本发明涉及材料工程领域。具体地，本发明涉及隐身材料及其制备方法。
背景技术：
隐身材料，又称为吸波材料，是指能够吸收和衰减入射的电磁波，将电磁能转化为热能而消耗掉的一类电磁材料。随着现代科学技术的迅速发展，吸波材料在军事、民用两个方面发挥着越来越重要的作用。例如，使用吸波材料可以有效降低目标的雷达反射系数，利用吸波材料可以对电磁污染进行有效屏蔽等。因此，研制高性能的吸波材料成为近年来电磁材料领域的研究重点之一。近年来，纳米材料因其特殊结构引起的量子尺寸效应以及隧道效应，导致它产生许多不同于常规材料的特殊性能，在制备吸波隐身材料中具有广泛的应用前景。
因而，目前的隐身材料及其制备方法仍有待改进。
技术实现要素：
本发明是基于发明人对于以下事实和问题的发现和认识作出的：
发明人发现，目前的隐身材料普遍存在吸波性能较差且吸波频率范围较窄的问题，因此，发现和制备新的吸波能力高并且吸波频率范围广的吸波材料是解决上述问题的一个重要方法。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备隐身材料的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)将钛箔置于酸性溶液中，控温孵育；(2)将所述钛箔以及铂片置于经过所述控温孵育的所述酸性溶液中，并采用所述钛箔作为正极，所述铂片作为负极，在直流电源加压的条件下进行电解反应；(3)对所述钛箔进行烧结处理，以便获得二氧化钛纳米管，以便获得所述隐身材料。由此，该方法所制备的二氧化钛纳米管隐身材料具有优异的宽频吸波性能，而且成本低廉、耐温等级较高，并且该方法操作工艺简单，所制备的隐身材料的吸波性能易于调控，适用范围广。
根据本发明的实施例，在步骤(1)中，所述酸性溶液包括氢氟酸，以及磷酸和硫酸的至少之一。由此，该酸性溶液可以较好地促进钛箔形成钛离子，进一步提高了所制备的产品的使用性能。
根据本发明的实施例，所述酸性溶液中，所述氢氟酸和所述硫酸的摩尔比为1：(5-8)。由此，具有该配比的氢氟酸和硫酸电解溶液可以较好地促进钛箔形成钛离子，进一步提高了所制备的产品的使用性能。
根据本发明的实施例，所述控温孵育的温度为15-35摄氏度。由此，在该温度范围内对钛箔进行孵育，可以使形成的钛离子活性适中，有助于钛离子电解组装形成长度较长并且形貌较佳的二氧化钛纳米管，进而提高了所制备的二氧化钛纳米管的隐身性能。
根据本发明的实施例，所述直流电源加压的电压为12-20v，所述直流电源加压的加压时间为1.5-4小时。由此，在该电压范围以及该加压时间下，有助于钛离子组装形成长度较长以及形貌较佳的二氧化钛纳米管，进而提高了所制备的二氧化钛纳米管的隐身性能。
根据本发明的实施例，所述烧结处理进一步包括：通过程序升温将所述钛箔升温到550摄氏度，然后将所述钛箔程序降温至室温。由此，有利于组装形成的无定形态的二氧化钛纳米管转变为金红石相态的二氧化钛纳米管，使二氧化钛纳米管结构更加稳定和致密，进一步提高了所制备的隐身材料的隐身性能。
根据本发明的具体实施例，该方法包括：(ⅰ)将0.2mm厚的钛箔置于0.15mol/l的氢氟酸和1.0mol/l硫酸的混合溶液中，采用水浴锅控温，温度为25摄氏度；(ⅱ)利用直流电源进行加压，所述钛箔作为正极，同面积的铂片作为负极，正负极电压为15v，加压时间为2小时；(ⅲ)加压结束后，将所述钛箔用大量蒸馏水进行清洗，自然晾干，然后在马弗炉内进行烧结处理，以1.5℃/min的升温速率从室温升至550℃，然后保温2小时，随后以2.0℃/min的速率降至室温。由此，该方法所制备的二氧化钛纳米管隐身材料具有优异的宽频吸波性能，而且成本低廉、耐温等级较高，并且该方法操作工艺简单，所制备的隐身材料的吸波性能易于调控，适用范围广。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种由前面所述的方法制备的隐身材料，由此，该隐身材料具有前面所述的方法所制备的隐身材料所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种隐身材料。根据本发明的实施例，该隐身材料包括：二氧化钛纳米管，所述二氧化钛纳米管的管长不小于100nm。由此，入射波可在该二氧化钛纳米管内部经过多级反射和充分吸收，该二氧化钛纳米管隐身材料具有优异的宽频吸波性能，并且制备工艺简单、成本低廉、材料的耐温等级较高、且其隐身性能易于调控。
根据本发明的实施例，所述二氧化钛纳米管的晶体结构为金红石型。由此，具有该结晶相态的二氧化钛纳米管具有更加稳定和致密的结构，并且具有较佳的宽频隐身性能。
根据本发明的实施例，所述隐身材料能吸收的波长范围为0-2500nm。由此，该隐身材料的吸波频率范围较广，隐身性能优良，且适用范围广。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1显示了根据本发明一个实施例的制备隐身材料的方法流程图；
图2显示了根据本发明实施例的二氧化钛纳米管隐身材料的扫描电镜图；
图3显示了根据本发明实施例的二氧化钛纳米管隐身材料的吸波原理图；以及
图4显示了根据本发明实施例的二氧化钛纳米管隐身材料的吸波效果图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备隐身材料的方法。发明人通过深入研究以及大量实验发现，二氧化钛纳米管具有优异的吸波性能。二氧化钛纳米管的主要组成为二氧化钛，二氧化钛呈现n型半导体特性，参考图2，二氧化钛纳米管呈现中空结构，管径约在十几到几十纳米之间。发明人发现，中空结构、纳米尺度以及半导体特性决定了二氧化钛纳米管具有较佳的吸波能力。特别是与传统的二氧化钛吸波材料相比，呈纳米管状的二氧化钛在其管内可以对入射波进行多级反射和充分吸收，因此二氧化钛纳米管可以具有更宽的吸波范围，从而展现处更加优异的吸波性能。具体的，参考图3，当二氧化钛纳米管受到光照或者雷达波照射时，光线会在二氧化钛纳米管内部经过多级反射(如图3(a)所示出)，其价带上的电子会受到入射光线的激发而跃迁到导带上去(如图3(b)所示出)，从而可以吸收或减弱入射光或者雷达波的作用，实现隐身性能。根据本发明的实施例，参考图1，该方法包括以下步骤：
s100：将钛箔置于酸性溶液中，控温孵育
在该步骤中，将钛箔置于酸性溶液中，控温孵育。根据本发明的实施例，所使用的钛箔的大小和厚度不受特别限制，例如可以采用大小为100mm×100mm的钛箔，可以采用厚度为0.1mm-0.2mm的钛箔。根据本发明的实施例，孵育所采用的酸性溶液可以为氢氟酸和硫酸的混合溶液，也可以为氢氟酸和磷酸的混合溶液，钛箔在氟离子的作用下会形成钛离子，便于后续过程中电解组装成为二氧化钛纳米管。氢氟酸和硫酸的混合溶液的摩尔比不受特别限制，例如氢氟酸和硫酸的摩尔比可以为为1：(5-8)，具体的，可以为1:5，可以为1:6，可以为1:6.5，可以为1:7，具体的，氢氟酸的浓度可以为0.15mol/l，硫酸的浓度可以为1.0mol/l。具有该配比范围的氢氟酸和硫酸的电解溶液可以较好地促进钛箔形成钛离子，有利于后续钛离子组装形成长度较长并且形貌较佳的二氧化钛纳米管。根据本发明的实施例，控温孵育的温度可以为15-35摄氏度。具体的，可以为25摄氏度。由此，在该温度范围内对钛箔进行孵育，可以使形成的钛离子活性适中，有助于钛离子电解组装形成管长较长并且形貌较佳的二氧化钛纳米管，进而可以提高所制备的二氧化钛纳米管的隐身性能。当控温孵育的温度低于15摄氏度时，钛箔所形成的钛离子的活性不高，因此在后续钛离子电解组装形成二氧化钛纳米管的过程中，钛离子迁移的速度较慢，不利于二氧化钛纳米管的组装和生长；当控温孵育的温度大于35摄氏度时，钛离子的迁移速度过快，也不利于钛离子组装形成管长较长并且形貌较佳的二氧化钛纳米管。
s200：进行电解处理
在该步骤中，将钛箔以及铂片置于经过前面所述的控温孵育的氢氟酸和硫酸的混合溶液中，并采用钛箔作为正极，铂片作为负极，在直流电源加压的条件下进行电解反应，前面所述的步骤中产生的钛离子在电解过程中可以组装形成二氧化钛纳米管。根据本发明的实施例，直流电源加压的电压可以为12-20v，直流电源加压的加压时间可以为1.5-4小时。由此，在该电压范围以及该加压时间下，有助于钛离子组装形成长度较长以及形貌较佳的二氧化钛纳米管，进而可以提高所制备的二氧化钛纳米管的隐身性能。当加压电压小于12v时，钛离子较易形成粉末状，很难组装形成二氧化钛纳米管；当加压电压大于20v时，钛离子迁移过快，不利于钛离子的组装和生长，所形成的二氧化钛纳米管长度较小，形貌不佳，影响其隐身性能。
s300：进行烧结处理，以便获得二氧化钛纳米管，以便获得隐身材料
在该步骤中，对前面所述的步骤形成的二氧化钛纳米管进行烧结处理，可以通过程序升温将二氧化钛纳米管升温到550摄氏度，然后程序降温至室温。具体的，程序升温的升温速率可以为1-10℃/min，降温速率也可以为1-10℃/min。具体的，可以采用1.5℃/min的升温速率降前面步骤所制备的二氧化钛纳米管从室温升至550摄氏度，然后保温2小时，随后以2℃/min的降温速率降到室温。当升温速率和降温速率小于1℃/min时，升温和降温的耗时过长，当升温速率和降温速率大于10℃/min时，所形成的二氧化钛纳米管的形貌不佳。由此，该加热处理过程有利于前述步骤中组装形成的无定形态的二氧化钛纳米管转变为金红石相态的二氧化钛纳米管，使二氧化钛纳米管的结构更加稳定和致密，进一步提高了所制备的隐身材料的隐身性能。
根据本发明的具体实施例，上述隐身材料可以是通过以下步骤获得的：
(ⅰ)将0.2mm厚的钛箔置于0.15mol/l的氢氟酸和1.0mol/l硫酸的混合溶液中，采用水浴锅控温，温度为25摄氏度；
(ⅱ)利用直流电源进行加压，钛箔作为正极，同面积的铂片作为负极，正负极电压为15v，加压时间为2小时；
(ⅲ)加压结束后，将钛箔用大量蒸馏水进行清洗，自然晾干，然后在马弗炉内进行加热处理，以1.5℃/min的升温速率从室温升至550℃，然后保温2小时，随后以2.0℃/min的速率降至室温。
由此，该方法所制备的二氧化钛纳米管隐身材料具有优异的宽频吸波性能，而且成本低廉、耐温等级较高，并且该方法操作工艺简单，所制备的隐身材料的吸波性能易于调控，适用范围广。
综上可知，根据本发明实施例的方法所制备的二氧化钛纳米管隐身材料，通过结合二氧化钛自身的半导体吸波性能以及纳米管内部对入射波的多级反射特性，获得了良好的宽频隐身性能。一方面，二氧化钛自身是一种半导体材料，当入射波入射到其上后，价带上的电子会被激发到导带上去，进而可以吸收入射波能量；另一方面，入射波入射到纳米管内部会被漫反射掉，从而进一步提高了二氧化钛纳米管的吸波性能。发明人经过深入研究以及大量实验验证发现，二氧化钛纳米管的管长对其隐身性能具有重要影响。具体的，当入射波入射到二氧化钛纳米管的管内时，如果二氧化钛纳米管的管长较长，例如，管长不小于100nm，则入射波能在纳米管内部经过多级反射，可以在二氧化钛纳米管内部被充分反射和吸收，进而可以获得较佳的吸波性能。根据本发明实施例的方法，通过控制二氧化钛纳米管隐身材料制备过程中的加压大小、介质种类、氧化时间、烧结制度、以及基体组份和结构等因素，可以简便地控制二氧化钛纳米管的管径、长度和阻挡层厚度的大小，例如可以获得管长为100-300nm，管径为10-50nm，阻挡层厚度为50-150nm的二氧化钛纳米管。该二氧化钛纳米管具有优异的宽频隐身性能，且该制备过程非常简单，成本也很低，易于进行工业化生产。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种由前面所述的方法制备的隐身材料，由此，该隐身材料具有前面所述的方法所制备的隐身材料所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种隐身材料。根据本发明的实施例，该隐身材料包括：二氧化钛纳米管，该二氧化钛纳米管的管长可以不小于100nm。根据本发明的实施例，该二氧化钛纳米管的管长可以为100-300nm，管径可以为10-50nm，阻挡层厚度可以为50-150nm。根据本发明的实施例，当该二氧化钛纳米管受到光照或者雷达波照射时，光线会在二氧化钛纳米管内部经过多级反射，其价带上的电子会受到入射光线的激发而跃迁到导带上去，从而可以吸收或减弱入射光或者雷达波的作用，实现隐身性能。并且，根据本发明实施例的二氧化钛纳米管隐身材料的管长较长，入射波可以在二氧化钛纳米管内部进过多级的反射和充分的吸收，进而该二氧化钛纳米管隐身材料具有优异的宽频吸波性能，并且制备工艺简单、成本低廉、材料的耐温等级较高、且其隐身性能易于调控。
根据本发明的实施例，二氧化钛纳米管的晶体结构可以为金红石型。由此，具有该结晶相态的二氧化钛纳米管具有更加稳定和致密的结构，并且具有较佳的宽频隐身性能。
根据本发明的实施例，该二氧化钛纳米管隐身材料能吸收的波长范围为0-2500nm。由此，该隐身材料的吸波频率范围较广，隐身性能优良，且适用范围广。
下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市面购获得的常规产品。
实施例1
首先将尺寸为100×100×0.1mm的钛箔置于0.15mhf+1.0mh2so4溶液中，采用水浴锅控温，温度控制在25℃左右。利用直流电源进行加压，其中钛箔作为正极，同面积铂片作为负极，正负极电压控制在20v，加压时间为3小时。时间结束后，将钛箔用大量蒸馏水进行清洗，再自然晾干后在马弗炉内进行加热处理，加热制度如下：以1.5℃/min的升温速率从室温升至550℃，然后保温2小时，随后以2.0℃/min的速率降温到室温即可。
根据本实施例制得二氧化钛纳米管的管长在150nm左右，阻挡层厚度在50nm左右。该纳米管对0-2500nm波段内的波的反射率达到了60％以上，具有良好的宽频隐身性能。
实施例2：
首先将尺寸为100×100×0.1mm的钛箔置于0.2mhf+1.0mh2so4溶液中，采用水浴锅控温，温度控制在25℃左右。利用直流电源进行加压，其中钛箔作为正极，同面积铂片作为负极，正负极电压控制在18v，加压时间为2小时。时间结束后，将钛箔用大量蒸馏水进行清洗，再自然晾干后在马弗炉内进行加热处理，加热制度如下：以1.5℃/min的升温速率从室温升至550℃，然后保温2小时，随后以2.0℃/min的速率降温到室温即可。
根据本实施例制得二氧化钛纳米管的管长在100nm左右，管内径约50nm，阻挡层厚度在60nm左右。该纳米管对0-2500nm波段内的波的反射率达到了70％以上，具有良好的宽频隐身性能。
实施例3：
首先将尺寸为100×100×0.1mm的钛箔置于0.2mhf+1.0mh3po4溶液中，采用水浴锅控温，温度控制在25℃左右。利用直流电源进行加压，其中钛箔作为正极，同面积铂片作为负极，正负极电压控制在15v，加压时间为2小时。时间结束后，将钛箔用大量蒸馏水进行清洗，再自然晾干后在马弗炉内进行加热处理，加热制度如下：以1.5℃/min的升温速率从室温升至550℃，然后保温2小时，随后以2.0℃/min的速率降温到室温即可。
根据本实施例制得二氧化钛纳米管的管长在300nm左右，管内径约40nm，阻挡层厚度在150nm左右。该纳米管对0-2500nm波段内的波的反射率达到了80％以上，具有良好的宽频隐身性能。
现有的隐身材料，其对0-2500nm波段内的波的反射率低于30％，因此其隐身性能较差，并且吸波频率范围较窄。参考图4，根据本发明的实施例的二氧化钛纳米管隐身材料，对0-2500nm波段内的波的反射率在70％以上。因此，根据本发明实施例的二氧化钛纳米管隐身材料，从紫外到远红外波段内比现有隐身涂料的隐身性能提升了至少65％以上，特别在240～329nm的紫外波段，隐身性能提升了90％以上。也即是说，根据本发明实施例的二氧化钛纳米管隐身材料，在紫外到远红外波段内(即波长为0-2500nm波段)均具有优异的吸波能力。并且，根据本发明实施例的二氧化钛纳米管隐身材料，其制备方法简单，成本低廉、材料的耐温等级较高、且其隐身性能易于调控，适用性广。
在本发明的描述中，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。