一种智能型吸波材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种吸波材料及其制备方法，具体地，涉及一种智能型复杂结构吸波材料及其与制备方法。

背景技术：

随着电磁材料技术的发展以及通讯产品的广泛应用，吸波材料的应用为解决电磁辐射、电磁散射和电磁兼容问题提供了有效方法。吸波材料主要包括结构型和涂覆型两种类型，其中涂覆型吸波材料主要以喷涂制备为主，通常厚度薄，结构简单，制造精度要求高，内部结构也难以设计，在小厚度下吸波带宽和吸波量值有限；结构型吸波材料的传统制备方式以模压制造或切削制造为主，目前也逐渐开始朝增材方向发展，吸波频带较宽，吸波量值相对于涂覆型吸波材料较大。无论采用何种类型，吸波材料都面临“薄”、“轻”、“宽”、“强”这几个方面的高要求，常规的吸波材料在厚度、密度、吸收率、吸波频带上会相互制约，为实现低厚度下的宽频吸波性能，吸波微粒的添加比例高，吸波材料密度大，易导致理化性能差。当前吸波材料的设计和制备在宏观结构上外形相对简单，在微观结构上主要以吸波微粉的选择为主，包括微粉的形状、尺寸大小、微粒核壳结构、添加比例等，对于内部结构的可控制造还很少涉及。

智能型吸波材料的设计和制造是一种以吸波材料的电磁设计为基础，根据设计的电磁特性选取相应的吸收剂和粘结剂以及可控调节方式，进而根据应用需求选取合适的制造工艺来实现的。目前，已经报道了一些智能型吸波材料的设计与制造，如专利CN104661503A提出一种基于导电橡胶的力控可调宽频柔性吸波器件及其制备方法，底板采用导电橡胶，导电橡胶具有电磁波屏蔽效能且有很好的拉伸强度，而且吸收频率随外加拉力动态变化，使工作频带拓宽。尽管该设计能够实现一定的频带拓宽，但是拓宽效果十分有限，只能针对固定频点工作的器件应用。如专利CN103050785A提出了一种基于PIN二极管有缘频率选择表面可调的结构吸波材料，包括多个阵列排布的吸波结构单元，每两个吸波结构单元之间通过连接线连接，每一个吸波结构单元包括：底层、附着于所述底层上的中间层以及附着与所述中间层上的表面层，所述表面层由贴片型频率选择表面和PIN二极管组成。发明采用PIN二极管加载的有源频率选择表面设计来制作吸波性能可调的机构吸波材料，可动态调节工作状态的PIN二极管，可主动调节结构吸波材料的吸波性能，然而该结构吸波材料在12GHz~18GHz的吸波性能有一定不足，只达到-6dB附近，同时低频2GHz附近吸波性能也难以提升。如专利CN105140654A公开了一种频率可调宽带超材料吸波结构，包括谐振结构、介质基板和金属底板，所述谐振结构和金属底板分别位于介质板的上表面和下表面，该谐振结构由金属方环、矩形金属片、电阻和电感组成，金属方环的开口为90°旋转对称分布，该矩形金属片对称分布与金属方环的外侧，且与金属方环的对应边平行，所述电阻位于金属方环的开口处，所述电感连接矩形金属片和金属方环的对应边能通过改变电阻值和电感值的大小，实现宽吸波频带的频率连续可调，尽管能够实现宽吸波频带频率可调的问题，然而该结构制备成本偏高，对应的吸波带宽较窄，仅在8GHz~14GHz比较明显。如专利CN104244689A提出一种基于碳纳米管的吸收频率可调的微波吸收材料，微波吸收材料其单层取向碳纳米管膜由沿同一方向排列的高度取向的碳纳米管构成，面密度约为1.97g/cm²，通过改变两层取向碳纳米管膜的夹角大小（0-90度），得到一系列吸收频率可调的微波吸收材料，通过电子束蒸发和电化学聚合分别在取向碳纳米管上复合铁和聚苯胺，以进一步提高该材料的微波吸收性能。通过调节两层取向碳纳米管膜的夹角，实现对吸波频率的调控，并通过增加取向碳纳米管膜的层数或与铁和聚苯胺复合提高微波吸收性能，该可调吸波材料在频段6GHz~14GHz范围内吸波性能较好，而在2GHz~6GHz和14GHz~18GHz范围内吸波性能较差，调节功能不足。如专利CN104786589A公开了一种含有玻璃包非晶纤维的可调谐型吸波材料，玻璃包非晶纤维在可调谐型吸波材料中充当电磁波的反射基子，其磁性能对可调谐型吸波材料的介电常数和磁导率产生影响，当外加磁场或外加应力改变玻璃包非晶纤维的磁性能时，可调谐型吸波材料的介电常数和磁导率也随之改变。可调谐型吸波材料的介电常数和磁导率决定了其谐振频率点和能量吸收率，即可调谐型吸波材料的谐振频率点和能量吸收率可以通过外加磁场或外加应力进行调谐，该吸波材料所用的吸波微粒为包覆纤维，磁性能还有较大的提升空间，但为达到较好的吸波效果导致材料厚度较大，另外在制造安装上还未详细提及。

综上所述，智能型吸波材料的设计原理主要还集中在表面电阻片的电路可调、内部吸收剂排布上，在制造工艺上以层间结构内的简单混合和单层的电路印刷手段为主，对于设计原理和高效制造手段还有很大的提升空间，开展复杂吸波材料的制造成为当前发展趋势，不仅能提升吸波材料的制备手段，也能够拓宽吸波材料的可设计性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种智能型复杂结构吸波材料的设计与制备，所制备的材料可应用于计算机高频电路、微波天线等方面，实现较好的电磁波吸收或屏蔽效果，而且还具有很好的抗氧化、耐腐蚀、制造效率高、制造成本低等优点，是一种具有应用前景的复杂吸波材料产品。

为了达到上述目的，本发明提供了一种智能型吸波材料，该智能型吸波材料从上至下依次包含高频吸波层、低频吸波层和基底层。

其中，所述的高频吸波层为吸收2 GHz~18GHz频段的高频吸波材料，包含表层高频吸波材料和嵌设于表层高频吸波材料中的中间层高频吸波材料，所述的高频吸波层的添加剂采用羰基铁颗粒。

其中，所述的低频吸波层为吸收1 GHz~2GHz频段的低频吸波材料，该低频吸波材料的添加剂采用FeSi颗粒。

其中，所述的基底层包含金属衬底和嵌设于金属衬底中的驱动电磁铁。

所述的智能型吸波材料用于吸收1 GHz~18GHz频段的电磁波。

所述的表层高频吸波材料的基体材料为热熔塑料，具有吸波腔体结构；所述的中间层高频吸波材料的基体材料为中等粘度橡胶。

所述的羰基铁颗粒为球形或片形，颗粒的尺寸平均为3μm～5μm，表层高频吸波材料中的羰基铁颗粒相对于羰基铁颗粒与热熔塑料的混合物的体积比范围为10%~25%，中间层高频吸波材料中的羰基铁颗粒相对于羰基铁颗粒与中等粘度橡胶的混合物的体积比范围为15%~25%。

所述的低频吸波材料的基体材料为硅橡胶。

所述的FeSi微粒尺寸平均为20μm ~200μm，平均厚度为0.1μm~1μm，相对于硅橡胶的体积添加比为40%~45%，厚度在1mm~2mm。

所述的金属衬底不导磁，所述的驱动电磁铁采用垂直或水平方向的绕组。

所述的智能型吸波材料的具体制备步骤为：

步骤1：高频吸波层的制备，具体如下：

步骤1.1：将热熔塑料与羰基铁颗粒置于混合容器中，温度为200℃~220℃，进行混合；

步骤1.2：将混合的熔融材料挤出，挤出的线材通过三维成型机制备具有吸波腔体的表层高频吸波材料；

步骤1.3：将混合均匀的中等粘度橡胶与羰基铁颗粒挤压注入上述表层高频吸波材料的吸波腔体中，然后封装成型，得到高频吸波层；

步骤2：低频吸波层的制备，具体如下：

步骤2.1：将FeSi颗粒与硅橡胶混合，并添加固化剂和偶联剂，进行混合，制备混炼胶；

步骤2.2：将所述的混炼胶置于压延机中进行压延工艺处理，经过若干次调整，将压延间距从0.8mm~1mm逐渐降低到0.3mm~0.5mm，取出压延的薄片进行叠加，达到需要的厚度；

步骤2.3：将叠加的薄片置于模具中固化成型，固化温度为160℃~180℃，固化时间为3min ~5min，固化压力为10MPa~15MPa；

步骤3：基底层的制备，具体如下：

步骤3.1：金属衬底上面装配驱动电磁铁，将该驱动电磁铁嵌于金属衬底内部；

步骤3.2：用粘结剂将高频吸波层和低频吸波层粘敷组装，将组装好的吸波材料用粘结剂粘敷在金属衬底反射面上。

所述的固化剂采用双2，5-硫化剂，所述的偶联剂采用硅烷偶联剂KH550或KH560，所述的粘结剂采用环氧基固化胶。

所述的步骤1.1中羰基铁颗粒相对于羰基铁颗粒与热熔塑料的混合物的体积比为10%~25%，步骤1.3中羰基铁颗粒相对于羰基铁颗粒与中等粘度橡胶的混合物的体积比为15%~25%，步骤2.1中FeSi颗粒相对于硅橡胶的体积添加比为40%~45%，固化剂相对于硅橡胶的质量添加比为8%~10%，偶联剂相对于硅橡胶质量添加比为1%~2%。

本发明提供的一种智能型复杂结构吸波材料的设计与制备与现有技术相比，具有以下优点：

（1）通过设有高频吸波层和低频吸波层，将高频吸波材料和低频吸波材料叠加，实现了宽频带吸收，能够吸收1 GHz~18GHz频段的电磁波。

（2）通过在表层高频吸波材料设有吸波腔体，将液态吸波材料和塑料吸波材料组装，并通过在基底层安装驱动电磁铁，使磁场调控液态吸波材料的内部微粒排布，从而调节层间材料的电磁匹配特性，实现了智能化和吸波材料的宽频吸波性能。

（4）本发明采用了热熔塑料和硅橡胶材料用于智能型复杂结构吸波材料的制备，使该吸波材料具有很好的抗氧化性和耐腐蚀性。

（5）本发明利用三维成型工艺完成智能型模块的封装，成型效率高，制造成本低，保证了吸波材料的宽频设计和制造。

附图说明

图1为本发明的宽频吸波材料层间结构示意图。

图2 为三维成型吸波材料混合原料挤出示意图。

图3 为本发明的高频吸波材料三维成型双层吸波材料内部结构示意图。

图4 为本发明的三维成型分区域制造的吸波材料反射率曲线图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

本发明提供的智能型吸波材料通过电磁匹配设计原理，综合多种吸波材料的特性来调节吸波材料的吸波特性。

本发明提出了分频段设计与制造结合的吸波材料设计方法，对宽频段的吸波材料进行初步设计，实际制造结构遵循近似原则。然后针对两种频段的吸波材料制备工艺，提出低频段橡胶滚压固化成型，而高频段空腔吸波结构三维成型工艺与智能化非固化填充成型相结合，实现材料结构设计制造一体化和吸波材料的内部结构可控制造，提高吸波材料的吸波性能。

1、智能型吸波材料结构设计

智能型吸波材料的结构设计主要包括宽频初步设计，实际制造近似结构替代设计和智能化设计。宽频初步设计基于分频双层设计原理，对于1GHz-18GHz频段，选取高频吸波材料和低频吸波材料两种材料的叠加方式实现宽频带吸收。根据电磁波的垂直入射时反射率的计算方法，按照设计即可进行多层电磁吸波材料设计，吸波材料包括高频吸波底层和低频吸波表层。参考以往分析过的高频吸波材料和低频吸波材料的特点，总结两者的特点，可以设定高频2GHz~18GHz内吸波材料为羰基铁，而低频1GHz~2GHz内吸波材料主要为片形FeSi材料，羰基铁颗粒的尺寸为3μm～5μm，片形FeSi颗粒尺寸选取40μm ~200μm（优选50μm）。

对于低频吸波材料层，采取单层吸波材料结构，针对所选择的FeSi颗粒，确定添加比的范围为40%~45%（优选40%），厚度为1mm~2mm（优选1 mm）。

对于高频吸波层，选择8GHz~18GHz频段，设计方法为遗传算法与数值仿真模拟计算法相结合，所设计的羰基铁材料添加比例为10%~25%，其中表层高频吸波材料优选10%，中间层高频吸波材料优选20%，对应10%的羰基铁吸波材料层厚度为1.5mm，而20%的羰基铁吸波材料为0.5mm，表层高频吸波材料采用熔融机械混合与喷射成型工艺制备。

为方便计算，首先采用遗传算法对双层吸波材料进行设计，然后选取底层的吸波材料进行橡胶基非固化吸波材料作为替代填充，另外考虑到结构封装的要求，对表层的吸波材料设计空腔，从而形成嵌套结构，进而采用有限元仿真计算的方法校验所设计的周期单元结构能否实现预先设计的高频吸波性能。

2、具体实施例

如图1所示，提供了一种智能型吸波材料，该智能型吸波材料用于吸收1 GHz~18GHz频段的电磁波，从上至下依次包含高频吸波层10、低频吸波层20和基底层30。

其中，高频吸波层10为吸收8 GHz~18GHz频段的高频吸波材料，包含表层高频吸波材料11和嵌设于表层高频吸波材料11中的中间层高频吸波材料12，该高频吸波层10的添加剂采用羰基铁颗粒；

其中，低频吸波层20为吸收1 GHz~2GHz频段的低频吸波材料，该低频吸波材料的添加剂采用FeSi颗粒；

其中，基底层30包含金属衬底31和嵌设于金属衬底31中的驱动电磁铁32。

表层高频吸波材料11的基体材料为热熔塑料，具有吸波腔体结构。中间层高频吸波材料12的基体材料为中等粘度橡胶，中间层高频吸波材料12嵌设于表层高频吸波材料11的吸波腔体内，易于封装成型。

羰基铁颗粒为球形或片形，颗粒的尺寸平均为3μm～5μm，表层高频吸波材料11中的羰基铁颗粒相对于热熔塑料的体积添加比范围为10%~25%（优选10%），中间层高频吸波材料12中的羰基铁颗粒相对于中等粘度橡胶的体积添加比范围为15%~25%（优选20%）。

低频吸波材料的基体材料为硅橡胶，该低频吸波材料的添加剂FeSi微粒的尺寸平均为20μm ~200μm（优选50μm），平均厚度为0.1μm~1μm，相对于硅橡胶的体积添加比为40%~45%（优选40%），厚度在1mm~2mm（优选1 mm）。

金属衬底31不导磁，驱动电磁铁32采用垂直或水平方向的绕组。通过加载电流生成静态磁场，实现中间层0.5mm厚度吸波材料的内部微粒的平均转角在0~45度可调节，控制中间层高频吸波材料12的内部微粒排布，从而调节层间材料的电磁匹配特性，实现了智能化和吸波材料的宽频吸波性能。

该智能型吸波材料的具体制备步骤为：

步骤1：高频吸波层10的制备，具体如下：

步骤1.1：将热熔塑料PLA与羰基铁颗粒置于铝制金属混合容器中，羰基铁粉相对于羰基铁粉与热熔塑料PLA混合物的体积比为10%~25%（优选10%），混合容器加热温度为200℃~220℃（优选210℃），采用机械搅拌的方法进行混合；

步骤1.2：将混合的熔融材料用熔融挤出容器挤出，挤压孔的直径为1.7mm~1.8mm（优选1.75 mm），挤出的线材通过三维成型机制备含吸波腔体的表层高频吸波材料11。如图2所示，该熔融挤出容器包含熔融混合器1、推送器2和挤出孔3，使用时先将混合的熔融材料置于熔融混合器1中，然后推压推送器2，线材从挤出孔3挤出；

步骤1.3：将混合均匀的中等粘度橡胶（粘度值1×10⁵~3×10⁵cp）与羰基铁颗粒挤压注入上述表层高频吸波材料11的吸波腔体中，然后封装成型，得到高频吸波层（10）。其中，中等粘度橡胶选用室温固化液态硅橡胶，羰基铁颗粒为各向异性的片性羰基铁粉，该片性羰基铁粉相对于羰基铁粉与室温固化液态硅橡胶混合物的填充体积比为15%~25%（优选20%），混合方式为机械混合方式。如图3所示，中间层高频吸波材料12嵌于表层高频吸波材料11的吸波腔体内。如图4所示，为基于三维成型分区域制造的吸波材料反射率曲线图，该图通过反射率损耗性能反映了该材料的性能，当颗粒平均角度从0°变化到20°时，材料的反射率变化比较微弱，材料在8-18GHz具有较好的吸波性能，低于-10dB；当颗粒的平均角度增加到45°时，材料在4-10GHz范围内反射率能够降低近1dB，吸波性能得到提升，在12-18GHz范围内材料反射率增加近3dB，吸波性能整体变差。这样只需要调节角度的大小便能够实现高频反射率调节范围1~3dB，最大4dB的调节性能。

步骤2：低频吸波层20的制备，具体如下：

步骤2.1：将FeSi颗粒与硅橡胶混合，FeSi颗粒相对于硅橡胶的体积添加比为40%~45%（优选40%），添加固化剂双2，5-硫化剂，固化剂相对于硅橡胶的质量添加比为8%~10%（优选8%），混料过程中加入偶联剂，偶联剂采用硅烷偶联剂KH550或KH560（优选硅烷偶联剂KH550），该偶联剂相对于硅橡胶的质量添加比为1%~2%（优选1%），采用开炼机进行混合，开炼机的工作面尺寸为240mm以上（优选320mm），混合时间为20min~30min（优选30 min），直至混合均匀，制备混炼胶；

步骤2.2：将所述的混炼胶置于压延机中进行压延工艺处理，经过若干次调整，将压延间距从0.8mm~1mm（优选1mm）逐渐降低到0.3mm~0.5mm（优选0.3mm），取出压延的薄片进行叠加，达到需要的厚度；

步骤2.3：将叠加的薄片置于模具中进行固化成型，固化温度为160℃~180℃（优选160℃），固化时间为3min ~5min（优选4min），固化压力为10MPa~15MPa（优选10MPa）；

步骤3：基底层30的制备，具体如下：

步骤3.1：金属衬底31为不导磁的铝材，在金属衬底31上面装配驱动电磁铁32，将该驱动电磁铁32嵌于金属衬底31内部；

步骤3.2：用粘结剂环氧基固化胶将高频吸波层10和低频吸波层20粘敷组装，将组装好的吸波材料用粘结剂环氧基固化胶粘敷在金属衬底31反射面上。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。