专利名称：共振反共振电磁复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及电磁复合材料及其制备方法。
背景技术：
左手材料的出现不仅极大地拓展了传统电磁学的研究和应用范围，还有可 能促成电磁行业的新一轮技术革命。截至目前，已经有大量的研究集中于左手 材料的制备、表征和应用，通过结构设计已经实现了多种左手效应，并在通信、
光学等诸多领域取得了实际应用。例如美国加州大学Smith等人在金属线+缺 口谐振环阵列获得了负的磁导率和负的介电常数；Largakov等人则利用左手 特性实现了"完美透镜"效应。我国也有多个研究单位在进行这一领域的相关 研究工作，而且就左手效应的高指向性天线等应用技术已进行了较深入的研 究。但是，该领域目前的研究主要集中于有序周期性结构，对于无序复合结构 的研究较少。因为微小周期性复合结构制备的难度较大，所以有序周期性限制 了左手器件的设计和制作，这种状况严重制约了与左手效应相关的多种性能在 实际器件技术中的应用。
发明内容
本发明为了解决现有对于无序复合结构的电磁复合材料研究和应用少、微 小周期性复合结构制备的难度较大、有序周期性结构限制了左手器件的设计和 制作并严重制约左手效应相关性能在实际器件中的应用的问题，提供了一种共
振反共振电磁复合材料及其制备方法，解决上述问题的具体技术方案如下
本发明的共振反共振电磁复合材料，由导电散射体材料和基体材料经固态
混合、模压制成，按体积百分比导电散射体材料为10 40%、基体材料为60 90%。
导电散射体材料采用高介电性碳化硅纤维，其长度为0. 1 1000微米， 直径为0.01 10微米，长径比为10到100;在碳化硅纤维表面镀金属。
基体材料采用高分子聚合物、生物胶、天然与合成纤维、树脂和/或蜡为 任意比例。在实际制备过程中将根据对复合材料分散性、强度和粘度的要求进
行选配。
本发明的共振和反共振电磁复合材料及其制备方法的步骤如下
步骤一、按体积百分比取10 40%的导电散射体材料，导电散射体材料选
用表面镀金属的碳化硅纤维，分散于60 90%基体材料中，(基体材料采用高
分子聚合物、生物胶、天然与合成纤维、树脂和/或蜡为任意比例)导电散射
体材料和基体材料放入螺杆混料机中在20 7(TC空气中进行固态混合10 30 分钟；
步骤二、将步骤一混合均匀的混合料通过模压成形为圆柱状或片状，成型 压力为10 20MPa，成型温度80 12(TC，即制备出共振和反共振电磁复合材 料。
本发明采用高介电性能或高导电性能的散射体分散于具有低介电性能材 料的基体上，所制得的复合材料在微波频域内表现出介电常数共振一磁导率反 共振的奇特效应。由于共振反共振效应的存在使得该复合材料在相应的微波波 段上能够产生极高的介电常数和磁导率，尤其是在磁导率的反共振位置能够获 得小于零的负磁导率。解决了对于微小周期性复合结构制备难度较大的问题。 该复合材料的共振频率能在2 18GHz的宽广频域内调节，共振位置的磁导率 虚部值可达-3。该共振反共振电磁复合材料适用于微波吸收和制备具有左手效 应相关特性的电磁器件。具有成型性能好、微波透明度好、电磁性能稳定等特 点。
图1是本发明共振-反共振电磁复合材料的结构示意图，图2是介电散射 体的形貌图，图3是导电散射体的形貌图，图4 图5是碳化硅纤维体积浓度 为40 vol.。/。复合材料的电磁性能图，图6 图7是碳化硅纤维体积浓度为11 vol.。/。复合材料的电磁性能图，图8 图9是含导电散射体的复合材料的电磁性 能图。
具体实施例方式
具体实施方式
一本实施方式的电磁复合材料，由导电散射体材料和基体 材料经固态混合、模压制成，按体积百分比导电散射体材料采用高介电常数的 碳化硅纤维为10 40%、基体材料为60 90%，导电散射体材料采用介电常数
大于50的碳化硅纤维。
具体实施方式
二本实施方式按体积百分比取10%的高介电常数碳化硅纤 维、90%的石蜡经固态混合、模压制成电磁复合材料。
具体实施方式
三本实施方式按体积百分比取25%的高介电常数碳化硅纤 维和75%的树脂为经固态混合、模压制成电磁复合材料。
具体实施方式
四本实施方式按体积百分比取40%的高介电常数碳化硅纤 维、60%的生物胶经固态混合、模压制成电磁复合材料。
具体实施方式
五本实施方式的碳化硅纤维采用大长径比的陶瓷纤维，其 长度范围为O. 1 1000微米，直径范围为0.01 10微米，长径比为10到100;
导电散射体材料选用表面镀金属层的碳化硅纤维，其形状尺寸与纤维相似。
具体实施方式
六本实施方式的基体材料采用树脂、生物胶或石蜡。
具体实施方式
七本实施方式电磁复合材料的制备方法步骤如下
步骤一、按体积百分比取10 40%表面镀金属层的碳化硅纤维分散于60 90%石蜡中，放入螺杆混料机中在20 7(TC空气中混合10 30分钟；固态混 合以保证导电散射体在基体材料中均匀分布，固态混合过程加温的目的是降低 基体材料的粘度，促进导电散射体的均匀分布。
步骤二、将步骤一混合均匀的混合料模压成形为柱状或片状，成型压力为 10 20MPa，成型温度80 120。C，即制备出共振和反共振电磁复合材料。
本发明的电磁复合材料的共振频率和共振强度通过选择散射体材料的种 类、体积浓度和形状来实现。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
七的不同点在于步骤一中按 体积百分比取40%的高介电常数的碳化硅陶瓷纤维分散于60%的石蜡中，放入 螺杆混料机中在2(TC空气中固态混合20分钟，以保证导电散射体在基体材料 中均匀分布；步骤二中将步骤一混合均匀的混合料通过模压成形为圆柱状，成 型压力为10MPa，成型温度100。C。其它步骤与具体实施方式
七相同。
碳化物陶瓷纤维的形貌如图2所示。对获得的复合材料进行电磁性能测 试，结果如图4所示，在多个频段内，这种复合材料表现出共振一反共振行为， 在5. 5GHz附近的剧烈共振位置能测量到负的磁导率虚部。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
七的不同点在于步骤一中按
体积百分比取11%的高介电常数的碳化硅纤维分散于89%的石蜡中，放入螺杆 混料机中在2(TC空气中固态混合30分钟；步骤二中将步骤一混合均匀的混合 料通过模压成形为片状，成型压力为15MPa，成型温度11(TC。其它步骤与具 体实施方式七相同。
对获得的复合材料进行电磁性能测试，结果如图5所示，可见在多个频段 内，材料表现出共振一反共振行为，在8.0GHz附近的剧烈共振位置测量到负 的磁导率虚部。
具体实施方式
十本实施方式碳化硅纤维表面采用化学方法沉积金属钴， 使碳化硅纤维具有导电性的复合散射体(所得到的导电性复合散射体的形貌如 图3所示)，经具体实施方式
五的制备方法制备出介电基体/导电散射体复合材 料。按体积百分比占散射体40%的样品所进行的电磁性能测试结果，如图6 所示，在这种结构中同样存在明显的共振-反共振效应，在6.5GHz的共振位置 具有负数磁导率虚部。
测试结果表明这种复合材料的共振-反共振行为和所添加的微波散射体的 形状密切相关，所使用的散射体应为大长径比的纳微米纤维，其长度范围为 0.1 1000微米，直径范围为0.01 10微米，长径比为10到100;导电性散 射体选用表面镀金属的陶瓷纤维，其形状尺寸与陶瓷纤维相似。尽管如此，并 不能排除这种共振-反共振效应也存在于具有颗粒状微波散射体的复合材料 中。因此，本专利申请在内容上并不特别限定微波散射体的形状。试验结果还 表明，热处理和表面处理过程会显著影响碳化物陶瓷和氧化物陶瓷的介电性 能，最终制备出的复合材料的微波吸收性能不但和所用的微波散射体种类和形 状相关，还与微波散射体所经历的热处理过程和表面状态的影响有关。
权利要求
1、共振反共振电磁复合材料，由导电散射体材料和基体材料经固态混合、模压制成，其特征在于按体积百分比导电散射体材料为10～40％、基体材料为60～90％。
2、 根据权利要求1所述的共振反共振电磁复合材料，其特征在于导电散 射体材料采用高介电常数碳化硅纤维，其长度为0. 1 1000微米，直径为 0. 01 10微米，长径比为IO到IOO。
3、 根据权利要求2所述的共振反共振电磁复合材料，其特征在于碳化硅 纤维表面采用化学方法沉积金属表层。
4、 根据权利要求2所述的共振反共振电磁复合材料，其特征在于导电散 射体材料采用介电常数大于50的碳化硅纤维。
5、 根据权利要求1所述的共振反共振电磁复合材料，其特征在于基体材 料采用高分子聚合物、生物胶、天然与合成纤维、树脂和/或蜡。
6、 根据权利要求1所述的共振反共振电磁复合材料，其特征在于按体积 百分比取25%的高介电常数碳化硅纤维和75%的树脂经固态混合、模压制成电 磁复合材料。
7、 制备权利要求1所述的共振和反共振电磁复合材料的方法，其特征在 于该方法的步骤如下步骤一、按体积百分比取10 40%的导电散射体材料，导电散射体材料采 用表面镀金属的碳化硅纤维，分散于60 90%基体材料中，基体材料选用树脂、 生物胶或石蜡，导电散射体材料和基体材料放入螺杆混料机中在20 7(TC空 气中进行固态混合10 30分钟；步骤二、将步骤一混合均匀的混合料通过模压成形为圆柱状或片状，成型 压力为10 20MPa，成型温度80 120。C，即制备出共振和反共振电磁复合材 料。
8、 根据权利要求7所述的共振和反共振电磁复合材料的制备方法，其特 征在于步骤一中按体积百分比取40%的高介电常数的碳化硅陶瓷纤维分散于 60%的石蜡中，放入螺杆混料机中在20。C空气中固态混合20分钟，以保证导 电散射体在基体材料中均匀分布；步骤二中将步骤一混合均匀的混合料通过模 压成形为圆柱状，成型压力为10MPa，成型温度10(TC。
9、根据权利要求7所述的共振和反共振电磁复合材料的制备方法，其特 征在于步骤一中按体积百分比取11%的高介电常数的碳化硅纤维分散于89%的 石蜡中，放入螺杆混料机中在2(TC空气中固态混合30分钟；步骤二中将步骤 一混合均匀的混合料通过模压成形为片状，成型压力为15MPa，成型温度 ll(TC。
全文摘要
共振反共振电磁复合材料及其制备方法，它涉及电磁复合材料及其制备方法。它解决了现有对于无序复合结构的电磁复合材料应用少，因为微小周期性复合结构制备的难度较大，而有序周期性结构限制了左手器件的设计和制作的问题。本发明的共振反共振电磁复合材料按体积百分比导电散射体材料为10～40％、基体材料为60～90％制成。制备方法为一、取散射体材料和基体材料放入螺杆混料机中进行固态混合；二、将步骤一混合均匀的材料模压或挤压成形，即制备出共振和反共振电磁复合材料。本发明电磁复合材料适用于微波吸收和制备具有左手效应相关特性的新型电磁器件的设计和制作。具有成型性能好、微波透明度好、电磁性能稳定的特点。
文档编号H01P7/00GK101174720SQ200710144580
公开日2008年5月7日 申请日期2007年11月9日 优先权日2007年11月9日
发明者姜建堂, 丽 杨, 良 甄, 邵文柱 申请人:哈尔滨工业大学