例中，所述吸收體層的厚度與所述反射背襯層的厚度的比值為3-50，較佳地5-45，更佳地7-40。
在另一優(yōu)選例中，所述吸波材料的厚度為0.5-4mm，較佳地0.8-3mm，更佳地1-2.5mm，更佳地1.3-2mm，最佳地1.5-1.9mm。
在另一優(yōu)選例中，所述吸收體層由本發(fā)明第二方面所述復(fù)合材料制成。
在另一優(yōu)選例中，所述吸波材料在有效帶寬≤-10dB可完全覆蓋8-12GHz的X波段，優(yōu)選為-10至-14dB，更優(yōu)選為-10至-12dB。
在另一優(yōu)選例中，所述完全覆蓋是指可覆蓋90-100％的8-12GHz的X波段，較佳地95-99.99％，更佳地98-99％。
在另一優(yōu)選例中，本發(fā)明第一方面所述金屬粉體均勻分布于所述吸收體層中。
在另一優(yōu)選例中，所述“均勻分布”是指所述金屬粉體在所述吸收體層的任一單位體積的體積密度與所述金屬粉體在整個(gè)所述吸收體層的的體積密度的比值為0.8-1.2，較佳地0.85-1.15，更佳地0.9-1.1。
在另一優(yōu)選例中，所述吸波材料的峰值吸收效能優(yōu)于-40dB，較佳地-45dB，更佳地-50dB。
本發(fā)明的第四方面，提供了一種本發(fā)明第一方面所述金屬粉體的制備方法，所述方法包括如下步驟：
1)按本發(fā)明第一方面所述金屬粉體的原子個(gè)數(shù)比例提供包含F(xiàn)e、M和R的混合物；
2)在惰性氣體保護(hù)下熔煉步驟1)所述混合物，得到包含F(xiàn)e、M和R的合金；
3)粉碎步驟2)所得合金，得到包含F(xiàn)e、M和R的金屬微粉；
4)任選地氮化處理步驟3)所得金屬微粉，得到本發(fā)明第一方面所述金屬粉體。
在另一優(yōu)選例中，M和R如上文所定義。
在另一優(yōu)選例中，所述惰性氣體選自下組：Ar、H2、He、Ne、Kr、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述熔煉的次數(shù)為1-10次，較佳地2-5次。
在另一優(yōu)選例中，所述粉碎包括如下步驟：
a-1)采用熔體快淬法處理所述合金，得到淬態(tài)合金帶材；
a-2)粗破碎所述淬態(tài)合金帶材；
a-3)球磨處理前述步驟所得產(chǎn)物，得到包含F(xiàn)e、M和R的金屬微粉。
在另一優(yōu)選例中，所述熔體快淬法處理的線速度為5-50米/秒，較佳地8-40米/秒，更佳地10-30米/秒。
在另一優(yōu)選例中，所述金屬微粉的粒徑為0.9－8μm，較佳地1－5μm，較佳地2－4.8μm，較佳地2.5-4.5μm，更佳地2.8－4.2μm。
在另一優(yōu)選例中，所述氮化處理優(yōu)選在氮?dú)庀逻M(jìn)行。
在另一優(yōu)選例中，所述氮化處理的壓力為3-10MPa。
在另一優(yōu)選例中，所述氮化處理的溫度為200-600℃。
在另一優(yōu)選例中，所述氮化處理的時(shí)間為0.5-5小時(shí)。
本發(fā)明的第五方面，提供了一種本發(fā)明第三方面所述吸波材料的制備方法，所述方法包括如下步驟：
i)提供第一混合物和反射背襯層材料，所述第一混合物包含本發(fā)明第二方面所述復(fù)合材料和第一溶劑；
ii)流延處理所述第一混合物，得到流延膜；
iii)熱處理所述流延膜，得到吸收體層；
iv)熱壓處理所述吸收體層和所述反射背襯層材料，得到本發(fā)明第三方面所述吸波材料。
在另一優(yōu)選例中，所述第一溶劑選自下組：C6-C12烷基、未取代的或C1-C3取代的苯基、丙酮、環(huán)己酮、乙酸丁酯、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述第一混合物中，所述金屬粉體的質(zhì)量濃度為63－79wt％，較佳地65－75wt％，更佳地68－72wt％。
在另一優(yōu)選例中，所述熱處理的溫度為50-120℃，較佳地60-100℃。
在另一優(yōu)選例中，所述熱處理的時(shí)間為200－350s，較佳地250－300s。
在另一優(yōu)選例中，所述熱壓處理過(guò)程中，所述吸收體層的層數(shù)為2－20層，較佳地5－15層。
在另一優(yōu)選例中，所述熱壓處理過(guò)程中，所述反射背襯層的層數(shù)為2－15層，較佳地5－10層。
在另一優(yōu)選例中，所述熱壓處理的處理溫度為60-300℃，較佳地70-200℃。
在另一優(yōu)選例中，所述熱壓處理的處理時(shí)間為150－300s，較佳地200－270s。
本發(fā)明的第六方面，提供了一種本發(fā)明第一方面所述金屬粉體或本發(fā)明第二方面所述復(fù)合材料的用途，用于制備選自下組的材料：吸波材料、屏蔽材料。
應(yīng)理解，在本發(fā)明范圍內(nèi)中，本發(fā)明的上述各技術(shù)特征和在下文(如實(shí)施例)中具體描述的各技術(shù)特征之間都可以互相組合，從而構(gòu)成新的或優(yōu)選的技術(shù)方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明所述吸波材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是流延制備本發(fā)明所述吸波材料中吸收體層的流延設(shè)備和工藝示意圖。
圖3是熱壓制備所述吸波材料的工藝示意圖。
圖4為實(shí)施例1所得厚度為1.72mm的吸波材料1的反射損耗隨頻率變化圖。
圖5為實(shí)施例1所得不同厚度的吸波材料1的反射損耗隨頻率變化圖。
圖6為實(shí)施例2所得厚度為1.75mm的吸波材料2的反射損耗隨頻率變化圖。
圖7為實(shí)施例3所得厚度為1.70mm的吸波材料3的反射損耗隨頻率變化圖。
圖8為對(duì)比例1所得厚度為1.72mm的吸波材料C1的反射損耗隨頻率變化圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明人經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期而深入的研究，意外地制備了一種特別適合應(yīng)用于制備吸波材料的金屬粉體，所述金屬粉體具有特定的組成和特定的粒徑，以包含所述金屬粉體的磁性材料制備的吸波材料可實(shí)現(xiàn)對(duì)X波段在-10dB以下的完全覆蓋。在此基礎(chǔ)上，發(fā)明人完成了本發(fā)明。
術(shù)語(yǔ)
如本文所用，術(shù)語(yǔ)“金屬磁粉”、“金屬微粉”、“吸收劑”或者“金屬粉體”可互換使用。
如本文所用，術(shù)語(yǔ)“石墨烯導(dǎo)電膜”或者“石墨烯膜”可互換使用。
在本發(fā)明中，術(shù)語(yǔ)“包含”表示各種成分可一起應(yīng)用于本發(fā)明的混合物、復(fù)合物或組合物中。因此，術(shù)語(yǔ)“主要由…組成”和“由…組成”包含在術(shù)語(yǔ)“包含”中。
金屬粉體及其制備方法
本發(fā)明提供了一種金屬粉體，所述金屬粉體具有式I所示組成：
FeMaRbNc 式I
其中，M選自下組：Ni、Co、Mn、Al、Ga、或其組合；
R為選自下組的稀土元素：Y、Ce、Nd、Pr、Sm、Er、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Lu、或其組合；
且按式I所示組成的原子總數(shù)計(jì)，M的原子個(gè)數(shù)百分含量a為1-99％，R的原子個(gè)數(shù)百分含量b為4-20％，N的原子個(gè)數(shù)百分含量c為0-15％，余量為Fe；
并且，所述金屬粉體的粒徑≤8μm。
在另一優(yōu)選例中，按式I所示組成的原子總數(shù)計(jì)，M的原子個(gè)數(shù)百分含量a為3-95％，R的原子個(gè)數(shù)百分含量b為6-15％，N的原子個(gè)數(shù)百分含量c為1-12％，余量為Fe。
在另一優(yōu)選例中，按式I所示組成的原子總數(shù)計(jì)，M的原子個(gè)數(shù)百分含量a為5-90％，R的原子個(gè)數(shù)百分含量b為8-12％，N的原子個(gè)數(shù)百分含量c為3-9％，余量為Fe。
在本發(fā)明中，所述金屬粉體的粒徑為0.9－8μm。
在另一優(yōu)選例中，所述金屬粉體的粒徑為1－5μm，較佳地2－4.8μm，較佳地2.5-4.5μm，更佳地2.8－4.2μm。
在另一優(yōu)選例中，所述“粒徑”指平均粒徑。
在另一優(yōu)選例中，所述金屬粉體是單相的。
在另一優(yōu)選例中，所述金屬粉體包含單一軟磁滲氮相。
在另一優(yōu)選例中，所述“單一軟磁滲氮相”是指R2Fe17Nx，其中R如上文所定義，x的取值范圍為0.1－3.5，較佳地2.5－3.4。
本發(fā)明還提供了一種所述金屬粉體的制備方法，所述方法包括如下步驟：
1)按所述金屬粉體的原子個(gè)數(shù)比例提供包含F(xiàn)e、M和R的混合物；
2)在惰性氣體保護(hù)下熔煉步驟1)所述混合物，得到包含F(xiàn)e、M和R的合金；
3)粉碎步驟2)所得合金，得到包含F(xiàn)e、M和R的金屬微粉；
4)任選地氮化處理步驟3)所得金屬微粉，得到所述金屬粉體。
在另一優(yōu)選例中，M和R如上文所定義。
在另一優(yōu)選例中，所述惰性氣體選自下組：Ar、H2、He、Ne、Kr、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述熔煉的次數(shù)為1-10次，較佳地2-5次。
在另一優(yōu)選例中，所述粉碎包括如下步驟：
a-1)采用熔體快淬法處理所述合金，得到淬態(tài)合金帶材；
a-2)粗破碎所述淬態(tài)合金帶材；
a-3)球磨處理前述步驟所得產(chǎn)物，得到包含F(xiàn)e、M和R的金屬微粉。
在另一優(yōu)選例中，所述熔體快淬法處理的線速度為5-50米/秒，較佳地8-40米/秒，更佳地10-30米/秒。
在另一優(yōu)選例中，所述金屬微粉的粒徑為0.9－8μm，較佳地1－5μm，較佳地2－4.8μm，較佳地2.5-4.5μm，更佳地2.8－4.2μm。
在另一優(yōu)選例中，所述氮化處理優(yōu)選在氮?dú)庀逻M(jìn)行。
在另一優(yōu)選例中，所述氮化處理的壓力為3-10MPa。
在另一優(yōu)選例中，所述氮化處理的溫度為200-600℃。
在另一優(yōu)選例中，所述氮化處理的時(shí)間為0.5-5小時(shí)。
換言之，為了實(shí)現(xiàn)X波段的高效微波吸收，本發(fā)明提供了一種新型的金屬稀土化合物(即本發(fā)明所述金屬粉體)，因其在X波段優(yōu)異的電磁特性使高效的微波吸收成為可能。所述金屬粉體的原子組成滿足關(guān)系式：FeMaRbNc，其中M為Ni、Co、Mn和Al的至少一種，R為稀土元素Y、Ce、Nd、Pr、Sm中的任一種或多種的組合；且上述關(guān)系式原子比滿足以下條件：0.01≤a≤0.99，0.04≤b≤0.2，0≤c≤0.09，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。所述金屬粉體的設(shè)計(jì)原理在于：為了克服單一均勻稀土-金屬成相困難的技術(shù)難題和簡(jiǎn)化制備工藝，采用多組元增熵機(jī)理提升合金熔體熱穩(wěn)定性，結(jié)合共晶團(tuán)簇和微合金化細(xì)化組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)。具體地，所述金屬粉體采用添加Ni、Co、Mn和Al元素和混合輕稀土元素組合，通過(guò)相似元素替換和優(yōu)化提升材料整體熱穩(wěn)定性，抑制不必要的雜項(xiàng)析出。
此外，本發(fā)明還提供了一種新型的金屬稀土化合物粉體(即本發(fā)明所述金屬粉體)的制造方法，所得金屬磁粉的尺寸優(yōu)選在4μm以下。所述方法的步驟包括：按照本發(fā)明式I表達(dá)式配料，在氣氛保護(hù)下熔煉成均勻合金液體，隨爐冷卻成母合金錠；采用熔體快淬法制備出均勻單相的快淬帶材，快淬輥輪線速度優(yōu)選10—30m/s；采用氫破、氣流磨和機(jī)械球磨的一種或多種將快淬帶材破碎至4μm以下，破碎過(guò)程在氣氛保護(hù)和球磨介質(zhì)的保護(hù)下進(jìn)行，以防止氧化；氮化過(guò)程采用控溫加壓滲氮技術(shù)，純氮?dú)饧訅褐?～10MPa，溫度控制在300～600℃，時(shí)間控制在1～10h，以確保單一軟磁滲氮相的形成。因此，采用高熱穩(wěn)定性稀土金屬化合物材料體系，利用簡(jiǎn)單的快淬、制粉和滲氮工藝即可獲得單一均勻的稀土-金屬化合相。
應(yīng)理解，在本發(fā)明中，當(dāng)所述金屬粉體的粒徑大于10μm時(shí)，高頻下渦流損耗急劇增大，不利于降低吸波材料的面密度；當(dāng)所述金屬粉體的粒徑小于900nm時(shí)，粉體易被氧化，且在粘結(jié)劑中無(wú)法保證分散性，同樣無(wú)法降低吸波材料的面密度。
復(fù)合材料
本發(fā)明還提供了一種復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包含所述金屬粉體和任選的粘結(jié)劑。
在本發(fā)明中，所述復(fù)合材料中所述金屬粉體和粘結(jié)劑的重量比為2-10：1-5。
在另一優(yōu)選例中，所述復(fù)合材料中所述金屬粉體和粘結(jié)劑的重量比為2-8：1-3，較佳地2-5：1.5-2.5。
在另一優(yōu)選例中，所述粘結(jié)劑為高分子粘結(jié)劑。
在另一優(yōu)選例中，所述粘結(jié)劑包括(但并不限于)：熱固性樹脂、熱塑性樹脂、橡膠材料、纖維材料、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述熱固性樹脂包括(但并不限于)：乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(EPD)、酚醛樹脂(PF)、環(huán)氧樹脂、聚氨酯、聚酰亞胺、有機(jī)硅樹脂、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述熱塑性樹脂包括(但并不限于)：聚氯乙烯、聚甲醛(TPU)、聚乙烯、聚苯硫醚、聚丙烯、聚乙烯醇縮丁醛、聚偏二氟乙烯(PVD)、聚碳酸酯、聚苯醚、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述橡膠材料包括(但并不限于)：丁苯橡膠(SBR)、天然橡膠(NR)、丁晴橡膠(NBR)、氯丁橡膠(CR)、三元乙丙橡膠、聚氯乙烯、或其組合。
在本發(fā)明中，按所述復(fù)合材料的總重量計(jì)，所述金屬粉體的含量為50-95wt％。
在另一優(yōu)選例中，按所述復(fù)合材料的總重量計(jì)，權(quán)利要求1所述金屬粉體的含量為60-85wt％，較佳地63-80wt％，較佳地65-78wt％，更佳地70-78wt％。
應(yīng)理解，在本發(fā)明中，在所述復(fù)合材料中，當(dāng)所述金屬粉體的含量小于63wt％時(shí)，-10dB的有效帶寬無(wú)法覆蓋整個(gè)X波段，或者反射損耗覆蓋整個(gè)X波段時(shí)所需復(fù)合材料的厚度過(guò)大；當(dāng)所述金屬粉體的含量大于80wt％時(shí)，所得復(fù)合材料面密度過(guò)大，沒(méi)有實(shí)用性。
吸波材料及其制備方法
本發(fā)明還提供了一種吸波材料，所述吸波材料包含反射背襯層和結(jié)合于所述反射背襯層表面的吸收體層，且所述吸收體層包含所述金屬粉體。
在另一優(yōu)選例中，形成所述反射背襯層的材料基本為導(dǎo)電材料。
在另一優(yōu)選例中，形成所述反射背襯層的材料包括(但并不限于)：導(dǎo)電金屬材料、導(dǎo)電非金屬材料、非晶帶材、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述導(dǎo)電金屬材料包括(但并不限于)：銅箔、鋁箔、鐵箔、銀箔、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述導(dǎo)電非金屬材料包括(但并不限于)：石墨烯膜、碳纖維、碳納米管、石墨片、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述非晶帶材包括(但并不限于)：非晶軟磁帶材、非晶納米晶帶材、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述非晶軟磁帶材包括(但并不限于)：FeSiBP、FeSiBPC、FeSiBPNb、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述反射背襯層的厚度為0.01-0.5mm，較佳地0.05-0.3mm，更佳地0.08-0.2mm。
在另一優(yōu)選例中，所述吸收體層的厚度為0.1-3mm，較佳地0.5-2.5mm，較佳地1.2-2.2mm，更佳地1.4-2mm。
在另一優(yōu)選例中，所述吸收體層的厚度與所述反射背襯層的厚度的比值為3-50，較佳地5-45，更佳地7-40。
在另一優(yōu)選例中，所述吸波材料的厚度為0.5-4mm，較佳地0.8-3mm，更佳地1-2.5mm，更佳地1.3-2mm，最佳地1.5-1.9mm。
在本發(fā)明中，所述吸收體層由所述復(fù)合材料制成。
在另一優(yōu)選例中，所述吸波材料在有效帶寬≤-10dB可完全覆蓋8-12GHz的X波段，優(yōu)選為-10至-14dB，更優(yōu)選為-10至-12dB。
在另一優(yōu)選例中，所述完全覆蓋是指可覆蓋90-100％的8-12GHz的X波段，較佳地95-99.99％，更佳地98-99％。
在另一優(yōu)選例中，所述金屬粉體均勻分布于所述吸收體層中。
在另一優(yōu)選例中，所述“均勻分布”是指所述金屬粉體在所述吸收體層的任一單位體積的體積密度與所述金屬粉體在整個(gè)所述吸收體層的的體積密度的比值為0.8-1.2，較佳地0.85-1.15，更佳地0.9-1.1。
在另一優(yōu)選例中，所述吸波材料的峰值吸收效能優(yōu)于-40dB，較佳地-45dB，更佳地-50dB。
本發(fā)明還提供了一種所述吸波材料的制備方法，所述方法包括如下步驟：
i)提供第一混合物和反射背襯層材料，所述第一混合物包含所述復(fù)合材料和第一溶劑；
ii)流延處理所述第一混合物，得到流延膜；
iii)熱處理所述流延膜，得到吸收體層；
iv)熱壓處理所述吸收體層和所述反射背襯層材料，得到所述吸波材料。
在另一優(yōu)選例中，所述第一溶劑包括(但并不限于)：C6-C12烷基、未取代的或C1-C3取代的苯基、丙酮、環(huán)己酮、乙酸丁酯、或其組合。
在另一優(yōu)選例中，所述第一混合物中，所述金屬粉體的質(zhì)量濃度為63－79wt％，較佳地65－75wt％，更佳地68－72wt％。
在另一優(yōu)選例中，所述熱處理的溫度為50-120℃，較佳地60-100℃。
在另一優(yōu)選例中，所述熱處理的時(shí)間為200－350s，較佳地250－300s。
在另一優(yōu)選例中，所述熱壓處理過(guò)程中，所述吸收體層的層數(shù)為2－20層，較佳地5－15層。
在另一優(yōu)選例中，所述熱壓處理過(guò)程中，所述反射背襯層的層數(shù)為2－15層，較佳地5－10層。
在另一優(yōu)選例中，所述熱壓處理的處理溫度為60-300℃，較佳地70-200℃。
在另一優(yōu)選例中，所述熱壓處理的處理時(shí)間為150－300s，較佳地200－270s。
在本發(fā)明中，吸波材料由吸收體層和反射背襯層組成，吸收體層是金屬磁粉均勻分散于高分子粘接劑中形成的片狀復(fù)合材料，反射背襯層是高導(dǎo)電金屬或非金屬薄膜材料，如圖1所示。
本發(fā)明所述吸波材料的吸收體層采用的粘接劑選自下組：熱固性樹脂(EPD、PF、POM)、熱塑性樹脂(PI、PA、PU、TPU、PE、PPS、PP、PVB、PVD、PD)和橡膠材料(SBR、NR、NBR、CR)的一種。
本發(fā)明所述吸波材料的反射背襯層由導(dǎo)電材料銅箔、鋁箔、石墨烯膜或非晶軟磁帶材的一種組成，所述反射背襯層的厚度優(yōu)選地小于0.1mm。
在所述吸波材料中，采用上述粘接劑可以有效分散金屬磁粉，控制材料的高頻磁電特性；采用上述高導(dǎo)電反射背襯層，可在復(fù)合材料磁電特性達(dá)到很好的阻抗匹配條件下，對(duì)入射電磁波進(jìn)行反射以達(dá)到四分之一波長(zhǎng)相消條件，實(shí)現(xiàn)電磁波的高效吸收。
本發(fā)明提供的X波段吸波材料，在8～12GHz全X波段吸波效能優(yōu)于-10dB，優(yōu)選吸波材料吸收效能優(yōu)于-12dB，峰值吸收優(yōu)于-40dB，優(yōu)選峰值吸波效能優(yōu)于-60dB，吸波材料總體厚度小于1.8mm，符合吸波材料薄、輕、寬、強(qiáng)的整體發(fā)展趨勢(shì)，因此應(yīng)用前景廣闊。
應(yīng)理解，在本發(fā)明中，在所述吸波材料中，采用的模型為界面反射模型，即吸波層附著在導(dǎo)電性優(yōu)良的反射背襯上，吸波層的厚度與所述反射背襯層的厚度沒(méi)有必然關(guān)系。
本發(fā)明還提供了一種所述吸波材料的制備方法，包括流延工藝和熱壓延工藝。流延工藝包括：將粘接劑和上述金屬磁粉的一種，按不同比例混合成吸波漿料，磁粉和粘接劑重量比優(yōu)選1:3-5:1；采用如圖2所示的流延工藝，將吸波漿料放入流延送料槽2中，主動(dòng)輪5轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)傳送帶和從動(dòng)輪1，漿料經(jīng)過(guò)流延刀片3刮平傳送形成流延膜，流延刀片3和傳送帶之間的間隙優(yōu)選0.1～2mm；流延薄膜經(jīng)過(guò)傳送帶進(jìn)入烘干區(qū)固化4，傳送帶速度優(yōu)選0.1～1m/min，烘干固化溫度優(yōu)選70～120攝氏度；流延薄膜經(jīng)過(guò)傳送帶由主動(dòng)輪5卷取。熱壓延工藝如圖3所示，具體工藝包括：將同尺寸規(guī)格的流延膜片6和反射背襯7，經(jīng)熱壓延輥8和收納輥10連接，熱壓延輥8加熱至壓延溫度，控制熱壓延輥間距離小于流延膜和反射背襯總厚度0.1～1mm，熱壓延輥輪轉(zhuǎn)動(dòng)完成壓延和反射背襯層貼覆，收納輥10完成卷取。熱壓延溫度優(yōu)選100～300攝氏度，熱壓延輥轉(zhuǎn)動(dòng)線速度優(yōu)選0.5～10米每分鐘；完成壓延和反射背襯層貼覆的吸波材料，根據(jù)要求裁切成不同尺寸貼覆使用，使用時(shí)反射背襯層在電磁波源的遠(yuǎn)端。上述X波段吸波材料由于制備方法簡(jiǎn)便可靠，因此適于大批量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
應(yīng)理解，氮化處理過(guò)程極為重要，通過(guò)引入氮原子能夠使合金的飽和磁化強(qiáng)度增大到3～5倍，從而有利于改善其高頻磁性，進(jìn)而更容易滿足吸波材料薄輕寬強(qiáng)的相關(guān)要求。
總之，本發(fā)明提供了一種薄層、寬頻和高效的X波段吸波材料及其制備方法。所述吸波材料能夠滿足通訊、雷達(dá)探測(cè)等軍用和民用X波段吸波材料的應(yīng)用需求，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：
(1)所述吸波材料兼具制備簡(jiǎn)單、薄層、輕量、寬頻和高效等特點(diǎn)；
(2)所述吸波材料可在優(yōu)于-10dB的有效帶寬完全覆蓋X波段；
(3)所述吸波材料機(jī)械性能優(yōu)異，耐蝕性能好。
下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。下列實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件或按照制造廠商所建議的條件。除非另外說(shuō)明，否則百分比和份數(shù)按重量計(jì)算。
除非另行定義，文中所使用的所有專業(yè)與科學(xué)用語(yǔ)與本領(lǐng)域熟練人員所熟悉的意義相同。此外，任何與所記載內(nèi)容相似或均等的方法及材料皆可應(yīng)用于本發(fā)明方法中。文中所述的較佳實(shí)施方法與材料僅作示范之用。
反射損耗隨頻率變化的測(cè)試方法
測(cè)試儀器：N5225A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀
測(cè)試方法：使用同軸線法測(cè)試吸波材料的電磁參數(shù)，然后利用傳輸線理論計(jì)算得到反射損耗隨頻率變化關(guān)系。
實(shí)施例1Fe72Co10Ce5Pr5N8金屬微粉1-1、丁苯橡膠和銅箔復(fù)合的吸波材料1
按合金配比稱取Ce、Pr、Fe和Co元素，在惰性氣體(如Ar、He、Ne和/或Kr)保護(hù)下熔煉成母合金，采用熔體快淬法制得淬態(tài)合金帶材，熔體快淬的線速度為10米/秒；
將快淬帶材經(jīng)過(guò)粗破碎后用球磨研磨成粉，球磨機(jī)加入異丙醇和酞酸酯偶聯(lián)劑濕磨，球料比為20：1，球磨速度為300轉(zhuǎn)/分鐘，球磨總時(shí)間為8小時(shí)，獲得粉體粒徑小于4微米的金屬粉體1；
將球磨后的金屬粉體1置于高壓反應(yīng)釜中氮化，純氮?dú)饧訅褐?MPa，溫度控制在350℃，時(shí)間控制在2小時(shí)，以確保單一軟磁滲氮相的形成，得到金屬微粉1-1，其粒徑約為3.5微米；
將丁苯橡膠顆粒融于己烷和甲苯混合溶液，按照丁苯橡膠和金屬磁粉1-1為1:3的重量比例混合成吸波漿料，漿料攪拌均勻后注入流延送料槽，經(jīng)過(guò)流延刀片刮平傳送，形成流延膜，流延刀片和傳送帶之間的間隙為0.5mm；
流延薄膜經(jīng)過(guò)傳送帶進(jìn)入烘干區(qū)固化，傳送帶速度0.5米/分鐘，烘干固化溫度為80攝氏度，流延薄膜經(jīng)過(guò)傳送帶由收納輥卷取，得到復(fù)合材料1；
將多層(如15層)上述步驟所得流延膜片(單層厚度約為0.1-0.5mm)和銅箔(如2層，單層厚度為0.05mm)經(jīng)熱壓延輥和收納輥連接，熱壓延輥加熱至140攝氏度，控制熱壓延輥間距離控制在1.72mm，熱壓延輥轉(zhuǎn)動(dòng)線速度優(yōu)選0.5米/分鐘，得到吸波材料1。
將所得吸波材料1裁切成環(huán)形樣品，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分析其磁電特性，并獲得在不同頻率和厚度的吸波效能。
圖4為實(shí)施例1所得厚度為1.72mm的吸波材料1的反射損耗隨頻率變化圖。具體地，其顯示了厚度為1.72mm的Fe72Co10Ce5Pr5N8金屬微粉1-1、丁苯橡膠和銅箔復(fù)合所得吸波材料1的反射損耗隨頻率變化圖，圖中顯示吸收峰值在10GHz附近，峰值吸收效能為-61dB，-10dB的有效帶寬完全覆蓋了8-12GHz。
圖5為實(shí)施例1所得不同厚度的吸波材料1的反射損耗隨頻率變化圖。具體地，其顯示了Fe72Co10Ce5Pr5N8金屬微粉1-1、丁苯橡膠和銅箔復(fù)合所得不同厚度的吸波材料1的反射損耗隨頻率變化圖。從圖5可以看出：在此磁粉濃度下，不同厚度的復(fù)合吸波材料在不同微波頻率，同樣可以達(dá)到峰值吸收-20dB的吸收效果。此外，厚度為1.8mm和1.72mm的吸波材料的-10dB的有效帶寬均可以實(shí)現(xiàn)在X波段的全覆蓋。
實(shí)施例2Fe2Co89Pr3Y3Nd3金屬微粉2、TPU和石墨烯導(dǎo)電膜復(fù)合的吸波材料2
按合金配比稱取Pr、Y、Nd、Fe和Co元素，在惰性氣體(如Ar、He、Ne和/或Kr)保護(hù)下熔煉成母合金，采用熔體快淬法制得淬態(tài)合金帶材，熔體快淬的線速度為20米/秒；
將快淬帶材經(jīng)過(guò)粗破碎后用球磨研磨成粉，球磨機(jī)加入異丙醇和酞酸酯偶聯(lián)劑濕磨，球料比為20：1，球磨速度為300轉(zhuǎn)/分鐘，球磨總時(shí)間為8小時(shí)，獲得粉體粒徑小于4微米的金屬微粉2，其粒徑約為3.5微米；
將TPU、丙酮和甲苯混合，按照TPU和金屬微粉2的重量比為1:3.5的比例混合成吸波漿料，漿料攪拌均勻后注入流延送料槽，經(jīng)過(guò)流延刀片刮平傳送，形成流延膜，流延刀片和傳送帶之間的間隙為0.5mm；
流延薄膜經(jīng)過(guò)傳送帶進(jìn)入烘干區(qū)固化，傳送帶速度優(yōu)選0.5米/分鐘，烘干固化溫度為60攝氏度，流延薄膜經(jīng)過(guò)傳送帶由收納輥卷取，得到復(fù)合材料2；
將多層(如15層)上述步驟所得流延膜片(單層厚度為0.1-0.5mm)和石墨烯導(dǎo)電膜(如10層，單層厚度為0.02mm)經(jīng)熱壓延輥和收納輥連接，熱壓延輥加熱至80攝氏度，控制熱壓延輥間距離為1.75mm，熱壓延輥轉(zhuǎn)動(dòng)線速度優(yōu)選0.5米/分鐘，得到吸波材料2。
將所得吸波材料2裁切成環(huán)形樣品，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分析其磁電特性，并獲得在不同頻率和厚度的吸波效能。
圖6為實(shí)施例2所得厚度為1.75mm的吸波材料2的反射損耗隨頻率變化圖。具體地，其顯示了厚度為1.75mm的Fe2Co89Pr3Y3Nd3金屬微粉2、TPU和石墨烯導(dǎo)電膜復(fù)合所得吸波材料2的反射損耗隨頻率變化圖，圖中顯示吸收峰值在10GHz附近，峰值吸收效能為-56dB，-12dB的有效帶寬完全覆蓋了8～12GHz的X波段。
實(shí)施例3Fe41Co41Ce4Pr3Y3N8金屬微粉3-1、丁晴橡膠和鋁箔復(fù)合的吸波材料3
按合金配比稱取Ce、Pr、Y、Fe和Co元素，在惰性氣體(如Ar、He、Ne和/或Kr)保護(hù)下熔煉成母合金，采用熔體快淬法制得淬態(tài)合金帶材，熔體快淬的線速度為25米/秒；
將快淬帶材經(jīng)過(guò)粗破碎后用球磨研磨成粉，球磨機(jī)加入異丙醇和酞酸酯偶聯(lián)劑濕磨，球料比為20：1，球磨速度為300轉(zhuǎn)/分鐘，球磨總時(shí)間為8小時(shí)，獲得粉體粒徑小于4微米的金屬微粉3；
將球磨后的金屬微粉3置于高壓反應(yīng)釜中氮化，純氮?dú)饧訅褐?MPa，溫度控制在400℃，時(shí)間控制在2小時(shí)，以確保單一軟磁滲氮相的形成，得到金屬微粉3-1，其粒徑約為4微米；
將丁晴橡膠顆粒融于乙酸丁酯和甲苯混合溶液，按照丁晴橡膠和金屬微粉3-1的重量比為1:3的比例混合成吸波漿料，漿料攪拌均勻后注入流延送料槽，經(jīng)過(guò)流延刀片刮平傳送，形成流延膜，流延刀片和傳送帶之間的間隙為0.7mm；
流延薄膜經(jīng)過(guò)傳送帶進(jìn)入烘干區(qū)固化，傳送帶速度優(yōu)選0.5米/分鐘，烘干固化溫度為80攝氏度，流延薄膜經(jīng)過(guò)傳送帶由收納輥卷取，得到復(fù)合材料3；
將多層(如15層)上述步驟所得流延膜片(單層厚度為0.1-0.5mm)和單層厚度為0.05mm的鋁箔2層經(jīng)熱壓延輥和收納輥連接，熱壓延輥加熱至160攝氏度，控制熱壓延輥間距離為1.70mm，熱壓延輥轉(zhuǎn)動(dòng)線速度0.7米/分鐘，得到吸波材料3。
將吸波材料3裁切成環(huán)形樣品，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分析其磁電特性，并獲得在不同頻率和厚度的吸波效能。
圖7為實(shí)施例3所得厚度為1.70mm的吸波材料3的反射損耗隨頻率變化圖。具體地，其顯示了厚度為1.70mm的Fe41Co41Ce4Pr3Y3N8金屬微粉3-1、丁晴橡膠和鋁箔復(fù)合所得吸波材料3的反射損耗隨頻率變化圖，圖中顯示吸收峰值在10GHz附近，峰值吸收效能為-54dB，-14dB的有效帶寬完全覆蓋了8～12GHz。
實(shí)施例4～10
實(shí)施例4-10同實(shí)施例1，區(qū)別在于實(shí)驗(yàn)所用原料的信息如下表1所示。
表1
其中，“非晶帶材”指選自下組的材料：FeSiBP、FeSiBPC、FeSiBPNb、或其組合。
對(duì)比例1Fe72Co10Ce5Pr5N8金屬微粉C1-1、丁苯橡膠和銅箔復(fù)合的吸波材料C1
按合金配比稱取Ce、Pr、Fe和Co元素，在惰性氣體(如Ar、He、Ne和/或Kr)保護(hù)下熔煉成母合金，采用熔體快淬法制得淬態(tài)合金帶材，熔體快淬的線速度為3米/秒；
將快淬帶材經(jīng)過(guò)粗破碎后用球磨研磨成粉，球磨機(jī)加入異丙醇和酞酸酯偶聯(lián)劑濕磨，球料比為10：1，球磨速度為100轉(zhuǎn)/分鐘，球磨總時(shí)間為10小時(shí)，獲得粉體粒徑大于8微米的金屬粉體C1；
將球磨后的金屬粉體C1置于高壓反應(yīng)釜中氮化，純氮?dú)饧訅褐?MPa，溫度控制在350℃，時(shí)間控制在2小時(shí)，以確保單一軟磁滲氮相的形成，得到金屬微粉C1-1，其粒徑約為10微米；
將丁苯橡膠顆粒融于己烷和甲苯混合溶液，按照丁苯橡膠和金屬磁粉C1-1為1:3的重量比例混合成吸波漿料，漿料攪拌均勻后注入流延送料槽，經(jīng)過(guò)流延刀片刮平傳送，形成流延膜，流延刀片和傳送帶之間的間隙為0.5mm；
流延薄膜經(jīng)過(guò)傳送帶進(jìn)入烘干區(qū)固化，傳送帶速度0.5米/分鐘，烘干固化溫度為80攝氏度，流延薄膜經(jīng)過(guò)傳送帶由收納輥卷取，得到復(fù)合材料C1；
將多層(如15層)上述步驟所得流延膜片(單層厚度約為0.1-0.5mm)和銅箔(如2層，單層厚度為0.05mm)經(jīng)熱壓延輥和收納輥連接，熱壓延輥加熱至140攝氏度，控制熱壓延輥間距離控制在1.72mm，熱壓延輥轉(zhuǎn)動(dòng)線速度優(yōu)選0.5米/分鐘，得到吸波材料C1。
將所得吸波材料C1裁切成環(huán)形樣品，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分析其磁電特性，并獲得在不同頻率和厚度的吸波效能。
圖8為對(duì)比例1所得厚度為1.72mm的吸波材料C1的反射損耗隨頻率變化圖。具體地，其顯示了厚度為1.72mm的Fe72Co10Ce5Pr5N8金屬微粉C1-1、丁苯橡膠和銅箔復(fù)合所得吸波材料C1的反射損耗隨頻率變化圖，圖中顯示吸收峰值在7.5GHz附近，峰值吸收效能為-16dB，-10dB的有效帶寬完全覆蓋了6.2-9.7GHz。此外，吸波材料C1的-10dB的有效帶寬均無(wú)法實(shí)現(xiàn)在X波段的全覆蓋。
綜上所述，本發(fā)明提供了一種薄層、輕量、寬頻和高效的X波段吸波材料及其制備方法。該吸波材料吸波效果顯著，制備方法簡(jiǎn)便可靠，能夠滿足通訊、雷達(dá)探測(cè)等軍用和民用X波段吸波材料的應(yīng)用需求，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
在本發(fā)明提及的所有文獻(xiàn)都在本申請(qǐng)中引用作為參考，就如同每一篇文獻(xiàn)被單獨(dú)引用作為參考那樣。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明的上述講授內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
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