本发明涉及吸波材料技术领域，具体涉及一种结构吸波材料及其制备方法。
背景技术：
电磁波吸收体是一种能有效吸收入射电磁波，显著降低回波强度的功能复合材料，在军用隐身、民用电磁防护和抗电磁干扰领域有重要的应用。目前较为成熟的吸波材料结构包括Salisbury屏、Dallenbach屏、Jaumann吸波体、多层匹配结构等。其中Salisbury吸收体吸收频段窄；Dallenbach吸收体受目前材料电磁参数频散效应的限制，难以实现宽频吸收；Jaumann吸收体设计简单，吸收频段宽，但材料厚度较大是其主要缺陷。现代技术的发展，对吸波材料提出了更高的要求，结构型吸波复合材料采用纤维增强体，进行吸波性能和力学性能综合一体化设计，从而兼具吸波和承载的双重功能，已经成为吸波材料研究领域的一个重要方向。
从结构吸波材料研究现状来看，目前较为常用的方法是将吸波涂料喷涂或者浸涂到纤维增强体基材上，制备得到单层的吸波基材，然后在高温高压条件下，使用胶膜或相应的粘合剂将单层的吸波基材粘合到一起最后制备得到结构型吸波材料。
但是这种制备方法周期长，效率低，溶剂型涂料大量的使用，造成高挥发性有机化合物VOC的排放，不符合环保及可持续性发展的要求。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种结构吸波材料及其制备方法。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种结构吸波材料，其特征在于：所述结构吸波材料为多层复合吸波材料，由透波层、阻抗匹配层、反射层和至少一吸波层复合而成，所述透波层由高分子树脂组成，所述阻抗匹配层由高分子树脂和导电炭黑组成，所述吸波层由高分子树脂和吸收剂组成，所述反射层由高分子树脂和短切碳纤维组成。
在上述技术方案的基础上，所述结构吸波材料的总厚度为4mm～10mm，所述透波层的厚度为1mm～4mm，所述阻抗匹配层的厚度为0.5mm～1mm，所有所述吸波层的厚度之和为2mm～4mm，所述反射层的厚度为0.5mm～1mm。
在上述技术方案的基础上，所述结构吸波材料由单层的所述透波层、阻抗匹配层、反射层和多层的所述吸波层组成。
在上述技术方案的基础上，所述阻抗匹配层中导电碳黑的重量百分含量为5％～20％，所述吸波层中吸收剂的重量百分含量为65％～85％，所述反射层中短切碳纤维的重量百分含量为15％～50％。
在上述技术方案的基础上，所述导电炭黑的电阻率不大于3.0Ω·m，视比容为(30～50)cm3/g。
在上述技术方案的基础上，所述吸收剂包括羰基铁粉、铁氧体粉末、铁硅铬或铁硅铝合金粉末的一种或者多种。
在上述技术方案的基础上，所述短切碳纤维的长度不超过3mm，电阻率不大于1.0Ω·cm。
本发明还提供了一种上述结构吸波材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：按照一定的比例配好高分子树脂和导电炭黑、高分子树脂和吸收剂、高分子树脂和短切碳纤维；
S2：分别将高分子树脂和导电炭黑、高分子树脂和吸收剂、高分子树脂和短切碳纤维放入高速搅拌机混合均匀，分别得到用于制作阻抗匹配层、吸波层和反射层的物料；
S3：将高分子树脂物料和已混合均匀的物料分开投入到多层共挤挤出机中，通过采用多层共挤加工成型工艺，分别形成透波层、阻抗匹配层、吸波层和反射层，并将其复合成结构吸波材料。
在上述技术方案的基础上，所述多层共挤挤出机包括至少四个双螺杆挤出机，四个所述双螺杆挤出机分别对应加工所述透波层、阻抗匹配层、吸波层和反射层。
在上述技术方案的基础上，通过控制双螺杆挤出机的温度和转速参数来调整相应所述透波层、阻抗匹配层、吸波层或反射层的厚度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的结构吸波材料由透波层、阻抗匹配层、反射层和至少一吸波层复合而成，无需使用涂料，健康环保，可减少环境污染，而且结构简单，加工方便。
(2)本发明的结构吸波材料制备方法工序简单，一体化成型，加工效率高，加工精度高，制备成本低。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种结构吸波材料，结构吸波材料为多层复合吸波材料，由透波层、阻抗匹配层、反射层和至少一吸波层复合而成，透波层由高分子树脂组成，阻抗匹配层由高分子树脂和导电炭黑组成，吸波层由高分子树脂和吸收剂组成，反射层由高分子树脂和短切碳纤维组成。
结构吸波材料的总厚度为4mm～10mm，透波层的厚度为1mm～4mm，阻抗匹配层的厚度为0.5mm～1mm，所有吸波层的厚度之和为2mm～4mm，反射层的厚度为0.5mm～1mm。
在具体实施过程中，结构吸波材料可以由单层的透波层、阻抗匹配层、反射层和多层的吸波层组成。高分子树脂可以为PA11、PA6、PA66、PA1010、ABS、PVC的一种或者多种。
阻抗匹配层中导电碳黑的重量百分含量为5％～20％，吸波层中吸收剂的重量百分含量为65％～85％，反射层中短切碳纤维的重量百分含量为15％～50％。其中，导电炭黑的电阻率不大于3.0Ω·m，视比容为(30～50)cm3/g；吸收剂包括羰基铁粉、铁氧体粉末、铁硅铬/铁硅铝合金粉末的一种或者多种；短切碳纤维的长度不超过3mm，电阻率不大于1.0Ω·cm。
本发明还提供了一种上述结构吸波材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：按照一定的比例配好高分子树脂和导电炭黑、高分子树脂和吸收剂、高分子树脂和短切碳纤维；
S2：分别将高分子树脂和导电炭黑、高分子树脂和吸收剂、高分子树脂和短切碳纤维放入高速搅拌机混合均匀，分别得到用于制作阻抗匹配层、吸波层和反射层的物料；
S3：将高分子树脂物料和已混合均匀的物料分开投入到多层共挤挤出机中，通过采用多层共挤加工成型工艺，分别形成透波层、阻抗匹配层、吸波层和反射层，并将其复合成结构吸波材料。
多层共挤挤出机包括至少四个双螺杆挤出机，四个双螺杆挤出机分别对应加工透波层、阻抗匹配层、吸波层和反射层。可以通过控制双螺杆挤出机的温度和转速参数来调整相应透波层、阻抗匹配层、吸波层或反射层的厚度。
以下通过6个实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
根据吸波结构板所需要的性能要求，设计结构吸波材料总厚度为4mm，其中透波层的厚度为1mm、阻抗匹配层的厚度为0.5mm、吸波层的厚度为2mm、反射层的厚度为0.5mm。其中透波层成分为PA11树脂层、阻抗匹配层成分为5质量份的导电炭黑与95质量份的PA11树脂共混物、吸波层成分为65质量份的羰基铁粉与35质量份PA11树脂共混物、反射层成分为15质量份的短切碳纤维与85质量份的PA11树脂共混物。
此结构吸波材料的制备方法中，透波层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为165℃，熔融段温度设定为185℃，混炼段温度设定为205℃，双螺杆挤出机转速为300r·min-1；阻抗匹配层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为165℃，熔融段温度设定为205℃，混炼段温度设定为215℃，双螺杆挤出机转速为280r·min-1；吸波层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为165℃，熔融段温度设定为225℃，混炼段温度设定为245℃，双螺杆挤出机转速为450r·min-1；反射层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为165℃，熔融段温度设定为205℃，混炼段温度设定为215℃，双螺杆挤出机转速为280r·min-1。
此结构吸波材料在4GHz～8GHz波段范围内反射率≤-7dB，拉伸强度为203.2MPa，弯曲强度为157.1MPa，层间剪切强度为46.8MPa。
实施例2
根据吸波结构板所需要的性能要求，设计结构吸波材料总厚度为10mm，其中透波层的厚度为4mm、阻抗匹配层的厚度为1mm、吸波层的厚度为4mm、反射层的厚度为1mm。其中透波层成分为PA6树脂层、阻抗匹配层成分为20质量份的导电炭黑与80质量份的PA6树脂共混物、吸波层成分为85质量份的铁氧体粉与15质量份PA6树脂共混物、反射层成分为50质量份的短切碳纤维与50质量份的PA6树脂共混物。
此结构吸波材料的制备方法中，透波层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为220℃，熔融段温度设定为255℃，混炼段温度设定为260℃，双螺杆挤出机转速为400r·min-1；阻抗匹配层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为220℃，熔融段温度设定为255℃，混炼段温度设定为265℃，双螺杆挤出机转速为350r·min-1；吸波层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为230℃，熔融段温度设定为255℃，混炼段温度设定为275℃，双螺杆挤出机转速为600r·min-1；反射层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为225℃，熔融段温度设定为255℃，混炼段温度设定为275℃，双螺杆挤出机转速为350r·min-1。
此结构吸波材料在2GHz～18GHz波段范围内反射率≤-12dB。此结构吸波材料的拉伸强度为253.4MPa，弯曲强度为187.1MPa，层间剪切强度为44.7MPa。
实施例3
根据吸波结构板所需要的性能要求，设计结构吸波材料总厚度为8mm，其中透波层的厚度为2mm、阻抗匹配层的厚度为1mm、吸波层的厚度为4mm、反射层的厚度为1mm。其中透波层成分为PA66树脂层、阻抗匹配层成分为10质量份的导电炭黑与90质量份的PA66树脂共混物、吸波层成分为70质量份的铁硅铝微粉与30质量份PA66树脂共混物、反射层成分为20质量份的短切碳纤维与80质量份的PA66树脂共混物。
此结构吸波材料的制备方法中，透波层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为240℃，熔融段温度设定为290℃，混炼段温度设定为280℃，双螺杆挤出机转速为300r·min-1；阻抗匹配层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为250℃，熔融段温度设定为285℃，混炼段温度设定为295℃，双螺杆挤出机转速为250r·min-1；吸波层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为245℃，熔融段温度设定为285℃，混炼段温度设定为305℃，双螺杆挤出机转速为450r·min-1；反射层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为245℃，熔融段温度设定为285℃，混炼段温度设定为305℃，双螺杆挤出机转速为250r·min-1。
此结构吸波材料在2GHz～18GHz波段范围内反射率≤-10dB。此结构吸波材料的拉伸强度为216.9MPa，弯曲强度为151.7MPa，层间剪切强度为53.2MPa。
实施例4
根据吸波结构板所需要的性能要求，设计结构吸波材料总厚度为7mm，其中透波层的厚度为3mm、阻抗匹配层的厚度为0.5mm、吸波层的厚度为3mm、反射层的厚度为0.5mm。其中透波层成分为PA1010树脂层、阻抗匹配层成分为12质量份的导电炭黑与88质量份的PA1010树脂共混物、吸波层成分为80质量份的铁硅铬微粉与20质量份PA1010树脂共混物、反射层成分为30质量份的短切碳纤维与70质量份的PA1010树脂共混物。
此结构吸波材料的制备方法中，透波层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为240℃，熔融段温度设定为260℃，混炼段温度设定为280℃，双螺杆挤出机转速为350r·min-1；阻抗匹配层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为250℃，熔融段温度设定为285℃，混炼段温度设定为295℃，双螺杆挤出机转速为250r·min-1；吸波层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为245℃，熔融段温度设定为265℃，混炼段温度设定为285℃，双螺杆挤出机转速为550r·min-1；反射层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为245℃，熔融段温度设定为265℃，混炼段温度设定为275℃，双螺杆挤出机转速为250r·min-1。
此结构吸波材料在2GHz～18GHz波段范围内反射率≤-8dB。此结构吸波材料的拉伸强度为255.1MPa，弯曲强度为147.6MPa，层间剪切强度为49.7MPa。
实施例5
根据吸波结构板所需要的性能要求，设计结构吸波材料总厚度为6mm，此结构吸波材料包括两层吸波层，其中透波层的厚度为1mm、阻抗匹配层的厚度为1mm、第一层吸波层的厚度为2mm、第二层吸波层的厚度为1.5mm、反射层的厚度为0.5mm。其中透波层成分为ABS树脂层、阻抗匹配层成分为18质量份的导电炭黑与82质量份的ABS树脂共混物、第一层吸波层成分为70质量份的羰基铁粉与30质量份ABS树脂共混物、第二层吸波层成分为80质量份的铁硅铝微粉与20质量份的ABS树脂共混物、反射层成分为40质量份的短切碳纤维与60质量份的ABS树脂共混物。
此结构吸波材料的制备方法中，多层共挤挤出机包括五个双螺杆挤出机。透波层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为190℃，熔融段温度设定为210℃，混炼段温度设定为220℃，双螺杆挤出机转速为350r·min-1；阻抗匹配层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为190℃，熔融段温度设定为225℃，混炼段温度设定为245℃，双螺杆挤出机转速为350r·min-1；第一层吸波层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为195℃，熔融段温度设定为225℃，混炼段温度设定为245℃，双螺杆挤出机转速为500r·min-1；第二层吸波层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为195℃，熔融段温度设定为215℃，混炼段温度设定为225℃，双螺杆挤出机转速为450r·min-1；反射层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为195℃，熔融段温度设定为215℃，混炼段温度设定为235℃，双螺杆挤出机转速为300r·min-1。
此结构吸波材料在1GHz～4GHz波段范围内反射率≤-8dB。此结构吸波材料的拉伸强度为237.7MPa，弯曲强度为151.6MPa，层间剪切强度为43.7MPa。
实施例6
根据吸波结构板所需要的性能要求，设计结构吸波材料总厚度为5mm，此结构吸波材料包括两层吸波层，其中透波层的厚度为2mm、阻抗匹配层的厚度为0.5mm、第一层吸波层的厚度为1mm、第二层吸波层的厚度为1mm、反射层的厚度为0.5mm。其中透波层成分为PVC树脂层、阻抗匹配层成分为16质量份的导电炭黑与84质量份的PVC树脂共混物、吸波层1成分为65质量份的铁氧体粉与35质量份PVC树脂共混物、吸波层2成分为80质量份的铁硅铬微粉与20质量份的PVC树脂共混物、反射层成分为20质量份的短切碳纤维与80质量份的PVC树脂共混物。
此结构吸波材料的制备方法中，多层共挤挤出机包括五个双螺杆挤出机。透波层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为80℃，熔融段温度设定为110℃，混炼段温度设定为120℃，双螺杆挤出机转速为300r·min-1；阻抗匹配层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为90℃，熔融段温度设定为115℃，混炼段温度设定为125℃，双螺杆挤出机转速为300r·min-1；第一层吸波层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为75℃，熔融段温度设定为125℃，混炼段温度设定为135℃，双螺杆挤出机转速为350r·min-1；第二层吸波层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为75℃，熔融段温度设定为135℃，混炼段温度设定为140℃，双螺杆挤出机转速为350r·min-1；反射层对应的双螺杆挤出机输送段温度设定为95℃，熔融段温度设定为115℃，混炼段温度设定为135℃，双螺杆挤出机转速为300r·min-1。
此结构吸波材料在4GHz～8GHz波段范围内反射率≤-10dB。此结构吸波材料的拉伸强度为246.1MPa，弯曲强度为137.4MPa，层间剪切强度为38.4MPa。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。