高频下具有特定介电常数的复合材料、其制备方法及用途与流程

本发明涉及复合材料制备
技术领域：
，具体涉及一种高频下具有特定介电常数的复合材料、其制备方法及用途。
背景技术：
：获取在高频测试频率下具有特定介电常数的非金属材料是进行电磁缩比测量等试验的重要前提。电磁缩比测量是研究大型及外军目标电磁散射特性的主要方法之一。依据电磁缩比原理，要求被测目标的几何、物理特性及测试系统的相关参数满足相应的缩比关系。金属材料的目标由于很容易满足缩比关系，缩比测量已经广泛应用在金属材料目标电磁散射特性的研究中，但对于水泥地面、橡胶等非金属材料，除保持几何尺寸、工作波长满足缩比关系外，还需要使两种材料的介电特性保持一致，但非金属材料的介电常数随频率发生较大变化，这就需要利用模拟复合材料替代真实非金属目标，详见参考文献《水泥地面电磁缩比测试技术研究》(制导与引信，2009年第2期，p58)。例如，橡胶、水泥材料在2ghz频率下的介电常数分别为3.81和4.67，这两种材料随着频率的变化，介电常数会发生变化。根据电磁缩比测量理论，在不同的频率下进行缩比测量时，要保证材料的介电特性不变，因此，需要寻找一种替代材料，这种替代材料在高频10ghz、35ghz下的介电常数要与橡胶、水泥在低频2ghz时的介电常数一致。根据电磁缩比原理以及根据bruggemen理论模型和maxwell-garnett理论模型，要保证非金属缩比材料在缩比测试频段的介电常数与真实频段下原型材料的介电常数相同，可通过已知介电常数的粉末原料与高分子材料树脂进行适宜的非金属缩比材料构造，构造完成的非金属缩比材料的介电常数与此材料中每个成分的微结构有着密切关系。通过复合材料构造，成份修复等步骤，可构造出满足缩比关系介电常数要求的高分子复合材料。满足电磁缩比要求的特定介电常数的复合材料必须满足以下综合要求：(1)在缩比测试频段的介电常数与真实频段下原型材料的介电常数相同；(2)与原型材料在强度、韧性、弹性等物理性能较为接近；(3)基本材料具有优异的溶解性能，可实现粉末材料在基体材料中的均匀分散，且粉末不易沉淀；(4)固化性能优异，可操作性好。目前，在具有特定介电性能要求的材料研究方面已有一定研究。在金属基体材料中添加陶瓷粉末，可以得到很高介电常数的复合材料，如专利cn101550511b《超高介电常数铌酸纳钾-银颗粒复合材料及制备方法》，介绍了一种在铌酸纳钾纳米粉体中加入硝酸银粉体而得到介电常数达到170000的复合材料及其制备方法。但该种方法制备的复合材料性能与非金属材料差异较大，不能作为缩比测试用的非金属材料。近年来，关于高介电常数聚合物复合材料的研究很多，其中最常用的一种方法是制备陶瓷/聚合物复合材料。有机聚合物基复合材料可以在较低温度下复合，具有弹性，但是其自身的介电常数较低，所以通过利用陶瓷的高介电特性提高聚合物基复合材料的介电常数。专利cn103382240b《高介电常数的钛酸钡/聚合物复合材料及其制备方法》介绍了一种具有核-壳-壳之间共价键连接结构的复合材料，基体材料为聚甲基丙烯酸甲酯，添加材料为钛酸钡陶瓷颗粒；专利cn103547548a《高介电常数复合材料和制造方法》介绍种在频率200mhz～4.5ghz的频率下具有高介电常数的复合材料的制备方法，复合材料采用陶瓷颗粒和聚合物粘合剂组成，陶瓷颗粒包括钛酸钡、钛酸钡锶或其组合，聚合物包括硅烷、钛酸酯、锆酸酯或其组合；专利cn102718981b《一种复合材料的制备方法及超材料》介绍了一种在有机高分子膜制备过程中均匀分散纳米级陶瓷颗粒来调节介电常数的方法。有机高分子材料为聚矾类树脂、聚偏氟乙烯、醋酸纤维素、聚酰亚胺树脂或聚丙烯睛，陶瓷颗粒为纳米级的二氧化钛颗粒、氧化铝颗粒、二氧化硅颗粒、碳化硅颗粒或氮化硅颗粒；专利cn10042412c《一种高介电常数低介电损耗树脂的制造方法》介绍了一种包含纳米核/壳结构复合颗粒的绝缘树脂，由有机物和纳米颗粒组成，其中有机物为丁腈橡胶、氯丁橡胶或聚氨酯橡胶，纳米颗粒为钛酸钡、钛酸锶或钛酸铝。然而，这种方法一般都需要较大的陶瓷填充量，大量填充陶瓷体填料使得弹性体的模量提高，降低了弹性体的柔韧性和力学变形能力，复合材料成型过程也较为困难；同时采用陶瓷粉末作为添加材料，难以得到高频下具有优异介电性能的复合材料，因此以上专利介绍的复合材料多用于10ghz以下的场合。为改善聚合物中填充陶瓷粉末造成复合材料的加工和使用性能降低的问题，可使用一种填充导体或者是半导体填料，如铝粉、银粉、石墨烯、碳纳米管等。由于导体/半导体填料溶解性能差，容易形成沉淀等问题，影响了复合材料的均匀性，必须选用具有优异溶解性能的基体材料。专利cn101293986a《含有核＠壳结构填料的高介电复合材料及其制备方法》介绍了一种含有铝粉和聚苯乙烯的复合材料，铝粉的含量范围为10～45wt％，聚苯乙烯的含量范围为55～90wt％。由于聚苯乙烯粘度大、分散性差，因此采用对铝粉进行钝化，以提升复合材料的界面特性，这就造成复合材料的制备工艺较为复杂。聚氨酯材料是一种具有优异力学性能与介电性能的高分子材料，其溶解性能好，可以实现填料的均匀分散，并且可以固化性能优异，可操作性好，是一种优异的基体材料，但现有专利较多关注于调节聚氨酯复合材料力学性能、热学性能等方面的研究。专利cn201410763389《一种聚氨酯复合材料及其制备方法》介绍了一种由低聚物多元醇、异氰酸酯、小分子扩散链剂、亚微米粒子组成的聚氨酯复合材料，其目的在于提升复合材料的耐磨性能和力学性能。如专利cn104212157a《一种高弹性聚氨酯复合材料及其制备方法》公开了一种高弹性聚氨酯复合材料，包含端轻基多元醇、异氰酸酯50～70份、纳米氧化铝粉份、铵盐催化剂等成分，其主要目的是提高聚氨酯复合材料的弹性和抗疲劳强度。专利cn105968290a《一种聚氨酯复合材料》介绍了一种由乙酸乙酯、异氰酸酯、纳米氧化镁、竹炭纤维、氧化剂等成份构成的复合材料，通过在聚氨酯中分散镁粉来提高导热性能，另外通过竹炭纤维与镁粉相互作用，提高聚氨酯复合材料的导热系数。专利cn105885005a《一种聚氨酯弹性体材料的制备方法》介绍了一种在丙烯腈共聚物中加入异氰酸酯进行反应而得到的聚氨酯弹性体材料。该方法采用化学反应的方式提高聚氨酯的介电常数与力学性能，但该类方法对基体材料的性能改变不大，难以制备出在高频波段下具有较高介电常数的复合材料。现有文献中也有关于电磁缩比材料方面的研究。专利cn105224762a《一种基于电磁参数优化设计的缩比复合材料配制方法》介绍了一种电磁缩比材料的计算方法，通过将混合材料的电磁参数测试与等效媒质理论结合，得到优化的电磁缩比材料的配制方法，该专利主要从理论仿真计算角度出发对电磁缩比材料的配比方案，采用环氧树脂掺杂羰基铁粉，由于环氧树脂溶解性差、性脆，制备的复合材料存在较大的不均匀性，且容易开裂。专利cn106503311《基于生物基材料的地面背景电磁缩比材料的制备方法》公开了一种基于生物基材料的地面背景电磁缩比材料的制备方法，利用生物基磁性吸波微粒与树脂基粘结剂混合，通过滚压方式能够实现平面型地面背景缩比材料的制造，生物基填料为包覆硅藻土或包覆螺旋藻微粒，在填料表面包覆羰基铁、nife、conip等材料，该方法采用的生物基填料对介电常数的调节范围难以做到很大。技术实现要素：本发明的目的在于解决非金属材料目标的电磁缩比实验难以获得匹配的复合材料，采用聚氨酯作为基体材料、导体/半导体材料作为填料，通过调节填料的配比，可制备高频下具有特定介电常数的电磁缩比复合材料。为了达到上述目的，本发明提供了一种高频下具有特定介电常数复合材料的制备方法，其包含以下步骤：步骤1，对未添加改性添加剂的基体材料进行介电常数空白试验测试；步骤2，向未添加改性添加剂的基体材料中加入若干不同用量的改性添加剂，混合，配制若干第一高分子复合材料；步骤3，对配制的第一高分子复合材料进行介电常数检测，建立第一高分子复合材料介电常数与改性添加剂添加量的测试曲线；步骤4，根据不同高频要求的介电常数要求，按照上述测试曲线初步确定改性添加剂的用量比例，制成第二高分子复合材料；步骤5，对第二高分子复合材料进行介电常数测试，并根据测试果对改性添加剂的添加比例进行调整，直到达到要求的介电常数，采用此时的添加剂用量配方，可获得高频下具有特定介电常数复合材料。较佳地，所述的基体材料为弹性聚氨酯。较佳地，所述的弹性聚氨酯由a、b、c三种组分的原料混合而成，三种组分的重量比为50：50：0.75。较佳地，所述的改性添加剂包含铝粉或石墨粉。较佳地，步骤2中，所述的复合材料需在50℃±5℃烘箱中固化5h。本发明还提供了一种根据上述的方法制备的高频下具有特定介电常数复合材料。较佳地，该复合材料在10ghz下介电常数为3～5，所述的改性添加剂为石墨粉，添加质量分数为1％～20％。较佳地，石墨粉的粒径不大于400目。较佳地，该复合材料在10ghz下介电常数为5～30，所述的粉末添加材料为铝粉，添加质量分数为0.5％～20％。较佳地，铝粉的粒径不大于400目。本发明将具有高强度、高弹性、高溶解性的基体材料(聚氨酯)和表面改性处理(如研磨，以增大表面积)的纳米级高介电常数(大于10)粉末添加材料混合，通过调节改性添加剂在基体材料中的添加比例，可构造出高频下具备不同介电常数的高分子复合材料。本发明与现有技术相比具有以下优点：1)聚氨酯材料作为基体材料，具有优异的溶解性能，能够保证填料粉末(改性添加剂，如铝粉或石墨粉)的均匀分散，且不易沉淀；2)采用本发明制备的复合材料，不仅可以做到在高频下具有特定的介电常数，而且具有优异的强度与韧性、抗老化性好，作为电磁缩比材料，与原型非金属材料的物理特性非常接近；3)复合材料的介电常数调节范围大；4)工艺简单，制备方便，工艺参数便于控制。附图说明图1为本发明一种高频下具有特定介电常数复合材料的制备工艺流程。图2为本发明复合材料介电常数与石墨粉添加量的测试曲线。图3为本发明复合材料介电常数与铝粉添加量的测试曲线。具体实施方式以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。本发明提供的一种高频下具有特定介电常数的复合材料，由具有高强度、高弹性、高溶解性的基体材料和表面改性处理的纳米级高介电常数粉末添加材料混合配制，通过调节粉末在基体材料中的添加比例，可构造出高频下具备不同介电常数的高分子复合材料，基体材料为弹性聚氨酯，由a、b、c三种原料混合而成，三种组分的重量比为50：50：0.75，粉末添加材料为铝粉或石墨粉，粒径不大于400目。已知两种非金属橡胶、水泥在2ghz频率下的介电常数分别为3.81和4.67。根据电磁缩比测量理论在不同的频率下进行缩比测量时，需要寻找一种替代材料，在高频10ghz、35ghz下的介电常数要与橡胶、水泥在低频2ghz时的介电常数一致，替代材料可以按照图1所示的步骤进行确定：s1、用天平称取聚氨酯原料a组分(二异氰酸酯)50g、b组分(端羟基聚酯)50g、c组分(以提高反应活性的催化剂)0.75g，用玻璃棒混合均匀，在模具中浇铸成10mm×100mm×100mm的坯料，在50℃±5℃烘箱中固化5h，配制成聚氨酯材料。s2、对s1中未添加粉末的聚氨酯材料(空白聚氨酯材料)通过用短路波导法对聚氨酯材料进行介电常数检测，结果如表1所示。表1空白聚氨酯材料介电常数测试频率10ghz16ghz35ghz介电常数3.142.882.55s3、称取聚氨酯原料a组分50g、b组分50g、c组分0.75g，并加入不同比例石墨粉或铝粉进行混合，配制成不同的介电常数高分子复合材料。s4、通过用短路波导法对配制的聚氨酯材料进行介电常数检测，并绘制复合材料介电常数与粉末添加量的测试曲线，图2为复合材料介电常数与石墨粉添加量的测试曲线，图3为复合材料介电常数与铝粉添加量的测试曲线。s5、根据设定的介电常数要求，按照复合材料介电常数与粉末添加量的测试曲线，初步确定石墨粉或铝粉比例，配制成新的高分子复合材料，具体配方为：①配方1：为达到10ghz下复合材料介电常数为3.81，取聚氨酯材料a组份50g、聚氨酯材料b组份50g、聚氨酯材料c组份0.75g、石墨粉d组份5.1g；②配方2：为达到35ghz下复合材料介电常数为3.81，取聚氨酯材料a组份50g、聚氨酯材料b组份50g、聚氨酯材料c组份0.75g、石墨粉d组份10.3g；③配方3：为达到10ghz下复合材料介电常数为4.67，取聚氨酯材料a组份50g、聚氨酯材料b组份50g、聚氨酯材料c组份0.75g、石墨粉d组份13.2g；④配方4：为达到10ghz下复合材料介电常数为4.67，取聚氨酯材料a组份50g、聚氨酯材料b组份50g、聚氨酯材料c组份0.75g、铝粉d组份0.85g。按上述配方用天平称取原材料，用玻璃棒混合均匀，在模具中浇铸成10mm×100mm×100mm的坯料，在50℃±5℃烘箱中固化5h。s6、通过用短路波导法对聚氨酯材料进行介电常数检测，结果如表2所示。表2加入石墨粉和铝粉后介电常数测试测试参数粉末添加量10ghz16ghz35ghz配方1介电常数石墨粉5.1g3.813.313.20配方2介电常数石墨粉10.3g4.243.983.81配方3介电常数石墨粉13.2g4.674.374.11配方4介电常数铝粉0.85g6.255.024.67根据以上测试结果可知，配方1和配方2可以分别作为橡胶在10ghz和35ghz缩比测试时的替代物，配方3和配方4可以分别作为水泥在10ghz和35ghz缩比测试时的替代物。同理，根据缩比测试对象材料的需要，可以配制成各种不同介电常数的缩比材料，构成非金属缩比材料库，替代真实目标进行缩比测试研究。本发明通过将具有高强度、高弹性、高溶解性的基体材料和不同比例的改性添加剂混合，模具压制高分子复合材料，获取该高分子复合材料的介电常数与该改性添加剂的添加量之间的关系曲线，从而初步获取接近高频下特定介电常数的复合材料，测试其真实的介电常数，再根据关系曲线调整添加剂用量，直到获得与高频下特定介电常数一致的高分子复合材料。综上所述，本发明通过不同的材料配比，非常容易地制备出高频下具有不同介电常数的缩比材料，不仅可以做到在高频下具有特定的介电常数，而且具有优异的强度与韧性、抗老化性好，作为电磁缩比材料，与原型非金属材料的物理特性非常接近，能满足不同场合下非金属材料的缩比测试要求。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。当前第1页12