一种芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料及制备方法

技术领域

本申请涉及吸波材料领域，具体涉及一种芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料及制备方法。

背景技术

随着科技的发展，电磁辐射形势逐渐复杂化，吸波材料已经成为军事民用领域不可缺少的一部分。吸波蜂窝材料作为兼具良好机械性能与吸收性能的多功能吸波材料，是结构型吸波材料研究的一个重要方向。传统的吸波蜂窝材料通常是在蜂窝表层涂覆一层吸波涂层，但吸波涂层由于含有有机树脂，因此具有增重大、与壳体粘结强度低、易剥落等缺点，因而在实际应用中尤其是在航空航天领域受到越来越多的限制。此外，传统蜂窝制备需要经过原材料准备、涂胶、热压、切边、拉伸、定型、浸胶、烘干、固化及片切等流程，工艺较为复杂。

申请号为202210881543.3的中国发明专利公开了一种吸波蜂窝材料及其制备方法，通过对吸波蜂窝进行预浸料、预固化、表面铺贴透波纤维层、RTM固化成型处理，获得了吸波蜂窝材料，解决了现有成型技术所成型的零件表面质量不合格的技术问题。但是，其工艺较为复杂，对设备要求较高，且表面铺贴的透波纤维层容易剥落。

对位芳纶纳米纤维(Aramid Nanofibers,ANFs)作为一种纳米尺度的纤维，不仅具有大的长径比和比表面积，同时又保留了宏观芳纶纤维高强度，高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，但是目前还未见有关对位芳纶纳米纤维制备吸波蜂窝材料的公开报道。

故，目前需要解决吸波蜂窝材料表面涂层易剥落的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决吸波蜂窝材料表面涂层易剥落的问题，提供了一种芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料及制备方法，通过对位芳纶纳米纤维制备的吸波蜂窝材料，具有良好的机械性能和化学稳定性，满足航空航天等领域的应用需求。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料，以重量份数计，所述芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料的制备原料包括40份～90份对位芳纶纳米纤维和60份～10份吸波剂。

进一步地，所述芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料的孔格边长为1.5～8mm,所述芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料的高度为0.5～3cm，所述芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料的密度为50～800kg/m

进一步地，所述吸波剂采用碳纳米管、MXene、石墨烯、金属及金属氧化物粉末和导电炭黑中的一种或多种混合。

一种芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料的制备方法，包括利用DMSO/KOH/H

进一步地，所述对位芳纶纳米纤维水分散液的浓度为1～5mg/mL；所述吸波剂水分散液的浓度为1～5mg/mL。

进一步地，所述ANFs@吸波剂水凝胶的固含量为1.5％～2％。

进一步地，所述均质按照对位芳纶纳米纤维水分散液与吸波剂水分散液的质量比为(40～90)：(60～10)进行；所述均质的压力为500～2000bar，所述均质的次数为15～30次。

进一步地，所述吸波剂与去离子水混合采用搅拌超声，所述搅拌的转速为900～1500rpm，所述超声的功率为600～1200W，所述超声的时间为10～30min。

进一步地，所述模具为正六边形，所述模具的边长为1.5～8mm，所述模具的高度为1.5～4cm，所述模具间隔插入的距离为0.5～3cm。

进一步地，所述干燥的温度为30～105℃，所述干燥的时间为12～48h。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明仅采用芳纶纳米纤维和吸波剂作为制备吸波蜂窝材料的原料，相比于传统方法中使用耐热性差的有机树脂粘合剂，既提高了吸波蜂窝材料的热稳定性，还避免了粘合剂结合不牢固、易剥落等问题。

本发明提供了一种芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料，利用具有纳米尺度结构、优异力学性能和电学性能的吸收剂和优异力学性能的对位芳纶纳米纤维通过一步成形制备得到的芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料，力学性能优异，吸波性能良好。

本发明利用对位芳纶纳米纤维作为蜂窝的“构筑单元”，可以大大增强蜂窝的机械性能。此外，ANFs表面具有丰富的活性基团，其可以与纳米级别的吸波剂通过氢键结合，既避免了传统吸波蜂窝材料表面涂层易剥落的问题，又具有良好的机械性能和化学稳定性，可以满足航空航天等领域的应用需求。

本发明提供了一种芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料的制备方法，传统的吸波蜂窝材料制备一般分为两个步骤，一是蜂窝的制备，其又包含原材料准备、涂胶、热压、切边、拉伸、定型、浸胶、烘干、固化及片切等流程，工艺复杂；二是在蜂窝表层涂覆一层吸波涂层，但吸波涂层由于含有有机树脂，因此具有增重大、与壳体粘结强度低、易剥落等缺点。而本发明不需要经过上述步骤，采用一种自上而下的策略，首先将芳纶纤维纳米化，然后与吸收剂进行共混，只需要一步即可制备得到吸波蜂窝材料，大大简化了制备工艺，同时皆具优异的力学性能与吸波性能。此外，本发明不需要经过额外的设备，随时随地皆可进行，方便快捷，省时省力，可以广泛应用于隐身飞机、隐身舰艇、通信基站、电器设备等领域。

本发明通过对吸波剂水分散液和对位芳纶纳米纤维水分散液进行高压均质处理，从而使吸波剂和对位芳纶纳米纤维实现良好的分散以及共混。和传统的机械搅拌相比，吸波剂和对位芳纶纳米纤维在高压下会受到强烈的剪切、撞击以及空穴作用，形成一个均匀混合的乳液体系，具有良好的稳定性，避免了传统搅拌过程中分散不均匀以及停止搅拌后物料易絮聚等问题，进一步提高了吸波蜂窝材料的力学和吸波性能。

本发明提供的可控真空辅助抽滤，通过控制ANFs@吸波剂水凝胶的固含量，从而制备得到具有不同密度的吸波蜂窝材料。当ANFs@吸波剂水凝胶固含量较低时，水分含量较多，在干燥过程中水分蒸发较快，水分损失较多，导致收缩率较大；相反，当ANFs@吸波剂水凝胶固含量较高时，水分含量较少，在干燥过程中水分蒸发较慢，水分损失较少，导致收缩率较小，从而实现不同密度的吸波蜂窝材料的制备。

本发明制备的吸波蜂窝材料可以根据需要自行调节，通过控制正六边形模具的插入距离以及选择不同边长的正六边形模具，可以制备得到不同密度以及孔格边长的吸波蜂窝材料，拓宽了应用领域，增强了实用性，从而满足其在航空航天等领域的应用需求。

附图说明

图1是本发明制备工艺流程图；

图2是本发明实施例1得到的芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料的实物图。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：

一种芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料，制备原料包括对位芳纶纳米纤维和吸波剂，对位芳纶纳米纤维与吸波剂的质量比为(40～90)：(60～10)；芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料的孔格边长为1.5～8mm,芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料的高度为0.5～3cm，芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料的密度为50～800kg/m

参见图1，芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料由以下方法制备：

步骤(1)：利用DMSO/KOH/H

步骤(2)：将吸波剂在去离子水中搅拌超声，搅拌转速为900～1500rpm，超声功率为600～1200W，超声时间为10～30min，得到吸波剂水分散液B，吸波剂水分散液B的浓度为1～5mg/mL；

步骤(3)：将步骤(1)得到的对位芳纶纳米纤维水分散液A和步骤(2)得到的吸波剂水分散液B按比例(对位芳纶纳米纤维水分散液A：吸波剂水分散液B质量比为(40～90)：(60～10))混合，经高压均质处理得到ANFs@吸波剂混合溶液C，均质压力为500～2000bar，均质次数为15～30次；

步骤(4)：将步骤(3)得到的混合溶液C通过可控真空辅助抽滤至固含量为1.5％～2％，得到ANFs@吸波剂水凝胶；

步骤(5)：将正六边形模具间隔一定距离插入步骤(4)得到的ANFs@吸波剂水凝胶中，干燥(干燥温度30～105℃，干燥时间12～48h)，取出模具即可得到芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料。正六边形模具的边长为1.5～8mm，正六边形模具的高度为1.5～4cm，模具间隔插入的距离为0.5～3cm。

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1

步骤(1)：利用DMSO/KOH/H

步骤(2)：将碳纳米管在去离子水中搅拌超声，搅拌转速为900rpm，超声功率为600W，超声时间为10min，得到碳纳米管水分散液B，碳纳米管水分散液B的浓度为1mg/mL；

步骤(3)：将(1)得到的对位芳纶纳米纤维水分散液A和(2)得到的碳纳米管水分散液B按比例(对位芳纶纳米纤维水分散液A：碳纳米管水分散液B质量比为40：60)混合，经均质处理得到ANFs@碳纳米管混合溶液C，均质压力为500bar，均质次数为15次；

步骤(4)：将(3)得到的混合溶液C通过可控真空辅助抽滤至固含量为1.5％，得到ANFs@碳纳米管水凝胶；

步骤(5)：将边长为1.5mm，高度为1.5cm的正六边形模具间隔0.5cm插入ANFs@碳纳米管水凝胶中，在30℃下干燥12h，取出模具即可得到芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料。根据实施例1制备得到芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料的孔格边长为1.5mm，高度为0.5cm，密度为50kg/m

实施例2

步骤(1)：利用DMSO/KOH/H

步骤(2)：将石墨烯在去离子水中搅拌超声，搅拌转速为1500rpm，超声功率为1200W，超声时间为30min，得到石墨烯水分散液B，石墨烯水分散液B的浓度为5mg/mL；

步骤(3)：将(1)得到的对位芳纶纳米纤维水分散液A和(2)得到的石墨烯水分散液B按比例(对位芳纶纳米纤维水分散液A：石墨烯水分散液B质量比为90：10)混合，经均质处理得到ANFs@石墨烯混合溶液C，均质压力为2000bar，均质次数为30次；

步骤(4)：将(3)得到的混合溶液C通过可控真空辅助抽滤至固含量为2％，得到ANFs@石墨烯水凝胶；

步骤(5)：将边长为8mm，高度为4cm的正六边形模具间隔3cm插入ANFs@石墨烯水凝胶中，在105℃下干燥48h，取出模具即可得到芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料。根据实施例2制备得到芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料的孔格边长为8mm，高度为3cm，密度为800kg/m

实施例3

步骤(1)：利用DMSO/KOH/H

步骤(2)：将MXene在去离子水中搅拌超声，搅拌转速为1200rpm，超声功率为900W，超声时间为20min，得到MXene水分散液B，MXene水分散液B的浓度为2.5mg/mL；

步骤(3)：将(1)得到的对位芳纶纳米纤维水分散液A和(2)得到的MXene水分散液B按比例(对位芳纶纳米纤维水分散液A：MXene水分散液B质量比为70：30)混合，经均质处理得到ANFs@MXene混合溶液C，均质压力为1200bar，均质次数为20次；

步骤(4)：将(3)得到的混合溶液C通过可控真空辅助抽滤至固含量为1.8％，得到ANFs@MXene水凝胶；

步骤(5)：将边长为4mm，高度为2.5cm的正六边形模具间隔1.5cm插入ANFs@MXene水凝胶中，在80℃下干燥24h，取出模具即可得到芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料。根据实施例2制备得到芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料的孔格边长为4mm，高度为2cm，密度为400kg/m

实施例4

步骤(1)：利用DMSO/KOH/H

步骤(2)：将导电炭黑在去离子水中搅拌超声，搅拌速率为900rpm，超声功率为600W，超声时间为30min，得到导电炭黑水分散液B，导电炭黑水分散液B的浓度为1mg/mL；

步骤(3)：将(1)得到的对位芳纶纳米纤维水分散液A和(2)得到的导电炭黑水分散液B按比例(对位芳纶纳米纤维水分散液A：导电炭黑水分散液B质量比为50：50)混合，经均质处理得到ANFs@导电炭黑混合溶液C，均质压力为1000bar，均质次数为20次；

步骤(4)：将(3)得到的混合溶液C通过可控真空辅助抽滤至固含量为1.5％，得到ANFs@导电炭黑水凝胶；

步骤(5)：将边长为4mm，高度为2.5cm的正六边形模具间隔1cm插入ANFs@导电炭黑水凝胶中，在80℃下干燥24h，取出模具即可得到芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料。

实施例5

步骤(1)：利用DMSO/KOH/H

步骤(2)：将四氧化三铁粉末在去离子水中搅拌超声，搅拌速率为900rpm，超声功率为600W，超声时间为10min，得到四氧化三铁水分散液B，四氧化三铁水分散液B的浓度为1mg/mL；

步骤(3)：将(1)得到的对位芳纶纳米纤维水分散液A和(2)得到的四氧化三铁水分散液B按比例(对位芳纶纳米纤维水分散液A：四氧化三铁水分散液B质量比为60：40)混合，经均质处理得到ANFs@四氧化三铁混合溶液C，均质压力为1000bar，均质次数为20次；

步骤(4)：将(3)得到的混合溶液C通过可控真空辅助抽滤至固含量为2％，得到ANFs@四氧化三铁水凝胶；

步骤(5)：将边长为4mm，高度为2.5cm的正六边形模具间隔1cm插入ANFs@四氧化三铁水凝胶中，在80℃下干燥24h，取出模具即可得到芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料。

实施例6

步骤(1)：利用DMSO/KOH/H

步骤(2)：将碳纳米管和MXene(碳纳米管：MXene质量比为50：50)在去离子水中搅拌超声，搅拌速率为900rpm，超声功率为600W，超声时间为10min，得到分散在去离子水中的碳纳米管/MXene混合溶液B，碳纳米管/MXene混合溶液B的浓度为1mg/mL；

步骤(3)：将(1)得到的对位芳纶纳米纤维水分散液A和(2)得到的碳纳米管/Mxene混合溶液B按比例(对位芳纶纳米纤维水分散液A：碳纳米管/MXene混合溶液B质量比为80：20)混合，经均质处理得到ANFs@碳纳米管/MXene混合溶液C，均质压力为1000bar，均质次数为20次；

步骤(4)：将(3)得到的混合溶液C通过可控真空辅助抽滤至固含量为2％，得到ANFs@碳纳米管/MXene水凝胶；

步骤(5)：将边长为4mm，高度为2.5cm的正六边形模具间隔1cm插入ANFs@碳纳米管/MXene水凝胶中，在80℃下干燥24h，取出模具即可得到芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料。

实施例7

步骤(1)：利用DMSO/KOH/H

步骤(2)：将碳纳米管和石墨烯(碳纳米管：石墨烯质量比为50：50)在去离子水中搅拌超声，搅拌速率为900rpm，超声功率为600W，超声时间为10min，得到分散在去离子水中的碳纳米管/石墨烯混合溶液B，碳纳米管/石墨烯混合溶液B的浓度为1mg/mL；

步骤(3)：将(1)得到的对位芳纶纳米纤维水分散液A和(2)得到的碳纳米管/石墨烯混合溶液B按比例(对位芳纶纳米纤维水分散液A：碳纳米管/石墨烯混合溶液B质量比为90：10)混合，经搅拌分散得到ANFs@碳纳米管/石墨烯混合溶液C，均质压力为1000bar，均质次数为20次；

步骤(4)：将(3)得到的混合溶液C通过可控真空辅助抽滤至固含量为2％，得到ANFs@碳纳米管/石墨烯水凝胶；

步骤(5)：将边长为4mm，高度为2.5cm的正六边形模具间隔1cm插入ANFs@碳纳米管/石墨烯水凝胶中，在80℃下干燥24h，取出模具即可得到芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料。

实施例8

步骤(1)：利用DMSO/KOH/H

步骤(2)：将MXene/石墨烯(MXene：石墨烯质量比为50：50)在去离子水中搅拌超声，搅拌速率为900rpm，超声功率为600W，超声时间为10min，得到分散在去离子水中的MXene/石墨烯混合溶液B，MXene/石墨烯混合溶液B的浓度为1mg/mL；

步骤(3)：将(1)得到的对位芳纶纳米纤维分散液A和(2)得到的MXene/石墨烯混合溶液B按比例(对位芳纶纳米纤维分散液A：MXene/石墨烯混合溶液B质量比为90：10)混合，经均质处理得到ANFs@MXene/石墨烯混合溶液C，均质压力为1000bar，均质次数为20次；

步骤(4)：将(3)得到的混合溶液C通过可控真空辅助抽滤至固含量为2％，得到ANFs@MXene/石墨烯水凝胶；

步骤(5)：将边长为4mm，高度为2.5cm的正六边形模具间隔1cm插入ANFs@MXene/石墨烯水凝胶中，在80℃下干燥24h，取出模具即可得到芳纶纳米纤维吸波蜂窝材料。