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CN114801381A - 一种多层吸波材料及其制备方法 - Google Patents

一种多层吸波材料及其制备方法 Download PDF

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CN114801381A CN202210319781.5A CN202210319781A CN114801381A CN 114801381 A CN114801381 A CN 114801381A CN 202210319781 A CN202210319781 A CN 202210319781A CN 114801381 A CN114801381 A CN 114801381A
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郭少云
袁念眉
张利
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Abstract

本发明涉及吸波材料技术领域，公开了多层吸波材料及其制备方法，包括由外至内依次设置的最外层、中间层以及最内层构成；最外层由CIP/PVC构成，中间层由ZnO/PVC构成，最内层由WMCNTs/PVC构成。本申请根据吸波剂对电池波损耗机制的不同，具体使用三种不同损耗机制类型的吸波剂，最外层为CIP/PVC复合材料，其主要作用是提供吸波材料良好的匹配特性并对电磁波产生磁损耗；中间层为ZnO/PVC复合材料，其主要作用是对电磁波产生介电损耗；最内层为WMCNTs/PVC复合材料，其主要功能是对电磁波产生电阻损耗并且将电磁波反射回吸波材料内部从而进行“二次损耗”。

Description

一种多层吸波材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及吸波材料技术领域，具体地说，涉及一种多层吸波材料及其制备方法。
背景技术
吸波材料是一种能够使入射电磁波的能量通过介质损耗转化为热能及其他形式的能量，或者通过波的干涉相消而损耗电磁波的功能复合材料。吸波材料一般由透波材料和吸波剂组成。透波材料是吸波剂的载体，同时也能够为吸波材料提供特定的结构。吸波材料的吸波性能由两个指标决定，分别是最大反射损耗(RL)和有效吸收带宽(EAB)；最大反射损耗的绝对值越大，有效吸收带宽越宽，那么吸波材料的吸波性能就越好；这两个指标是由阻抗匹配和衰减损耗决定的，而这两个参数往往是一对矛盾体；如何解决这一矛盾是设计吸波材料不可避免的问题。
针对上述问题，许志远等人提出了一种将匹配频率分别位于高、中、低频的三种高性能磁性吸波材料进行梯度叠层的设计方法，制备出了将磁共振及匹配频率位于低频的高介电材料作为底层、磁共振及匹配频率位于高频的低介电材料作为面层、磁共振及匹配频率位于中频的材料作为中间层，这种层状梯度吸波材料；其研究结果表明这种梯度层状设计能够有效地扩宽吸收带宽，但复合材料的最大反射损耗最高只能达到-12dB，有很大提升空间。通过理论分析可知导致该吸波材料最大反射损耗低的原因主要是该复合材料所用到的填料全为磁性填料，使得复合材料对电磁波的损耗机制主要只有磁损耗，由于损耗机制单一而导致该复合材料对电磁波的损耗作用差。
发明内容
<本发明解决的技术问题>
当前的吸波材料存在吸波性能提升程度低的问题。
<本发明采用的技术方案>
针对上述的技术问题，本发明的目的在于一种多层吸波材料及其制备方法。
具体内容如下：
第一，本发明提供了多层吸波材料，其特征在于，包括由外至内依次设置的最外层、中间层以及最内层构成；最外层由CIP/PVC构成，中间层由ZnO/PVC构成，最内层由WMCNTs/PVC构成。
第二，本发明提供了多层吸波材料的制备方法，包括如下步骤：
最外层、中间层以及最内层的各原料分别放入高速混合机中混合，再置于双辊开炼机中薄通出片，得到薄通料；薄通料置于热压成型机中经热压、冷压后得到最外层样、中间层样、最内层样；
将最外层样、中间层样以及最内层样进行层叠，经模压得到多层吸波材料。
<本发明的技术机理及有益效果>
本申请根据吸波剂对电池波损耗机制的不同，具体使用三种不同损耗机制类型的吸波剂，分别是羰基铁、氧化锌和多壁碳纳米管，它们分别属于磁损耗型吸波剂、介电损耗型吸波剂和电阻损耗型吸波剂；选用PVC为透波材料制备3层复合材料。其中，最外层为CIP/PVC复合材料，其主要作用是提供吸波材料良好的匹配特性并对电磁波产生磁损耗；中间层为 ZnO/PVC复合材料，其主要作用是对电磁波产生介电损耗；最内层为WMCNTs/PVC复合材料，其主要功能是对电磁波产生电阻损耗并且将电磁波反射回吸波材料内部从而进行“二次损耗”。
有益效果在于：
(1)能够实现复合材料的宽频吸收；(2)最外层的CIP/PVC复合材料对电磁波的反射较少，从而有利于阻抗匹配；(3)通过设置三层介电损耗的吸波层，由于不同损耗层层间界面差异较大，在层间有大量地异质界面，有利于形成大量极化机制，从而增强复合材料的介电损耗；(4)最内层的WMCNTs/PVC电阻损耗层，不仅能够在损耗电磁波将其转化为热量，同时还能将电磁波反射回材料内部，对电磁波进行二次吸收。
附图说明
图1为对比例1中CIP-400/PVC复合材料吸波性能结果图；
图2为对比例2中ZnO-30/PVC复合材料吸波性能结果图；
图3为对比例3中MWCNTs-10/PVC复合材料吸波性能结果图；
图4为实施例1的多层复合吸波材料性能结果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
第一，本发明提供了一种多层吸波材料，包括由外至内依次设置的最外层、中间层以及最内层构成；最外层由CIP/PVC构成，中间层由ZnO/PVC 构成，最内层由WMCNTs/PVC构成。
损耗机制可分为3类：电阻损耗、介电损耗和磁损耗。电阻损耗与材料电导率有关；介电损耗与电极化有关；而磁损耗与动态磁化过程有关。
对于电阻损耗而言，电磁波在材料里感应产生电流，电流在材料内部传输受阻而转化为内能。材料电导率越大，载流子引起的宏观电流(电场引起的电流变化和磁场引起的涡流)越大，有利于电磁能转变为热能。一般情况下，导体的电阻越小，涡流就越大，发热也就越厉害，伴随的导电损耗就越大。
对于介电损耗而言，电导率低的材料，在外电场的作用下，材料不会形成宏观电流，但是材料中具有多种有着固有振动频率的电偶极子将受到影响。当外加电场的频率与材料中偶极子的固有频率相同时，材料的介电常数的虚部将出现峰值，也就是发生了介电损耗。电解质分子的极化需要一定时间，而在交变电场的作用下，当这种极化落后于外电场频率的变化时，便产生了极化的滞后，从而产生介电损耗。
磁损耗是磁性材料在磁化过程和反磁化过程中有一部分能量不可逆地转变为热能，所损耗的能量称为磁损耗。形成磁损耗的途径主要有磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗等。
对于这三种损耗而言，磁损耗一般能够在高频区对电磁波有着强烈地损耗作用；电阻损耗和介电损耗在低频下对电磁波的损耗较强，其中介电损耗对电磁波的能量有一定的存储能力，电阻损耗对电磁波的能量有较强的耗散能力，但同时它也会造成电磁波的大量反射。
本发明中，最外层中，CIP占PVC质量的100phr、200phr、或400phr。
本发明中，中间层中，ZnO占PVC质量的10phr、20phr、或30phr。
本发明中，WMCNTs占PVC质量的5phr、10phr、或15phr。
本发明中，最外层、中间层、最内层的层厚分别为0.5～1.5mm、0.5～1.5mm、 0.5～1.5mm。
第二，本发明提供了一种多层吸波材料的制备方法，包括如下步骤：
最外层、中间层以及最内层的各原料分别放入高速混合机中混合，再置于双辊开炼机中薄通出片，得到薄通料；薄通料置于热压成型机中经热压、冷压后得到最外层样、中间层样、最内层样；
将最外层样、中间层样以及最内层样进行层叠，经模压得到多层吸波材料。将三层样品制备好以后，利用质量网络分析仪分别测试它们的电磁参数，通过matlab模拟计算每层材料的吸波性能；然后再用matlab模拟计算三层复合材料的吸波性能。
本发明中，高速混合机中的混合温度为90～120℃，混合时间为7～15min。
本发明中，热压工艺和冷压工艺均为110℃～150℃、5～12min。
<实施例>
实施例1
实施例1中的各层样原料配比见表1。
CIP-羰基铁，BASF，EW；
DOP-邻苯二甲酸二辛酯，成都科隆化学有限公司，分析纯；
Ca-Zn(钙锌稳定剂)、HN-20(硫酸钡)、MPA-100均为工业级市售产品。
表1实施例各样品的原料配比
Figure RE-GDA0003702416570000051
其制备方法为，
将最外层、中间层以及最内层的各原料分别放入高速混合机中混合，温度为100℃，混合时间为10min，再置于双辊开炼机中于140℃下薄通9min 出片，得到薄通料；薄通料置于热压成型机中经热压、冷压后得到最外层样、中间层样、最内层样，热压工艺和冷压工艺均为140℃下处理8min，压力为10MPa。
将最外层样、中间层样以及最内层样进行层叠，于140℃模压即可得到多层吸波材料，该多层吸波材料的吸波性能由matlab模拟计算得到。
<对比例>
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，仅采用最外层样，层厚度与实施例1 的吸波材料相等。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，仅采用中间层样，层厚度与实施例1 的吸波材料相等。
对比例3
本对比例与实施例1的区别在于，仅采用最内层样，层厚度与实施例1 的吸波材料相等。
<试验例>
对比例1-3的制备得到的吸波材料以及实施例1制备得到的吸波材料，上述4个样品的总厚度均为2.1mm，选用本领域应用较广的2.1mm作为吸波材料的测定厚度。上述4个样品的吸波性能由matlab模拟计算得到。具体地，采用矢量网络分析仪测试单层复合材料的电磁参数，然后通过传输线理论，利用matlab计算复合材料的吸波性能。层状吸波材料的反射损耗通过传输线理论与阻抗传递法，利用matlab计算得到。电磁参数测试方法为同轴传输线法，测试模型为NRW双端口网络模型，测试频段为2-18GHz；被测样品外径7.0mm，内径3.04mm，厚度为3mm的同轴圆环状试样。试验得到的吸波性能结果由图1-图4所示。
图1为对比例1中CIP-400/PVC复合材料吸波性能结果图；
图2为对比例2中ZnO-30/PVC复合材料吸波性能结果图；
图3为对比例3中MWCNTs-10/PVC复合材料吸波性能结果图；
图4为实施例1的多层复合吸波材料性能结果图。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多层吸波材料，其特征在于，包括由外至内依次设置的最外层、中间层以及最内层构成；最外层由CIP/PVC构成，中间层由ZnO/PVC构成，最内层由WMCNTs/PVC构成。
2.根据权利要求1所述的多层吸波材料，其特征在于，最外层中，CIP占PVC质量的100phr、200phr、或400phr。
3.根据权利要求1所述的多层吸波材料，其特征在于，中间层中，ZnO占PVC质量的10phr、20phr、或30phr。
4.根据权利要求1所述的多层吸波材料，其特征在于，WMCNTs占PVC质量的5phr、10phr、或15phr。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的多层吸波材料，其特征在于，最外层、中间层、最内层的层厚分别为0.5～1.5mm、0.5～1.5mm、0.5～1.5mm。
6.一种如权利要求1至5中任意一项所述的多层吸波材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
最外层、中间层以及最内层的各原料分别放入高速混合机中混合，再置于双辊开炼机中薄通出片，得到薄通料；薄通料置于热压成型机中经热压、冷压后得到最外层样、中间层样、最内层样。
7.根据权利要求6所述的多层吸波材料的制备方法，其特征在于，高速混合机中的混合温度为90～120℃，混合时间为7～15min。
8.根据权利要求6所述的多层吸波材料的制备方法，其特征在于，热压工艺和冷压工艺均为110℃～150℃、5～12min。
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