本發(fā)明屬于吸波材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，涉及一種寬頻鐵氧體基吸波材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著電磁波的發(fā)展越來越廣泛，雷達探測、衛(wèi)星通信、移動無線等都以電磁波為媒介進行信號和能量的傳輸。然而越來越多的電磁輻射會對通信質(zhì)量和儀器的工常工作造成影響，同時電磁輻射也會傷害人體的健康，影響環(huán)境等。另外在國防軍事領(lǐng)域，避免被敵方發(fā)現(xiàn)、識別和攻擊的雷達隱身技術(shù)，變得日益重要，受到各國的高度重視，不具備隱身能力的武器裝備和指揮系統(tǒng)將會慢慢失去戰(zhàn)斗能力，而實現(xiàn)雷達隱身的重要方式之一就是物體表面覆蓋吸波材料。

吸波材料的吸波原理是將入射的電磁波的能量轉(zhuǎn)化成熱能損耗掉，從而避免電磁波的反射。若要實現(xiàn)這種對電磁波的高效率吸收必須滿足兩個條件：首先電磁波能夠進入到吸波材料內(nèi)部而不會在入射表面發(fā)生強烈的反射；其次進入到材料內(nèi)部的電磁波被高效率地轉(zhuǎn)化成熱能。目前國內(nèi)外吸波材料的研究熱點主要集中在鐵氧體金屬、合金化合物、氧化物、陶瓷、碳材料、碳納米管、石墨烯及上述碳基復合物等方面。鐵氧體是是由鐵和其他一種或多種金屬組成的一種具有鐵磁性的金屬復合氧化物，它不僅具有優(yōu)異的力學、熱學和化學穩(wěn)定性等特點，還具有矯頑力大，價格便宜等特點，被廣泛的地用作吸波材料。它是一種雙復介質(zhì)材料，它的介電性是由于分子的自極化效應(yīng)引起的，而磁性則是材料的自然共振所致，其中自然共振是鐵氧體吸波的主要機制。研究發(fā)現(xiàn)鐵氧體的吸波性能與成分、工藝、形狀及所用的頻率密切相關(guān)。就電特性來說，鐵氧體的電阻率比金屬、合金磁性材料大得多，而且還有不錯的介電性能。鐵氧體的磁性能還表現(xiàn)在高頻時具有較高的磁導率。由上所述，鐵氧體即具介電損耗和磁損耗雙重損耗，又具有吸波性能好和頻帶寬等特點，是目前研究最成熟的吸波材料。

鐵氧體是常用的磁損耗型微波吸收劑，具有吸收強的優(yōu)點，但缺點是密度大，而吸波材料要求在滿足吸波性能的條件下材料的重量盡可能小，盡量向質(zhì)輕、帶寬、吸收強、穩(wěn)定性好等方向發(fā)展。在滿足材料(層)薄、(質(zhì))輕、(頻)寬、(吸波性能)強等方面，各種各樣的中空、介孔等結(jié)構(gòu)的鐵氧體由于具有較低的密度、大的比表面積和較好的吸波性能已經(jīng)成為研究熱點。

目前，已報道的制備中空鐵氧體的方法有化學氣相沉積法、溶膠-凝膠法、溶劑熱法、模板法、水熱合成法和火焰噴射法等。上述制備方法雖各有其特點，也已經(jīng)得到了應(yīng)用，但是都存在著各種不同的缺點。主要表現(xiàn)在上述實驗制備方法步驟復雜，制備程序繁瑣和耗時，大部分還需要后續(xù)處理工藝造成制備成本較高等，不利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。更重要的是上述方法制備出來的中空結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)寬頻帶吸收。據(jù)此，低成本，產(chǎn)量大和吸波性能好的基于中空磁性微米球的的研發(fā)，依然面臨挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的問題是克服背景技術(shù)的不足，提供一種基于鐵氧體中空微米球的寬頻帶吸波材料的制備方法，且能勝任滿足吸波材料層薄、質(zhì)輕、頻寬、吸波性能強等方面的要求。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于中空磁性微米球的寬頻帶吸波材料的制備方法，步驟有：

(1)鐵電極制備：將鋼片加工成同軸磁控等離子加速器系統(tǒng)裝置的電極片，再經(jīng)標準半導體硅片清洗工藝清洗后，將其組裝在同軸磁控等離子加速器系統(tǒng)裝置中充當反應(yīng)物的鐵源；

(2)充氣：將同軸磁控等離子加速器系統(tǒng)裝置中的反應(yīng)腔體抽真空后，充入純度為99.7％工業(yè)氧氣，待系統(tǒng)氣壓恢復到1個大氣壓后，停止充氣，腔體中的氧氣充當反應(yīng)物的氧源；

(3)開啟等離子體加熱反應(yīng)；使鐵電極表面進行氧化反應(yīng)；

(4)收集產(chǎn)物：待反應(yīng)結(jié)束系統(tǒng)溫度冷卻到室溫以后，打開閥門，從反應(yīng)腔體和電極片上收集反應(yīng)產(chǎn)物；

(5)樣品純化和篩選：將步驟(4)收集的產(chǎn)物超聲分散于丙醇溶液，超聲30分鐘形成穩(wěn)定的懸浮液，然后將此懸浮液通過一個玻璃容器進行分離，所述的玻璃容器放在一個環(huán)形的ndfeb永久磁鐵中，經(jīng)分離后，磁性最強的磁鐵礦的微米球沉淀在容器壁上，純相的磁鐵礦的四氧化三鐵中空微米球從混合相中得到分離；將得到的產(chǎn)物分別用<30μm、30μm～100μm、>100μm的網(wǎng)目篩進行篩選，得到不同尺寸的四氧化三鐵中空微米球；

(5)吸波材料的制備；將步驟(5)中得到的四氧化三鐵中空微米球和有機粘結(jié)劑混合，得到基于中空磁性微米球的寬頻帶吸波材料，其中四氧化三鐵中空微米球按質(zhì)量計為有機粘結(jié)劑的30～70％。

本發(fā)明的一種基于中空磁性微米球的寬頻帶吸波材料的制備方法，在步驟(3)的等離子體加熱反應(yīng)中，同軸磁控等離子加速器系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置優(yōu)選為：充電電容為14.4mf，充電電壓為2.5kv，一個反應(yīng)周期為0.5ms。

一種基于中空磁性微米球的寬頻帶吸波材料，其特征在于，所述的吸波材料是由四氧化三鐵中空微米球和有機粘結(jié)劑復合而成的膜狀材料，材料的厚度為2mm，所述的四氧化三鐵中空微米球的質(zhì)量為有機粘結(jié)劑的30～70％。

有益效果：

1、本發(fā)明實現(xiàn)了制備時間短(0.5ms)，產(chǎn)量大(一個周期0.5ms可產(chǎn)生8g)，制備成本低(反應(yīng)原材料僅用價格低廉的商業(yè)化碳素鋼和工業(yè)氧氣)。

2、本發(fā)明制備的微米球尺寸分布范圍寬且顆粒尺寸可控分離。

3、本發(fā)明制備的吸波材料具有卓越的吸波性能，吸收頻帶寬，且通過控制微米球顆粒尺寸分布，還可以實現(xiàn)其吸收峰在不同頻帶范圍內(nèi)調(diào)控。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明實施例1所用的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例1所制得的中空四氧化三鐵微米球的掃錨電鏡(sem)圖。

圖3是實施例2得到的直徑小于30微米的中空四氧化三鐵微米球(樣品1)的sem圖以及統(tǒng)計分布圖。

圖4是實施例2得到的直徑30-100微米的中空四氧化三鐵微米球(樣品2)的sem圖以及統(tǒng)計分布圖。

圖5是實施例2得到的直徑大于100微米的中空四氧化三鐵微米球(樣品3)的sem圖以及統(tǒng)計分布圖。

圖6為本發(fā)明實施例3所制備的吸波材料的電磁吸波性能測試曲線。

圖7為本發(fā)明實施例4分別使用三種不同尺寸的四氧化三鐵中空微米球所制備的吸波材料的電磁吸波性能測試曲線。

具體實施方式

以下實施例僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制。

實施例1四氧化三鐵中空微米球的制備

本發(fā)明所使用的制備系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其主要結(jié)構(gòu)有非磁性金屬內(nèi)罩1、等離子產(chǎn)生裝置2、非磁性金屬外罩3、加速器系統(tǒng)4、鐵電極片6構(gòu)成的同軸磁控等離子加速器系統(tǒng)，以及電感元件系統(tǒng)5、開關(guān)7、電容8、反應(yīng)腔體9。其中非磁性金屬內(nèi)罩1和非磁性金屬外罩3構(gòu)成石墨電極系統(tǒng)，主要起到散熱和保護作用。系統(tǒng)的最大充電電壓為5千伏，最大充電電容為28.8mf。在等離子產(chǎn)生裝置2的作用下，電容8放電產(chǎn)生的電流將氧氣轉(zhuǎn)換成等離子態(tài)，然后這些等離子態(tài)的氧經(jīng)加速器系統(tǒng)4加速和電感元件系統(tǒng)5調(diào)控出射速度與鐵電極片6反應(yīng)。本制備系統(tǒng)的反應(yīng)溫度可以超過10000k，冷卻速率可達10⁸k/s，等離子加速速率可達2.8km/s。

制備過程如下：

(1)鐵電極制備：將市售低碳素鋼片加工成磁控等離子加速器系統(tǒng)裝置的鐵電極片6，再經(jīng)標準半導體硅片清洗工藝清洗后，將其組裝在上述同軸磁控等離子加速器系統(tǒng)裝置中充當反應(yīng)物的鐵源。

(2)充氣：將上述設(shè)備系統(tǒng)中的反應(yīng)腔體9抽真空后，充入純度為99.7％工業(yè)氧氣，待系統(tǒng)氣壓恢復到1個大氣壓后，停止充氣。腔體中的氧氣充當反應(yīng)物的氧源。

(3)等離子體加熱反應(yīng)。設(shè)備反應(yīng)參數(shù)設(shè)置如下：充電電容為14.4mf，充電電壓為2.5kv，一個周期為0.5ms。

(4)收集產(chǎn)物：待系統(tǒng)溫度冷卻到室溫以后，打開閥門，從反應(yīng)腔體和低碳鋼電極片上收集反應(yīng)產(chǎn)物。一個脈沖反應(yīng)時間為0.5毫秒，所得產(chǎn)物產(chǎn)量為8g。

(5)樣品純化：將上述產(chǎn)物超聲分散于丙醇溶液，超聲30分鐘形成穩(wěn)定的懸浮液。然后將此懸浮液通過一個玻璃容器進行分離，這個玻璃容器放在一個環(huán)形的ndfeb永久磁鐵中。經(jīng)分離后，磁性較強的磁鐵礦的微米球沉淀在容器壁上。得到純相的四氧化三鐵中空微米球。樣品的掃描電鏡圖片見圖1。

實施例2不同尺寸四氧化三鐵中空微米球的篩選

將實施例1制備的純相磁鐵礦的四氧化三鐵中空微米球經(jīng)過不同網(wǎng)目的篩子進行篩選。用≤30μm的網(wǎng)目篩得到樣品1，其sem圖以及統(tǒng)計分布圖如圖2所示；用30μm<網(wǎng)目篩≤100μm的得到樣品2，其sem圖以及統(tǒng)計分布圖如圖3所示；用>100μm的網(wǎng)目篩得到樣品3，其sem圖以及統(tǒng)計分布圖如圖4所示。

實施例3吸波材料的制備

將實施例1制備的純相四氧化三鐵中空微米球均勻地分散在環(huán)氧樹脂中，室溫磁力攪拌3小時，得到吸波材料，其中中空微米球的質(zhì)量為環(huán)氧樹脂的30％～70％。將其涂布在180mm×180mm大小的3mm厚的鋁板上，涂布后于40℃下固化干燥，得到厚約2mm的吸波薄膜，其電磁吸波性能測試曲線如圖6所示，其中電磁波在最大吸收8.2ghz處，反射率可達-36db，在3.7ghz到15.6ghz的超寬頻率范圍內(nèi)反射率均小于-10db，表現(xiàn)出優(yōu)異的吸波性能。

實施例4不同尺寸的四氧化三鐵中空微米球吸波性能的測試

分別以實施例2中的3種不同尺寸的四氧化三鐵中空微米球為原料，按實施例3的方法制備吸波材料并測試電磁吸波性能，圖7為篩選的3種不同尺寸的四氧化三鐵中空微米球制備的不同吸波材料的電磁吸波性能測試曲線，由圖7可以看出，當中空微米球的直徑<30微米時(樣品1)，吸收頻帶在8.8ghz～16.2ghz，直徑在30微米～100微米時(樣品2)，吸收頻帶在7.4ghz～11.3ghz，直徑>100微米時(樣品3)，吸收頻帶在3.7ghz～5.0ghz。

由以上實施例可以看出，本發(fā)明制備的基于中空磁性微米球的寬頻帶吸波材料電磁吸波性能優(yōu)異，吸波頻帶寬，且吸收峰方便在不同頻帶調(diào)控，同時具有涂層較薄，重量較輕等優(yōu)點，而且其制備工藝簡單，制備時間短，產(chǎn)量大。該材料可用于達隱身、電磁兼容和電磁屏蔽軍用飛行器等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。