一種輕質(zhì)多孔吸波膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電磁輻射的吸收與屏蔽處理技術(shù)及相關(guān)材料，尤其涉及到一種輕質(zhì)多孔吸波膜的制備方法及其制品。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，人們?nèi)粘Ｉ钪惺艿降碾姶泡椛洳粩嘣龆?；同時為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要，隱身材料在武器中被廣泛應(yīng)用，因此，吸波材料的研宄具有重要的實用價值。我國從20世紀(jì)80年代已經(jīng)開始對吸波材料和電磁波吸收體的研宄，90年代中后期進(jìn)入較全面的研宄階段。雖然國內(nèi)對吸波材料的研宄在某些方面取得了很好的進(jìn)展，并形成了自己的特色，但其研宄重點大多是某種吸波材料的研宄，對于吸收體的設(shè)計方法研宄相對較少。吸波材料根據(jù)耗損機(jī)理可分為磁介質(zhì)型、電阻型及電解質(zhì)型材料。其中，電阻型吸收劑主要有碳纖維、碳化硅、石墨等；電介質(zhì)型吸收劑主要有SiC陶瓷、鈦酸鋇陶瓷等；磁介質(zhì)型吸收劑主要有鐵氧體、超細(xì)金屬粉、羰基鐵等。從目前的研宄現(xiàn)狀看，每種吸波材料都有其獨特的吸波性能，適用于不同頻段的電磁波。但現(xiàn)有的吸波材料還存在吸波頻段較窄，單頻吸收，質(zhì)量重、密度大等缺點。而隱身技術(shù)對吸波材料的綜合要求為薄、寬、輕、強(qiáng)”，故為了滿足隱身技術(shù)對吸波材料的綜合要求，研制吸收強(qiáng)、頻帶寬、密度小、厚度薄、雙頻吸收甚至多頻吸收的頻帶兼容性好的結(jié)構(gòu)型吸波材料將是未來吸波材料的發(fā)展趨勢。
[0003]目前吸波膜主要大致可分為兩大類:涂層類和結(jié)構(gòu)吸波。涂層類吸波膜是采用粘合劑將具有吸波性能的粉體材料涂敷在基層材料表面以形成吸波層。吸波粉體主要包括石墨、鐵氧體、金屬或合金微粒、鈦酸鋇、碳化娃等。中國專利CN1664960公開了一種以無紡布為基材，涂層鋁鎂復(fù)合粉和炭黑而制成的吸波角錐單元體。中國專利CN101139722公開了一種柔性可卷繞的吸波膜材料，是在柔性絕緣體表面鍍上一層合金膜而制成的。由于涂層耐久性差，這種方法獲得的電磁屏蔽效果不能持久，需要經(jīng)常維修重新涂層才能得到理想的吸波效果，消耗大量人力物力、成本較高。
[0004]纖維結(jié)構(gòu)吸波材料屬于結(jié)構(gòu)吸波材料，指將具有吸波功能的纖維分散在基體材料中形成整體的吸波結(jié)構(gòu)。所采用的纖維主要有碳纖維、金屬纖維、碳化硅纖維、三氧化二鋁纖維等，其中以碳纖維和金屬纖維應(yīng)用最為廣泛。碳纖維屬于半導(dǎo)體材料，在高頻交變電磁場中易于形成電阻損耗和介電損耗，所以具有吸收電磁波的性能。中國專利1544723A公開了一種采用聚丙烯腈基碳、納米碳化硅和鎳粉等制備的吸波復(fù)合納米纖維，該纖維可以用來制成吸波紡織組合物。金屬纖維吸波材料通常是在織物中添加金屬纖維而制得，如美國專利US6，521，829公開的含金屬纖維的非織造吸波材料，即為含一種含吸波纖維層的層壓材料，但其吸波范圍有限，僅限于對日常生活中的頻率為IGHz左右電磁波進(jìn)行吸收。
[0005]目前，以上兩種方法制備的吸波膜仍然面臨著面密度過高(>2kg/m2)、彎曲性不夠、厚度過高(>1_)等諸多問題。如何制備一種空隙率和厚度可調(diào)、密度小、質(zhì)量輕、可任意裁剪成合適形狀、頻帶兼容性好及可設(shè)計性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)化吸波膜，滿足隱身技術(shù)對吸波膜的綜合要求，將是未來吸波材料研宄的熱點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種輕質(zhì)多孔吸波膜，具有吸波劑比例高，機(jī)械強(qiáng)度高，薄膜厚度可控的特點。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種輕質(zhì)多孔吸波膜，包括具有原纖化結(jié)構(gòu)的纖維類材料和吸波材料，所述纖維類材料呈三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)，所述吸波材料分散在所述三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)中，輕質(zhì)多孔吸波膜中所述吸波材料的質(zhì)量占比為50-90 % ο納米纖維材料對膜結(jié)構(gòu)起到力學(xué)支撐和粘合的作用，而吸波材料起到吸波作用。
[0008]所述纖維類材料具有相對較高的原纖化程度及較多的枝晶狀結(jié)構(gòu)，優(yōu)選為納米纖維素、原纖化聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、芳綸纖維的任意一種纖維或幾種。
[0009]優(yōu)選的，所述吸波材料為Fe-SiAl、鐵氧體、羰基鐵、碳化硅中任意一種或幾種的顆粒材料。所述吸波材料的顆粒尺寸范圍為0.0lum — lOOum。所述吸波材料顆粒為粉末狀或者晶須狀。
[0010]本發(fā)明的輕質(zhì)多孔吸波膜，其孔隙率范圍為20-80 %，面密度率范圍為0.5-2kg/m2，厚度為 0.5_2mm。
[0011]更加優(yōu)化的是，為了保護(hù)吸波膜，所述輕質(zhì)多孔吸波膜的兩側(cè)分別附有不含吸波材料的纖維保護(hù)層。
[0012]本發(fā)明同時提出上述輕質(zhì)多孔吸波膜的制備方法，與使用傳統(tǒng)的粘結(jié)劑不同，本發(fā)明選取高度原纖化的納米纖維為粘結(jié)劑，在溶劑的幫助下，達(dá)到均勻分散的狀態(tài)。納米纖維表現(xiàn)出的多枝晶結(jié)構(gòu)對吸波材料顆粒形成纏結(jié)并形成穩(wěn)定、均勻的漿料，最終通過真空抽濾或者高壓壓濾制備成膜狀吸波體。包括以下步驟:
[0013]分散:將一定量的具有原纖化結(jié)構(gòu)的纖維類材料置于溶劑中進(jìn)行高速攪拌，使得其在溶液中充分地分散，所述纖維類材料的質(zhì)量與分散所需要的溶液的體積比范圍在
0.lmg/ml_5mg/ml ；
[0014]均化:將一定量的吸波材料置于分散好的纖維溶液中，經(jīng)攪拌使吸波材料充分地分散在溶液中；纖維類材料起到支撐結(jié)構(gòu)的作用，同時均勻分散在溶劑中后形成的三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)使整個漿料均勻不沉淀，從而保證了制成品整體的均勻，并形成高孔隙率。
[0015]過濾:將制備好的溶液轉(zhuǎn)入過濾器中，通過真空抽濾或者高壓壓濾的方式將固液分離；
[0016]烘烤:過濾好的膜片通過真空烘烤或者常溫干燥將膜材料中剩余的溶劑成分去除;
[0017]壓片:將烘烤后的膜片輥壓，獲得平整的表面和所需厚度的輕質(zhì)多孔吸波膜。
[0018]所述溶劑選自異丙醇、無水乙醇、正丁醇、正丙醇、去離子水中的一種或幾種。
[0019]本發(fā)明具有以下特點:
[0020]一，選材范圍廣:以吸波材料來說，不論是鐵氧體、羰基鐵、Fe-S1-Al或者其他類型的吸波劑都能在該發(fā)明中得以應(yīng)用，并且顆粒的尺寸范圍較大:0.0lum — 10um ;對于纖維材料來說，除了納米纖維素、原纖化聚乙烯纖維，還可以使用聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、芳綸纖維等任意一種纖維；溶劑可以使用異丙醇，也可是使用無水乙醇、正丁醇、正丁醇或者更廉價的去離子水等。
[0021]二，吸波劑分散均勻:吸波劑顆粒的均勻分散主要依靠納米纖維的支撐作用。納米纖維可通過高速攪拌剪切作用在溶劑中實現(xiàn)充分的分散，保證了吸波材料在成膜前在溶劑中不產(chǎn)生沉降，成膜后不會出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。
[0022]三，制備快速適宜規(guī)模化:吸波材料通過在溶劑中高速攪拌即可達(dá)到分散效果。真空抽濾和高壓壓濾都是可以大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的工藝。
[0023]四，濾膜可進(jìn)行二次加工以達(dá)到使用不同使用目的，如產(chǎn)品的厚度、柔韌性以及力學(xué)強(qiáng)度等。
[0024]五、本發(fā)明采用濕法造紙工藝，吸波材料在膜狀吸波體中分布均勻。該制備方法工序少、成本低，并且制備的吸波膜在達(dá)到相同吸波效能的前提下，吸波體面密度低于2kg/m2，孔隙率不低于30%。
【附圖說明】
[0025]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說明。
[0026]圖1為面密度為0.5kg/m2、吸波劑占總質(zhì)量比例為75%的輕質(zhì)吸波膜的吸波測試曲線圖。
[0027]圖2為所制備的使用纖維素夾層保護(hù)中間吸波膜，其中間為面密度0.36kg/m2的吸波膜，吸波劑的比例為70%，兩面各有面密度為0.02kg/m2的納米纖維素夾層的吸波測試圖。
[0028]圖3為含75%的羰基鐵、15%的納米纖維素和10%的原纖化聚乙烯纖維的吸波膜的截面電鏡圖。
【具體實施方式】
[0029]本項發(fā)明的原理是:具有高度原纖化的納米纖維均勻分散在一定量的溶劑，并形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。原纖化程度越高，三維網(wǎng)狀纏結(jié)能力越強(qiáng)。納米纖維對粉末狀吸波材料形成良好穩(wěn)定的纏結(jié)，從而在去除溶劑成分后，形成類似紙一樣的多孔吸波膜。吸波膜可進(jìn)一步輥壓，降低吸波膜的厚度，并提高吸波膜的力學(xué)強(qiáng)度。
[0030]其一般工序包括:分散、均化、過濾、烘烤、輥壓，【具體實施方式】為:
[0031]分散:將納米纖維素纖維、聚乙烯纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯腈纖維、芳綸纖維或者上述混合物在一定量的溶劑中進(jìn)行高速攪拌分散，所使用的纖維材料的質(zhì)量與使用的溶劑的體積比例范圍為0.lmg/ml—5mg/ml。納米纖維原纖化程度較高，具有多枝晶形貌。枝晶在納米范圍，對吸波劑顆粒形成纏結(jié)，同時枝晶之間廣泛的交聯(lián)作用為膜體提供力學(xué)支撐作用。納米纖維在吸波體膜材料中所占比重10% — 50%。溶劑可以是水、異丙醇、無水乙醇、正丁醇、正丙醇及其他低分子量有機(jī)溶劑，或者上述的混合溶劑，要求溶劑流動性好。黏度大的溶劑會影響分散均勻度和過濾速度。
[0032]二次分散:將吸波劑粉體材料放入分散好的纖維溶液中，使用高速攪拌的方式進(jìn)行均化分散，使得吸波劑在溶液中與纖維材料充分地接觸。此過程中纖維材料的枝晶將對粉體顆粒形成纏結(jié)。吸波劑可以是Fe-S1-Al粉、鐵氧體、羰基鐵、碳化硅等任意一種或幾種吸波材料，顆粒尺寸可在較大范圍內(nèi)選擇:0.0lum — lOOum。吸波材料用量占吸波膜質(zhì)量的50% — 90%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。隨著吸波材料用量比例的增大，吸波膜的力學(xué)性能會有降低的趨勢。
[0033]過濾:使用真空抽濾或者高壓壓濾的方式，將溶劑成分抽離回收，回收的溶劑可直接進(jìn)行二次使用。溶液中的吸波粉體和纖維將被留在濾紙上。真空抽濾或者高壓壓濾的方式成膜速度快。
[0034]烘干:過濾后的吸波膜轉(zhuǎn)移到烤箱中，烘烤的方式可選擇普通烘干和快速烘干。普通烘干即常溫常壓下通過靜置使殘留的溶劑成分充分揮發(fā)；快速烘干包括:常壓高溫烘烤45-150°C，或者低壓快速烘烤，-0.085MPa，40-150°C。干燥后，吸波膜可方便地從基底轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移后的吸波體膜完整性不受影響。
[0035]輥壓:一般烘干后的吸波體膜具有相對較小的密度和較大的厚度。通過輥壓可以使膜片內(nèi)部緊致，表面光滑，獲得更高的力學(xué)強(qiáng)度，并降低厚度，和調(diào)節(jié)孔隙率。
[0036]實例I
[0037]Fe-S1-Al粉與納米纖維素質(zhì)量比為75:25，制備的吸波膜面密度為0.4kg/m2。納米纖維素在異丙醇中進(jìn)行充分的攪拌分散，納米纖維素質(zhì)量與所使用異丙醇的體積比為Img/ml ;吸波材料加入分散好的納米纖維素溶液中，進(jìn)行二次攪拌以達(dá)到整體均化；之后轉(zhuǎn)入過濾