一种三明治结构磁性碳纤维海绵材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于电磁隐身技术领域，尤其涉及一种三明治结构磁性碳纤维海绵材料及其制备方法与应用。

背景技术

电磁隐身材料在民用电子和军事国防领域有重要应用，发展具有优良性能的微波吸收剂是关键。材料的吸波性能取决于阻抗匹配、固有磁/介质损耗和多重内部反射的协同效应，碳材料具有来源广、质量轻、耐腐蚀等优点，受到广泛关注，但单一碳材料微波吸收性能有限，而在碳基体中引入磁性金属能够在一定程度上改善阻抗匹配，增强极化损耗，从而提升材料微波吸收能力。但是，磁性金属的引入会增加材料密度，不利于小型电子设备及飞行器应用。

因此，如何进一步减小磁性碳纤维密度，降低材料负载量，实现超轻电磁隐身应用是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种三明治结构磁性碳纤维海绵及其制备方法与在电磁隐身中的应用。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种三明治结构磁性碳纤维海绵材料，包括两层海绵及贴合于两层海绵之间的电磁吸收层；

所述海绵及电磁吸收层均包括Fe@C纳米纤维。

所述Fe@C碳纤维的骨架是中空多孔的，表面及其内部均负载有磁性金属铁纳米颗粒。优选的，所述Fe@C纳米纤维的直径为400-800nm；其中，所述Fe@C纳米纤维包括磁性金属铁颗粒，所述磁性金属铁颗粒的直径范围为20-150nm。

所述Fe@C纳米纤维在所述海绵中的质量分数为5％-20％；

所述Fe@C纳米纤维在所述电磁吸收层中的质量分数为10％-30％；

所述海绵的密度0.3-0.6g/cm

优选的，所述三明治结构磁性碳纤维海绵材料厚度为2.5mm；

其中，所述海绵的厚度为1mm；

所述电磁吸收层的厚度为0.5mm。

有益效果：在实际应用过程中，两层海绵分为阻抗匹配层和反向干扰层，其中，反向干扰层阻止电磁波透射，电磁吸收层对电磁波进行损耗，阻抗匹配层诱导电磁波进入海绵。相比于单纯磁性碳纤维，本发明中的三明治结构海绵材料展现出了更好的微波吸收性能和轻质特性，且制备工序简单，有利于商业化推广实用。

优选的，所述Fe@C纳米纤维利用静电纺丝制备得到，具体包括以下步骤：

将聚丙烯腈、N,N-二甲基甲酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯和乙酰丙酮铁混合均匀，再利用静电纺丝得到纺丝样品，将所述纺丝样品蒸发溶剂后碳化，即得到所述Fe@C纳米纤维。

优选的，所述聚丙烯腈、N,N-二甲基甲酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯和乙酰丙酮铁的添加量之比为

优选的，所述静电纺丝的电压为17.0kV，进料流速为0.6mL·h

优选的，所述碳化为在氮气气氛下以9℃/min的升温速率升温至800℃退火处理60-80min。

有益效果：本发明所得Fe@C纳米纤维具有中空多孔骨架的碳纳米纤维以及附着在碳纳米纤维上的Fe纳米颗粒。制备过程简单，易于控制，产量高，且制备的纤维样品均匀性好，纤维相貌明显，多孔骨架明显。

优选的，所述海绵利用糖模板法制备得到，具体包括以下步骤：

将糖模板剂、聚二甲基硅氧烷和Fe@C纳米纤维混合后在真空条件下静置进行毛细管吸附，干燥后去除糖模板剂，最后经烘干，即得所述海绵。

优选的，所述糖模板剂、聚二甲基硅氧烷和Fe@C纳米纤维的添加量之比为227:(50-200):(800-950)。

更为优选的，所述糖模板剂为太古方糖；

所述去除模板剂为在80℃下利用水溶解所述模板剂。

有益效果：本发明利用糖模板法制备海绵结构，方法简便，材料易得。所得海绵具有明显多孔结构，孔隙率高，具有良好的可扩展性和可大规模生产性。且Fe@C纳米纤维均匀附着在海绵结构上。制备过程简单，方便。

优选的，所述电磁吸收层为经涂布后干燥固化得到，具体包括以下步骤：

将Fe@C纳米纤维和聚二甲基硅氧烷的混合溶液均匀涂布在平板玻璃片上，固化后即得所述电磁吸收层。

优选的，所述固化的温度为80℃，时间为5h。

优选的，所述混合溶液中Fe@C纳米纤维与聚二甲基硅氧烷的质量比为(1-3):(7-9)。

所述混合溶液的溶剂为聚二甲基硅氧烷。

有益效果：本发明所得层状结构均匀性好，结构明显。制备过程简便，实验条件宽松，具有良好的可控性和可重复性。

一种三明治结构磁性碳纤维海绵材料的制备方法，包括以下步骤：

利用氧等离子处理所述海绵和电磁吸收层后进行贴合，即得到所述三明治结构磁性碳纤维海绵材料。

优选的，所述氧等离子处理的功率为90％，压强为0.6torr。

有益效果：本发明所得三明治结构各层粘合度好，多层结构明显。在保持各层完整性的同时，制备过程方便易用，易于操纵。

一种三明治结构磁性碳纤维海绵材料在电磁隐身中的应用。

本发明提供了一种三明治结构磁性碳纤维海绵材料及其制备方法与应用，相比于单层碳纤维海绵，三明治结构的海绵材料具有非常良好的吸波性能，在材料厚度仅为2.5mm时，最佳反射损耗值为-49.83dB，吸收带宽为4.44GHz，且海绵材料密度仅为0.45g/cm

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1所得三明治结构的海绵材料结构图；

图2为本发明实施例1所得Fe@C纳米纤维扫描电镜图；

图3为本发明实施例1所得Fe@C纳米纤维电子显微镜图；

图4为本发明实施例1所得三明治结构海绵材料的剖面电镜图；

图5为本发明实施例1所得三明治结构海绵材料三维电磁损耗图和二维吸收带宽图；

其中，(a)为三维电磁损耗图，(b)为二维吸收带宽图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例提供了一种三明治结构磁性碳纤维海绵材料，包括两层海绵及贴合于两层海绵之间的电磁吸收层；

所述海绵及电磁吸收层均包括Fe@C纳米纤维。

在优选的实施例中，所述Fe@C纳米纤维的直径为400-800nm；

其中，所述Fe@C纳米纤维包括磁性金属铁颗粒，所述磁性金属铁颗粒的直径范围为20-150nm；磁性金属铁颗粒负载在碳纳米纤维上，而碳纳米纤维以不同的添加比添加在三明治结构各层之中。主要起到改善阻抗匹配，增强极化损耗，进而提升材料微波吸收能力的作用。

所述Fe@C纳米纤维在所述海绵中的质量分数为5％-20％；

所述Fe@C纳米纤维在所述电磁吸收层中的质量分数为10％-30％；

所述海绵的密度0.3-0.6g/cm

在优选的实施例中，所述三明治结构磁性碳纤维海绵材料厚度为2.5mm；

其中，所述海绵的厚度为1mm；

所述电磁吸收层的厚度为0.5mm。

在实际应用过程中，两层海绵分为阻抗匹配层和反向干扰层，其中，反向干扰层阻止电磁波透射，电磁吸收层对电磁波进行损耗，阻抗匹配层诱导电磁波进入海绵。

在优选的实施例中，所述Fe@C纳米纤维利用静电纺丝制备得到，具体包括以下步骤：

将聚丙烯腈、N,N-二甲基甲酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯和乙酰丙酮铁混合均匀，再利用静电纺丝得到纺丝样品，将所述纺丝样品蒸发溶剂后碳化，即得到所述Fe@C纳米纤维。

在优选的实施例中，所述聚丙烯腈、N,N-二甲基甲酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯和乙酰丙酮铁的添加量之比为3:35:3:(1-9)。

在优选的实施例中，所述静电纺丝的电压为17.0kV，进料流速为0.6mL·h

在优选的实施例中，所述碳化为在氮气气氛下以9℃/min的升温速率升温至800℃退火处理60-80min。

在优选的实施例中，所述海绵利用糖模板法制备得到，具体包括以下步骤：

将糖模板剂、聚二甲基硅氧烷和Fe@C纳米纤维混合后在真空条件下静置进行毛细管吸附，干燥后去除糖模板剂，最后经烘干，即得所述海绵。

在优选的实施例中，所述糖模板剂、聚二甲基硅氧烷和Fe@C纳米纤维的质量比为227:(50-200):(800-950)。

在优选的实施例中，所述糖模板剂为太古方糖，其规格为4.54g/块；

所述去除模板剂为在80℃下利用水溶解所述模板剂。

在优选的实施例中，所述电磁吸收层为经涂布后干燥固化得到，具体包括以下步骤：

将Fe@C纳米纤维和聚二甲基硅氧烷的混合溶液均匀涂布在平板玻璃片上，固化后即得所述电磁吸收层。

在优选的实施例中，所述固化的温度为80℃，时间为5h。

在优选的实施例中，所述混合溶液中Fe@C纳米纤维与聚二甲基硅氧烷的质量比为(1-3):(7-9)。

所述混合溶液的溶剂为聚二甲基硅氧烷。

本发明实施例还提供了一种三明治结构磁性碳纤维海绵材料的制备方法，包括以下步骤：

利用氧等离子处理所述海绵和电磁吸收层后进行贴合，即得到所述三明治结构磁性碳纤维海绵材料。

在优选的实施例中，所述氧等离子处理的功率为90％，压强为0.6torr。

本发明实施例还提供了一种三明治结构磁性碳纤维海绵材料在电磁隐身中的应用。

本发明实施例中的原料均通过市售途径购买获得。

其中，聚丙烯腈(PAN)，Mw＝150000；

N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，F.M.＝73.09，纯度≥99.5％；

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，Mw＝15000；

乙酰丙酮铁(Fe(acac)

聚二甲基硅氧烷(PDMS)购买于道康宁公司(美国密歇根州米德兰市)。

如无特殊说明，本发明实施例中的室温均指25±3℃。

实施例1

一种三明治结构磁性碳纤维海绵材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用静电纺丝方法制备中空多孔骨架的Fe@C纳米纤维

将聚丙烯腈、N,N-二甲基甲酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯和乙酰丙酮铁以质量比为3:35:3:9-3:35:3:1混合并搅拌均匀，得到纺丝前驱体溶液，随后使用16号单针头和10ml注射器，收集器距离针头25cm，在17.0kV左右的高压下，以0.6mL·h

(2)制备多层泡沫材料的海绵层

利用太古方糖为模板剂，并将其加入至PDMS(聚二甲基硅氧烷)和步骤(1)所得Fe@C纳米纤维混合溶液中，并在真空环境下静置2h进行毛细管吸附，其中，所述太古方糖规格为：4.54g/块，所述糖模板剂、聚二甲基硅氧烷和Fe@C纳米纤维的添加质量之比范围为227:50:950-227:200:800。其中混合溶液中聚二甲基硅氧烷充当溶剂。随后在80℃烘箱中干燥5h，再使用80℃去离子水溶解方糖，最后放置在烘箱中干燥5h，即得阻抗匹配层和反向干扰层的海绵。

(3)制备多层泡沫材料的薄膜层结构

将步骤(1)所得Fe@C纳米纤维和PDMS的混合溶液均匀涂在平板玻璃片上，随后放入80℃的烘箱中固化5h即得薄膜结构。其中，混合溶液中Fe@C纳米纤维与聚二甲基硅氧烷的混合质量比为1:9-3:7。混合溶液中聚二甲基硅氧烷充当溶剂。

(4)组装海绵材料

采用阳等离子处理法组装三明治结构磁性碳纤维海绵材料，在纯氧气氛围下，以90％的功率，压强为0.6torr的条件下分别处理薄膜层和海绵层2min，然后以图1所示结构进行贴合，即得到三明治结构磁性碳纤维海绵材料。

该三明治结构磁性碳纤维海绵材料由上至下具体为依次贴合的阻抗匹配层、电磁吸收层和反向干扰层，阻抗匹配层和反向干扰层的厚度分别为1mm；电磁吸收层的厚度为0.5mm；三明治结构磁性碳纤维海绵材料的密度0.3-0.6g/cm

阻抗匹配层、电磁吸收层和反向干扰层中均含有Fe@C纳米纤维，Fe@C纳米纤维在阻抗匹配层和反向干扰层中的质量分数为5％-20％；Fe@C纳米纤维在电磁吸收层中的质量分数为10％-30％；

图4为本发明实施例1所得三明治结构海绵材料的剖面电镜图，可以看出，所得三明治结构磁性碳纤维海绵材料从上至下有三层结构，均负载有中空多孔骨架Fe@C纳米纤维。

利用矢量网络分析测试仪在2～18GHz频率范围内测试实施例1所得三明治结构磁性碳纤维海绵材料的电磁参数并计算其吸波性能。在测试过程中，用内径7.0mm的中空模具刀和外径3.0mm的打孔器把制备好的海绵材料制作成厚度为2.5mm、外径7.0mm、内径3.0mm的均匀同轴环形试样用于后续测试。结果如图5所示，显示的是多层泡沫结构的反射损耗值三维和二维图像，可以看到其在低负载下具有一个比较良好的微波吸收性能，最佳反射损耗值为-49.83dB，吸收带宽达4.44GHz。

对比例1

一种磁性碳纤维海绵材料，与实施例1不同之处仅在于，不包括贴合于两层海绵之间的电磁吸收层。即该海绵材料仅包括阻抗匹配层和反向干扰层，阻抗匹配层和反向干扰层的厚度分别为1.0mm。利用矢量网络分析测试仪在2～18GHz频率范围内测试对比例1所得三明治结构磁性碳纤维海绵材料的电磁参数并计算其吸波性能。结果显示，该海绵材料最佳反射损耗值为-15.08dB，吸收带宽达2.04GHz。

对比例2

一种三明治结构碳纤维海绵材料，与实施例1不同之处仅在于，海绵及电磁吸收层中均不包括Fe@C纳米纤维。同样利用矢量网络分析测试仪在2～18GHz频率范围内测试对比例2所得三明治结构海绵材料的电磁参数并计算其吸波性能。结果显示，该材料最佳反射损耗值为-7.35dB，吸收带宽达0GHz。

对比例3

一种三明治结构磁性碳纤维海绵材料，与实施例1不同之处仅在于，电磁吸收层中不包括Fe@C纳米纤维。同样利用矢量网络分析测试仪在2～18GHz频率范围内测试对比例3所得三明治结构磁性碳纤维海绵材料的电磁参数并计算其吸波性能。结果显示，该材料最佳反射损耗值为-19.36dB，吸收带宽达2.55GHz。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。