一种三层吸波复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及电磁波吸波材料技术领域，尤其涉及一种三层吸波复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

过去几十年来，微波吸收材料的需求急剧增加，这归因于商业、科学和军事电子设备使用的增加。某些频段的电磁辐射会损害人体健康，干扰设备的正常工作。因此，开发具有高效电磁波吸收性能的材料是很有必要的。性能优异的电磁波吸收材料应有效吸收尽可能宽范围频带下的电磁波。反射损耗(RL)和有效带宽(EB)是测量材料电磁波吸收能力的两个关键参数。RL一般为负值，较低的RL意味着入射的电磁波被吸收了更多，更宽的EB意味着在更多频率下材料能够有效吸收电磁波。一般认为RL<-10dB，也就是材料能吸收90％以上电磁波时属于电磁波的有效吸收。

材料吸收电磁波主要通过介电损耗或磁损耗，并且磁损耗和介电损耗叠加具有1+1＞2的效果，因此经常使用既具有磁损耗也具有介电损耗的材料来吸收电磁波，碳基材料，如石墨烯、还原氧化石墨烯(rGO)、碳纳米管(CNTs)，由于低密度、适合的导电性、优异的化学稳定性和热稳定性，经常被用于介电损耗材料。其中，rGO由于本身带有少量的官能团，这部分官能团所带来的缺陷能够增加材料对电磁波的吸收，并且由于rGO具有一定的导电性，因此它的吸波性能在碳材料中属于比较优异的。现有技术中，由rGO/NiO、rGO/ZnO、rGO/Co

但是现有技术中的二元填料组成的吸波材料存在电磁波吸波强度低，有效吸波频带窄的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三层吸波复合材料及其制备方法和应用。本发明制得的三层吸波复合材料对电磁波的吸波强度高，有效吸波频带宽。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种三层吸波复合材料，由顶层、中间层和底层组成，所述顶层由还原氧化石墨烯和热塑性聚烯烃组成，所述中间层由Fe

优选地，所述Fe

优选地，所述顶层的厚度为1.60～2.00mm，所述中间层的厚度为1.10～2.00mm，所述底层的厚度为0.10～1.50mm。

优选地，所述顶层的厚度为1.90～1.95mm，所述中间层的厚度为1.30～1.85mm，所述底层的厚度为0.15～1.20mm。

优选地，所述顶层中还原氧化石墨烯的质量含量为1～5％。

优选地，所述中间层中Fe

优选地，所述底层中Fe

优选地，所述顶层中还原氧化石墨烯的质量含量为3％，所述中间层中Fe

本发明还提供了上述技术方案所述的三层吸波复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将还原氧化石墨烯和热塑性聚烯烃混合后依次进行造粒、热压成型，得到预制顶层板；

将Fe

将所述Fe

将Fe

将所述预制底层板、预制中间层板和预制顶层板顺次叠放后热压成型，得到所述三层吸波复合材料。

本发明还提供了上述技术方案所述的三层吸波复合材料在电磁波吸收中的应用。

本发明提供了一种三层吸波复合材料，由顶层、中间层和底层组成，所述顶层由还原氧化石墨烯和热塑性聚烯烃组成，所述中间层由Fe

本发明的三层吸波复合材料相对于同条件下的单层材料具有更好的吸波性能，原因在于：(1)三层吸波复合材料通过顶层、中间层和底层具体组成的相互作用，阻抗匹配更佳(与自由空间阻抗1越接近则代表阻抗匹配越好)，使得更多的电磁波能够进入材料内部；(2)本发明中的三层吸波复合材料跟单层材料相比，由于每层材料性质不同，存在更多的界面，当电磁波到达各层材料界面处时，由于每层材料阻抗不同，电磁波在界面处会发生反射损耗，这也是三层吸波复合材料电磁波的主要位置，三层吸波复合材料除了依靠材料本身的损耗，还具有更多的界面损耗。

进一步的，本发明通过各层材料的厚度的优化，使得制备的三层吸波复合材料吸波性能大大优于常规混合材料。

本发明还提供了上述技术方案所述三层吸波复合材料的制备方法，本发明的制备方法操作简便，易于工业化生产。

附图说明

图1为相同条件下单层材料和多层材料的阻抗值；

图2为本发明制备三层吸波复合材料的流程图，其中(a)为Fe

图3为Fe

图4为Fe

图5为rGO的质量分数分别为1％，2％，3％，4％，5％的rGO/TPO的反射损耗值曲线；

图6为各层厚度不同的三层吸波复合材料的吸波性能曲线；

图7为表1中三层吸波复合材料以及Fe

图8为三层吸波复合材料、顶层、底层和中间层的表征图谱，其中(a)为吸波复合材料收到光镜图，(b)为rGO/TPO层电镜图；(c)为Fe

具体实施方式

本发明提供了一种三层吸波复合材料，由顶层、中间层和底层组成，所述顶层由还原氧化石墨烯和热塑性聚烯烃组成，所述中间层由Fe

在本发明中，所述顶层的厚度优选为1.60～2.00mm，更优选为1.90～1.95mm；所述中间层的厚度优选为1.10～2.00mm，更优选为1.30～1.85mm，最优选为1.65～1.75mm；所述底层的厚度优选为0.10～1.50mm，更优选为0.15～1.20mm，最优选为0.20mm。

在本发明的具体实施中，所述顶层的厚度为1.60mm，所述中间层的厚度为1.30mm，所述底层的厚度为0.10mm或

所述顶层的厚度为2.00mm，所述中间层的厚度为1.85mm，所述底层的厚度为0.20mm或

所述顶层的厚度为2.00mm，所述中间层的厚度为1.75mm，所述底层的厚度为0.20mm或

所述顶层的厚度为2.00mm，所述中间层的厚度为2.00mm，所述底层的厚度为0.20mm或

所述顶层的厚度为1.90mm，所述中间层的厚度为1.10mm，所述底层的厚度为1.50mm或

所述顶层的厚度为1.95mm，所述中间层的厚度为1.65mm，所述底层的厚度为0.15mm或

所述顶层的厚度为1.95mm，所述中间层的厚度为1.75mm，所述底层的厚度为0.15mm。

在本发明中，所述顶层中还原氧化石墨烯的质量含量优选为1～5％，更优选为2～4％，最优选为3％。

在本发明中，所述Fe

在本发明中，所述中间层中Fe

在本发明中，所述Fe

在本发明中，所述底层中Fe

在本发明的具体实施例中，所述顶层中还原氧化石墨烯的质量含量为3％，所述中间层中Fe

本发明提供的三层吸波复合材料能够提高吸波性能的原理如下：

根据传输线理论，单层吸波材料的反射损耗值(RL)可以根据测得的电磁参数ε’,ε”,μ’和μ”，由以下公式计算得出：

Z

ε

μ

Z

对于具有i层材料的多层材料来说：

其中，d

想要获得性能优异的吸波材料，首先需要使材料的阻抗与自由空间的阻抗尽量匹配。二者的阻抗匹配越好，入射的电磁波才能更多的进入到材料内部进行吸收。测得材料的电磁参数后，可以由公式(1)计算得出单层材料的阻抗值，由公式(5)计算得出多层材料的阻抗值。

图1为相同条件下单层材料和多层材料的阻抗值，由图1可知，对于相同条件下的单层材料和多层材料来说，多层材料的阻抗值0.79和自由空间阻抗值1更接近，说明多层材料和自由空间的阻抗匹配更好。在相同的环境下，多层材料能够使得更多的电磁波进入材料内部，而进入单层材料的电磁波相对而言更少。

另外，跟单层材料相比，多层材料中由于每层材料性质不同，存在更多的界面。当电磁波到达各层材料界面处时，由于每层材料阻抗不同，电磁波在界面处会发生反射损耗，这也是多层材料损耗电磁波的主要位置。因此，对于单层材料来说，损耗电磁波主要依靠材料本身的性质，如介电损耗和磁损耗。多层材料除了依靠材料本身的损耗，还具有更多的界面损耗。

本发明还提供了上述技术方案所述的三层吸波复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将还原氧化石墨烯和热塑性聚烯烃混合后依次进行造粒、热压成型，得到预制顶层板；

将Fe

将所述Fe

将Fe

将所述预制底层板、预制中间层板和预制顶层板顺次叠放后热压成型，得到所述三层吸波复合材料。

在本发明中，若无特殊说明，使用的原料均为本领域市售商品。在本发明中的具体实施例在，所述Fe

本发明将还原氧化石墨烯和热塑性聚烯烃混合后依次进行造粒、热压成型，得到预制顶层板。

本发明对所述还原氧化石墨烯和热塑性聚烯烃的用量没有特殊的限定，能够保证还原氧化石墨烯和热塑性聚烯烃的用量满足上述要求即可。

在本发明中，所述混合和造粒优选通过双螺杆挤出机进行。在本发明中，所述双螺杆挤出机的挤出温度优选为200～210℃。

在本发明中，所述热压成型的压力优选为1～2MPa，温度优选为200～210℃。

本发明将Fe

在本发明中，所述Fe

本发明优选将所述Fe

在本发明中，所述乙醇优选为无水乙醇。

本发明对所述乙醇的量没有特殊的限定，能够使所述Fe

在本发明中，所述固液分离优选为过滤。

在本发明中，所述干燥优选为冷冻干燥，本发明对所述冷冻干燥的具体参数没有特殊的限定，能够完全除去乙醇即可。

得到Fe

在本发明中，所述混合、造粒和热压成型的具体参数优选与上述方案一致，在此不再赘述。

本发明对所述混合悬浮液和热塑性聚烯烃的质量比没有特殊的限定，能够满足上述方案即可。

本发明将Fe

本发明对所述Fe

在本发明中，所述混合、造粒和热压成型的具体参数优选与上述方案一致，在此不再赘述。

得到预制底层板、预制中间层板和预制顶层板后，本发明将所述预制底层板、预制中间层板和预制顶层板顺次叠放后热压成型，得到所述三层吸波复合材料。

在本发明中，所述热压成型的具体参数优选与上述方案一致，在此不再赘述。

本发明还提供了上述技术方案所述的三层吸波复合材料在电磁波吸收领域中的应用。

为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的三层吸波复合材料及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

原料种类及来源：Fe

实施例1

Fe

单层预制板的制备：

通过双螺杆挤出将Fe

通过双螺杆挤出将Fe

通过双螺杆挤出将rGO和热塑性聚烯烃混合均匀，挤出温度200℃，然后挤出造粒，通过热压成型制备板，压力1MPa，温度200℃，制得rGO质量分数分别为1％，2％，3％，4％，5％的rGO/TPO。

三层吸波复合材料的制备：

将上述制备的单层材料按Fe

图2中(b)为单层预制板和三层吸波复合材料的制备流程。

图3为Fe

选取Fe

表1三层吸波复合材料各层不同厚度的数据

图6为各层厚度不同的三层吸波复合材料的吸波性能曲线，表2为各层厚度不同的三层吸波复合材料的吸波性能数据，

表2各层厚度不同的三层吸波复合材料的吸波性能数据

图7为表1中三层吸波复合材料以及Fe

图8为三层吸波复合材料、顶层、底层和中间层的表征图谱，其中(a)为吸波复合材料收到光镜图，(b)为rGO/TPO层电镜图；(c)为Fe

对比例1

参照文献Zhang,H.,et al.,Room temperature fabrication of an RGO-Fe

对比例2

参照文献Zong,M.,et al.,Facile preparation,high microwave absorptionand microwave absorbing mechanism of RGO-Fe

对比例3

参照文献Cui,G.,et al.,Excellent Microwave Absorption PropertiesDerived from the Synthesis of Hollow Fe

对比例4

参照文献Liu,Z.,et al.,Rational design of hierarchical porous Fe

对比例5

参照文献Jiao,S.,et al.,Enhanced Microwave Absorption:The Composite ofFe

对比例6

参照文献Wu,J.,et al.,The effect of GO loading on electromagnetic waveabsorption properties of Fe

对比例7

参照文献Yin,Y.,et al.,Enhanced high-frequency absorption ofanisotropic Fe

对比例8

参照文献Zeng,X.,et al.,Template-Free Formation of Uniform Fe

表3为实施例1中制得的总厚度为4.50和5.20mm的三层吸波复合材料以及对比例1～8制得的复合材料的吸波性能数据。可知，本发明所制备的三层吸波复合材料与已报道的以rGO,Fe

表3实施例1中制得的总厚度为4.50和5.20mm的三层吸波复合材料以及对比例1～8制得的复合材料的吸波性能数据

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。