一种C/SiO₂/SiC吸波复合材料及其制备方法

专利名称：一种C/SiO₂/SiC吸波复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于功能复合材料领域，涉及一种吸波材料及其制备方法，具体涉及一种以炭素材料为基体的吸波复合材料及其制备方法。
背景技术：
随着现代电子代技术的发展，电子产品数量的急剧增加，由此产生的各种电磁波辐射，对环境造成极大的影响。电子产品向外泄露、发射电磁波，形成了电磁波公害、成为严重的环境污染。电磁波吸收材料能使电磁波能转化为热能或其他形式的能，从而有效的降低、减少电磁污染。吸波材料在电视广播、微波暗室、电子设备器件、精密仪器等电磁屏蔽方面有广泛的用途；在卫星通讯系统、雷达系统和移动通讯系统中，配置电磁波吸收体能防止和抑制杂波干扰、辐射，并能够对波形整形；在微波集成放大器中应用可消除内部噪声干扰、改善幅频特性、提高放大器增益。吸波材料对于军事电子对抗、隐身武器等军事高科技术的发展也具有十分重要的意义。随着科学技术的快速发展，对吸波材料提出了吸收率高、 吸收频带宽、质量轻、厚度薄等方面的要求。传统吸波材料有铁氧体、金属微粉、钛酸钡等，通常存在吸收频带窄、密度大等缺点；新型吸波材料有纳米材料、金属纤维、“手性”材料、导电聚合物及电路模拟吸波材料等，成本高、制备工艺复杂，应用性差。研究开发新型高性能吸波材料和先进的制备技术，对于现代科学技术的发展具有重要的意义。

发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高性能的C/Si02/SiC吸波复合材料及其方法。通过调节原材料的配比，可使制备的吸波复合材料在特定微波频段内如x波段(8 12GHz)、Ku波段(12 18GHz)，其反射损耗均低于_5dB，最大反射损耗为-12 _38dB，具有高介电损耗性能稳定、厚度相对较薄、以及面密度低等特点。为实现上述目的，本发明的技术方案是一种C/Si02/SiC吸波复合材料，该复合材料通过以下原料和方法制备得到(1)将硅烷试剂与基体炭按照质量比为硅烷试剂基体炭=0. 1-0. 5 1的比例在20°C _25°C的条件下进行表面吸附处理，然后在管式反应器中进行60°C 160°C固化处理，得到固化复合体；其中，所述硅烷试剂为正硅酸乙酯(TE0Q或Y-氨丙基三乙氧基硅烷 (KH550)，所述基体炭为活性炭、浙青炭或树脂炭；(2)将上述固化复合体进行机械破碎经过筛分后为200 300目粉体；(3)将上述粉体在装入管式反应器中，然后将管式反应器放入回转管式炉中，在堕性气体保护下进行炭化处理；所述炭化处理采用程序升温，升温过程为以rc /min 50C /min的速率升到800-1000°C保温l_2h，然后以15°C /min 20°C /min的升温速率升到 1200 1400°C保温 2-4h ；步骤⑴和(3)中，所述管式反应器内壁设置2 4条Imm IOOmm宽的螺旋片，螺旋片与反应器的中轴线保持20° 60°倾斜角；且管式反应器内壁规则布置有2mm 5mm高度的锥形刀口。上述复合材料的体积密度为1. 2 3. Og/cm3,电阻率为IX 10_2 IX IO3Ω · πιΩ · m。一种C/Si02/SiC吸波复合材料的制备方法，包括如下具体步骤(1)将硅烷试剂与基体炭按照质量比为硅烷试剂基体炭=0. 1-0. 5 1的比例在20°C _25°C的条件下进行表面吸附处理，然后在管式反应器中进行60°C 160°C固化处理，得到固化复合体；(2)将上述固化复合体进行机械破碎得到粉体；(3)将上述粉体在装入管式反应器中，然后将管式反应器放入回转管式炉中，在堕性气体保护下进行炭化处理；所述炭化处理采用程序升温，升温过程为以rc /min 50C /min的速率升到800-1000°C保温l_3h，然后以15°C /min 20°C /min的升温速率升到 1200 1400°C保温 2-4h ；步骤⑴和(3)中，所述管式反应器内壁设置2 4条Imm IOOmm宽的螺旋片， 螺旋片与反应器的中轴线保持20° 60°倾斜角；且管式反应器内壁规则布置有2mm 5mm高度的锥形刀口。如图6-8所示。所述硅烷试剂优选为正硅酸乙酯或Y-氨丙基三乙氧基硅烷。所述基体炭优选为活性炭、浙青炭和树脂炭。所述粉体优选经过筛分后为200 300目的粉体。所述管式反应器内部还可以放有若干Imm IOmm直径的钢珠。所述螺旋片为多段渐开式螺旋片，且一面光滑，一面保持一定的粗糙度。所述回转管式炉可以按照一定的速率进行顺转和反转。下面对本发明做进一步的解释和说明本发明是一种利用特制的管式反应器，制备C/Si02/SiC吸波复合材料的方法。该管式反应器具有多重功能，在液固转化过程中能够同时进行液体搅拌和固体粉化。液相反应过程中，液体在管式反应器的螺旋片上形成液膜，发生汽化、固化反应，这种反应方式极大地提高了液态反应物向固态产物的转化速率，能使硅的有机前驱体充分均勻地沉积在基体炭上，或与碳的前驱体充分混合，有利于后续的炭化和高温固相反应的进行。焙烧过程管式反应器能提高焙烧反应的均勻性、减少块体的生成，可以使得SiC的生成反应的温度降低到1400°C以下。且通过本发明特制的管式反应器进行焙烧能够生成结构均一的C/Si02/ SiC复合体，如图1、2所示，图1中立方体为β-SiC晶体，小圆颗粒为SiA附着在炭基体上；图2中36°、60°、72°处的峰为β-SiC晶体的衍射峰，26°、42°处的峰为SW2晶体的衍射峰。与现有技术相比，本发明的优势在于1、本发明的吸波复合材料在特定微波频段内如Χ波段(8 12GHz)和Ku波段 (12 18GHz)，其反射损耗均低于_5dB，最大反射损耗达到-12dB _38dB，具有高介电损耗性能稳定、厚度较薄等以及面密度低等优点。2、本发明的吸波复合材料为C/Si02/SiC的复合体，性能比C、SiO2, SiC机械混合体性能更加优异和稳定，同时比C/Si02、C/SiC复合体具有更好的吸波性能调控能力。
3、本发明的吸波复合材料是在特定的设备和特定的方法制备而成，该方法SiC生成反应温度低，制备的吸波复合材料结构均一。


图1是本发明的C/Si02/SiC吸波复合材料的扫描电镜图；图2是本发明的C/Si02/SiC吸波复合材料的XRD衍射图；图3是本发明的C/Si02/SiC吸波复合材料的反射损耗与电磁波频率关系图；图4是本发明的C/Si02/SiC吸波复合材料的反射损耗与电磁波频率关系图；图5是本发明的C/Si02/SiC吸波复合材料的反射损耗与电磁波频率关系图；图6是管式反应器的结构示意图；图7是管式反应器的纵向剖面图；图8是管式反应器的A-A剖面图；其中1是进气口、2是出气口、3是反应器盖、4是锥形刀口、5是螺旋片，a是螺旋片的宽度，可以根据需要来设计，例如a = Imm 100mm ;b是螺旋片的节距，可以根据需要来设计，例如b = IOOmm 500mm。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
，对本发明做进一步的解释和说明，但本发明不限于实施例的范围。
具体实施例方式实施例1 一种管式反应器，如图6-8所示，是一种圆柱形体，一端设有进气口(1)，另一端设有出气口 O)，所述管式反应器内壁设置2 4条Imm IOOmm宽(a)的螺旋片(5)，螺旋片(5)与反应器的中轴线保持35°倾斜角；且管式反应器内壁规则布置有2mm 5mm高度的锥形刀口 。其中，螺旋片(5)与反应器的中轴线的倾斜角可以根据需要设计成不同的角度，20° 60°均为较适宜的角度。螺旋片(5)可以是2 4条连续或间断的螺旋片，螺旋片之间的节距(b)可以根据需要设计，以IOOmm 500mm较为适宜。实施例2 以实施例1所述的管式反应器作为反应设备，制备C/Si02/SiC吸波复合材料20°C下，取IOOg活性炭置于烧杯中，加入相对于活性炭10% (w/w)的KH550和 IOOml无水乙醇后搅拌均勻，进行表面吸附。再将烧杯置于60°C水浴中超声分散2小时，然后在管式反应器80°C下进行固化处理。固化后的样品取出放入管式反应器，以3°C /min速率升到900°C温度保温2小时炭化处理，炭化产物转入高温气氛炉以15°C /min的升温速率 1300°C保温池，冷却至室温取出即可。复合材料的扫描电镜图如图1所示，XRD衍射图如图 2所示，图1中立方体为β-SiC晶体，小圆颗粒为SiO2附着在炭基体上；图2中36°、60°、 72°处的峰为β-SiC晶体的衍射峰，26°、42°处的峰为SiO2晶体的衍射峰，可见复合体组分分布均勻、结构均一。所得材料在6. 6 12. 2GHz频率范围内的反射损耗均小于_5dB， 最大反射损耗达_38dB。如图3所示。实施例3
以实施例1所述的管式反应器作为反应设备，制备C/Si02/SiC吸波复合材料25°C下，取IOOg活性炭置于烧杯中，加入相对于活性炭30% (w/w)的TEOS和 IOOml无水乙醇后搅拌均勻，进行表面吸附，加入IOml 5% (w/w)浓度的氨水，超声分散30 分钟，静置过夜后在管式反应器内120°C进行固化处理。固化后的样品取出研磨、筛分300 目的粉体后放入管式反应器内，以5°C /min速率升到1000°C温度保温1小时炭化处理，炭化产物转入高温气氛炉以15°C /min的升温速率1400°C保温池，冷却至室温取出即可。该复合材料的扫描电镜效果和衍射效果同实施例1，组成结构均一。该复合材料在12. 6 18GHz频率范围内的反射损耗均小于_5dB，最大反射损耗达-18. 5dB。如图4所示。实施例4 以实施例1所述的管式反应器作为反应设备，制备C/Si02/SiC吸波复合材料25°C下，取IOOg浙青炭置于烧杯中，加入相对于活性炭50% (w/w)的TEOS和 IOOml无水乙醇后搅拌均勻，加入IOml 15% (w/w)的氨水，超声分散30分钟，静置过夜后在管式反应器内60°C干燥处理。干燥后的样品取出研磨、筛分200目的粉体后放入管式反应器内，以5°C /min速率升到800°C温度保温3小时炭化处理，炭化产物转入高温气氛炉以 15°C /min的升温速率1200°C保温4h，冷却至室温取出即可。该复合材料的扫描电镜效果和衍射效果同实施例1，组成结构均一。该复合材料在11. 6 18GHz频率范围内的反射损耗均小于_5dB，最大反射损耗达-12. 6dB。如图5所示。
权利要求
1.一种C/Si02/SiC吸波复合材料，其特征是，该复合材料通过以下原料和方法制备得到(1)将硅烷试剂与基体炭按照质量比为硅烷试剂基体炭=0.1-0. 5 1的比例在 200C _25°C的条件下进行表面吸附处理，然后在管式反应器中进行60°C 160°C固化处理， 得到固化复合体；其中，所述硅烷试剂为正硅酸乙酯或Y-氨丙基三乙氧基硅烷，所述基体炭为活性炭、浙青炭或树脂炭；(2)将上述固化复合体进行机械破碎经过筛分后为200 300目后得到粉体；(3)将上述粉体在装入管式反应器中，然后将管式反应器放入回转管式炉中，在堕性气体保护下进行炭化处理；所述炭化处理采用程序升温，升温过程为以1°C /min 5°C /min 的速率升到800-1000°C保温l_3h，然后以15°C /min 20°C /min的升温速率升到1200 1400°C保温 2-4h ；步骤(1)和(3)中，所述管式反应器内壁设置2 4条Imm IOOmm宽的螺旋片，螺旋片与反应器的中轴线保持20° 60°倾斜角；且管式反应器内壁规则布置有2mm 5mm高度的锥形刀口。
2.根据权利要求1所述C/Si02/SiC吸波复合材料，其特征是，所述复合材料的体积密度为 1. 2 3. Og/cm3，电阻率为 1 X IO"2 1 X IO3 Ω · m。
3.—种C/Si02/SiC吸波复合材料的制备方法，其特征是，包括如下具体步骤(1)将硅烷试剂与基体炭按照质量比为硅烷试剂基体炭=0.1-0. 5 1的比例在 200C -25°C的条件下进行表面吸附处理，然后在管式反应器中进行60V 160°C固化处理， 得到固化复合体；(2)将上述固化复合体进行机械破碎得到粉体；(3)将上述粉体在装入管式反应器中，然后将管式反应器放入回转管式炉中，在堕性气体保护下进行炭化处理；所述炭化处理采用程序升温，升温过程为以1°C /min 5°C /min 的速率升到800-1000°C保温l_3h，然后以15°C /min 20°C /min的升温速率升到1200 1400°C保温 2-4h ；步骤(1)和(3)中，所述管式反应器内壁设置2 4条Imm IOOmm宽的螺旋片，螺旋片与反应器的中轴线保持20° 60°倾斜角；且管式反应器内壁规则布置有2mm 5mm高度的锥形刀口。
4.根据权利要求3所述C/Si02/SiC吸波复合材料的制备方法，其特征是，所述硅烷试剂为正硅酸乙酯或Y-氨丙基三乙氧基硅烷。
5.根据权利要求3所述C/Si02/SiC吸波复合材料的制备方法，其特征是，所述基体炭为活性炭、浙青炭或树脂炭。
6.根据权利要求3所述C/Si02/SiC吸波复合材料的制备方法，其特征是，所述粉体是经过筛分后为200 300目的粉体。
7.根据权利要求3所述C/Si02/SiC吸波复合材料的制备方法，其特征是，所述管式反应器内部放有Imm IOmm直径的钢珠。
全文摘要
本发明属于功能复合材料领域，具体涉及一种C/SiO2/SiC吸波复合材料及其制备方法。该复合材料通过以下原料和方法制备得到(1)将硅烷试剂与基体炭按照质量比为硅烷试剂∶基体炭＝0.1-0.5∶1的比例在20℃-25℃的条件下进行表面吸附处理，然后在管式反应器中进行60℃～160℃固化处理，得到固化复合体；(2)将上述固化复合体进行机械破碎后得到粉体；(3)将上述粉体在装入管式反应器中，然后将管式反应器放入回转管式炉中，在堕性气体保护下进行高温炭化处理，即可。本发明的复合材料的体积密度为1.2～3.0g/cm3，电阻率为1×10-2～1×103Ω·m，在X波段和Ku波段微波频段内具有优良的吸波性能。
文档编号B01F5/06GK102504761SQ20111036241
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月16日 优先权日2011年11月16日
发明者刘洪波, 李劲, 邵南子 申请人:湖南大学