一种羰基铁粉吸波材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种羰基铁粉吸波材料及其制备方法 (Carbonyl iron powder wave-absorbing material and preparation method thereof ) 是由 董立超 兰天 赵慈 李南 张春波 于 2021-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明具体涉及一种羰基铁粉吸波材料及其制备方法。所述制备方法包括：将球形羰基铁粉和片状羰基铁粉混合,搅拌,得到混合羰基铁粉；其中,所述球形羰基铁粉和所述片状羰基铁粉的质量比为1:3-2:1；将所述混合羰基铁粉和树脂混合,搅拌,固化,得到羰基铁粉吸波材料。本发明制备的羰基铁粉吸波材料为兼具低密度和优异的电磁性能。(The invention relates to a carbonyl iron powder wave-absorbing material and a preparation method thereof. The preparation method comprises the following steps: mixing and stirring spherical carbonyl iron powder and flaky carbonyl iron powder to obtain mixed carbonyl iron powder; wherein the mass ratio of the spherical carbonyl iron powder to the flaky carbonyl iron powder is 1:3-2: 1; and mixing the mixed carbonyl iron powder and resin, stirring and curing to obtain the carbonyl iron powder wave-absorbing material. The carbonyl iron powder wave-absorbing material prepared by the invention has low density and excellent electromagnetic property.)
技术领域
本发明涉及电磁波吸收材料领域，特别涉及一种羰基铁粉吸波材料及其制备方法。
背景技术
吸波材料是一种能吸收、衰减入射的电磁波能量，并通过材料的介质损耗将电磁波能量转换成为其他形式的能量(如机械能、电能和热能等)而耗散掉，或使电磁波因干涉而消失，而反射、散射和投射都很小的功能材料，是各种型号航天器在天线、合成分路器、微波部组件等位置上广泛采用的材料。随着航空航天领域中电磁隐身技术的发展需要以及日常生活中电磁干扰、电磁污染问题的日趋严重，使得微波吸收材料逐渐成为功能材料领域的研究热点。
吸波材料主要靠吸收剂对电磁波进行衰减损耗，其中最常用的吸收剂为羰基铁粉。羰基铁粉依据其形貌可分为球形羰基铁粉和片状羰基铁粉，目前基于羰基铁粉制备的吸波材料大都采用单一球形羰基铁粉或单一片状羰基铁粉。然而，球形羰基铁粉通常需要较高的填充量才能实现较好的吸波性能，而高填充量则会导致所制备的吸波材料密度较大，且球状羰基铁粉的高频磁性受限于Snoek极限，难以满足“薄、轻、宽、强”的吸波性能要求；而片状羰基铁粉则可以突破Snoek极限，在较低的填充量下实现与球形羰基铁粉在高填充量下相当的电磁性能，但片状羰基铁粉受限复合成型工艺，无法实现高填充量，因而其电磁性能难以得到提升。
因此，针对以上不足，需要提供一种羰基铁粉吸波材料的制备方法。
发明内容
本发明提供了一种羰基铁粉吸波材料及其制备方法。所述羰基铁粉吸波材料兼具低密度和优异的电磁性能。
第一方面，本发明提供了一种羰基铁粉吸波材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将球形羰基铁粉和片状羰基铁粉混合，搅拌，得到混合羰基铁粉；其中，所述球形羰基铁粉和所述片状羰基铁粉的质量比为1:3-2:1；
(2)将所述混合羰基铁粉和树脂混合，搅拌，固化，得到羰基铁粉吸波材料。
优选地，在步骤(1)中，所述球形羰基铁粉的粒径为0.5-5μm。
更优选地，在步骤(1)中，所述球形羰基铁粉的粒径为1-4μm。
优选地，在步骤(1)中，所述片状羰基铁粉的粒径为1-10μm；所述片状羰基铁粉的厚度为0.5-3μm。
更优选地，在步骤(1)中，所述片状羰基铁粉的粒径为5-10μm；所述片状羰基铁粉的厚度为1-2μm。
优选地，在步骤(1)中，所述球形羰基铁粉和所述片状羰基铁粉的质量比为1:1。
优选地，在步骤(2)中，所述树脂为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂或氰酸酯树脂。
优选地，在步骤(2)中，所述混合羰基铁粉和所述树脂的质量比为(4-9):1；优选的，所述混合羰基铁粉和所述树脂的质量比为5.6:1。
优选地，在步骤(1)中，所述搅拌的转速为8-14Hz，搅拌时间为2-3h。
第二方面，本发明提供了一种羰基铁粉吸波材料，采用上述第一方面任一所述的制备方法制备得到。
本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
(1)本发明通过以混合的球形羰基铁粉和片状羰基铁粉作为吸收剂用于制备吸波材料，使该吸波材料具有优异的电磁性能，且明显优于采用单一球形羰基铁粉或单一片状羰基铁粉制备得到的吸波材料。通过这种复配的方式，既有效降低了单一球形羰基铁粉填充比例较高时导致的吸波材料的密度过大，又引入了片状羰基铁粉，借助其在低填充量高电磁性能的优势，进一步提高了该吸波材料的整体性能。
(2)本申请得到的羰基铁粉吸波材料兼具低密度和优异的电磁性能，且在低频下的电磁性能更加优异，能够满足航空航天等各领域对高性能电磁材料的需求。
附图说明
图1是本发明提供的一种羰基铁粉吸波材料的制备方法的流程图；
图2是本发明实施例1中选用的球形羰基铁粉的SEM图；
图3是本发明实施例1中选用的片状羰基铁粉的SEM图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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的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。
如图1所示，本发明提供了一种羰基铁粉吸波材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
(1)将球形羰基铁粉和片状羰基铁粉混合，搅拌，得到混合羰基铁粉；其中，所述球形羰基铁粉和所述片状羰基铁粉的质量比为1:3-2:1；
(2)将所述混合羰基铁粉和树脂混合，搅拌，固化，得到羰基铁粉吸波材料。
在一个优选的实施方式中，所述球形羰基铁粉和所述片状羰基铁粉的质量比为1:3-2:1(例如，可以为1:3、1:2.5、1:2.2、1:2、1:1.7、1:1.6、1:1.4、1:1.25、1:1.1、1:1、1.1:1、1.2:1、1.3:1、1.4:1、1.5:1、1.6:1、1.7:1、1.8:1、1.9:1或2:1)。
根据一些优选的实施方式，在步骤(1)中，所述球形羰基铁粉的粒径为0.5-5μm(例如，可以为0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm)。
根据一些更优选的实施方式，在步骤(1)中，所述球形羰基铁粉的粒径为1-4μm(例如，可以为1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm或4μm)。
根据一些优选的实施方式，在步骤(1)中，所述片状羰基铁粉的粒径为1-10μm(例如，可以为1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm、5.5μm、6μm、6.5μm、7μm、7.5μm、8μm、8.5μm、9μm、9.5μm或10μm)；所述片状羰基铁粉的厚度为0.5-3μm(例如，可以为0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm或3μm)。
根据一些更优选的实施方式，在步骤(1)中，所述片状羰基铁粉的粒径为5-10μm(例如，可以为5μm、5.5μm、6μm、6.5μm、7μm、7.5μm、8μm、8.5μm、9μm、9.5μm或10μm)；所述片状羰基铁粉的厚度为1-2μm(例如，可以为1μm、1.2μm、1.5μm或1.8μm、2μm)。
在本发明中，通过对球形羰基铁粉和片状羰基铁粉的粒径、厚度进行上述限定，能够保证两种形貌粉体具有较好的协同作用，同时制备的羰基铁粉吸波材料中的球形羰基铁粉和片状羰基铁粉更加均匀的分散在吸波材料中，有利于进一步提升羰基铁粉吸波材料的电磁性能。
根据一些更优选的实施方式，在步骤(1)中，所述球形羰基铁粉和所述片状羰基铁粉的质量比为1:1。
经过实验证实，在所制备的羰基铁粉吸波材料中的羰基铁粉的填充量一定的前提下(即混合羰基铁粉的填充量为固定值时)，若球形羰基铁粉和片状羰基铁粉的质量比小于1:3，由于片状羰基铁粉占比较多，其磁导率在提高的同时，介电常数也会出现大幅增加，导致阻抗失配，造成所制备的羰基铁粉吸波材料的吸波性能较差；若球形羰基铁粉和片状羰基铁粉的质量比大于2:1，由于球形羰基铁粉占比较多，则会导致所制备的羰基铁粉吸波材料的密度较大，甚至会受限于Snoek极限，导致该羰基铁粉吸波材料的吸波性能较差。在球形羰基铁粉和片状羰基铁粉的质量比为1:1时，所制备的羰基铁粉吸波材料能够兼具低密度和优异的吸波性能。
在本发明中，发明人发现，当球形羰基铁粉和片状羰基铁粉的质量比为1:3-2:1，球形羰基铁粉和片状羰基铁粉之间具有协同作用，如此通过调节二者比例范围可以改变二者在羰基铁粉吸波材料中的分散方式，从而减少片状羰基铁粉的堆积、聚集，增大片状羰基铁粉能够被有效利用的表面积，进而使得所制备的羰基铁粉吸波材料在低频段具有优异的吸波性能。
根据一些优选的实施方式，在步骤(2)中，所述树脂为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂或氰酸酯树脂。
根据一些优选的实施方式，在步骤(2)中，所述混合羰基铁粉和所述树脂的质量比为(4-9):1(例如，可以为4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、5.6:1、6:1、6.5:1、7:1、7.5:1、8:1、8.5:1或9:1)。
根据一些更优选的实施方式，在步骤(2)中，所述混合羰基铁粉和所述树脂的质量比为5.6:1。
经过实验证实，若混合羰基铁粉与树脂的质量比小于4:1，则会导致所制备的羰基铁粉吸波材料的吸波性能较差；若混合羰基铁粉与树脂的质量比大于9:1，则会导致所制备的羰基铁粉吸波材料的力学性能较差。因此，在保证羰基铁粉吸波材料的吸波性能和力学性能的前提下，确定混合羰基铁粉和树脂的质量比的范围为(4-9):1。
根据一些优选的实施方式，在步骤(1)中，所述搅拌的转速为8-14Hz(例如，可以为8Hz、9Hz、10Hz、11Hz、12Hz、13Hz或14Hz)，搅拌时间为2-3h(例如，可以为2h、2.2h、2.5h、2.8h或3h)。
本发明对步骤(2)中的搅拌、固化没有特别的限定，采用现有常规的搅拌以及现有常规的对应相应树脂的固化处理即可。
本发明还提供了一种羰基铁粉吸波材料，采用本发明所提供的制备方法制备得到的羰基铁粉吸波材料，其中，所述羰基铁粉吸波材料为带有树枝状支链的星型聚合物。
为了更加清楚地说明本发明的技术方案及优点，下面通过几个实施例对一种羰基铁粉吸波材料及其制备方法进行详细说明。
实施例1
(1)将球形羰基铁粉(粒径为0.5-5μm)和片状羰基铁粉(粒径为1-10μm，厚度为0.5-3μm)置于捏合机中进行混合，并于10Hz下搅拌2.5h，得到混合羰基铁粉；其中，混合羰基铁粉的质量为10g，且其中球形羰基铁粉和片状羰基铁粉的质量比为1:1；
(2)将10g混合羰基铁粉和1.76g树脂(环氧树脂)混合，进行机械搅拌后置于模具中，进行固化(放入烘箱中先加热至120℃保温2h，再加热至150℃保温3h，再加热至180℃保温1h)，结束后冷却至室温，脱模后即得到羰基铁粉吸波材料；其中，所述羰基铁粉吸波材料中混合羰基铁粉的质量百分比为85％，即羰基铁粉的填充量为85％。
实施例2
实施例2与实施例1基本相同，不同之处在于：球形羰基铁粉和片状羰基铁粉的质量比为1:3。
实施例3
实施例3与实施例1基本相同，不同之处在于：球形羰基铁粉和片状羰基铁粉的质量比为1:2。
实施例4
实施例4与实施例1基本相同，不同之处在于：球形羰基铁粉和片状羰基铁粉的质量比为1:1.7。
实施例5
实施例5与实施例1基本相同，不同之处在于：球形羰基铁粉和片状羰基铁粉的质量比为1:1.25。
实施例6
实施例6与实施例1基本相同，不同之处在于：球形羰基铁粉和片状羰基铁粉的质量比为1.5:1。
实施例7
实施例7与实施例1基本相同，不同之处在于：球形羰基铁粉和片状羰基铁粉的质量比为2:1。
实施例8
实施例8与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(2)中树脂(环氧树脂)的质量为1.11g；其中，所述羰基铁粉吸波材料中混合羰基铁粉的质量百分比为90％，即羰基铁粉的填充量为90％。
实施例9
实施例9与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(2)中树脂(环氧树脂)的质量为2.5g；其中，所述羰基铁粉吸波材料中混合羰基铁粉的质量百分比为80％，即羰基铁粉的填充量为80％。
实施例10
实施例10与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(2)中树脂为双马来酰亚胺树脂，固化的步骤为(放入烘箱中先加热至170℃保温1h，再加热至200℃保温4h，再加热至230℃保温12h)。
实施例11
实施例11与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(2)中树脂为氰酸酯树脂，固化的步骤为(放入烘箱中先加热至180℃保温2h，再加热至200℃保温2h，再加热至220℃保温1h)。
实施例12
实施例12与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(1)中，球形羰基铁粉的粒径为1-4μm，片状羰基铁粉的粒径为5-10μm，厚度为1-2μm。
对比例1
将10g球形羰基铁粉和1.1g树脂(环氧树脂)混合，进行机械搅拌后置于模具中，进行固化(放入烘箱中先加热至120℃保温2h，再加热至150℃保温3h，再加热至180℃保温1h)，结束后冷却至室温，脱模后即得到单一球形羰基铁粉吸波材料；其中，该羰基铁粉吸波材料中球形羰基铁粉的质量百分比为90％，即羰基铁粉的填充量为90％。
对比例2
在于将10g片状羰基铁粉和2.5g树脂(环氧树脂)混合，进行机械搅拌后置于模具中，进行固化(放入烘箱中先加热至120℃保温2h，再加热至150℃保温3h，再加热至180℃保温1h)，结束后冷却至室温，脱模后即得到单一球形羰基铁粉吸波材料；其中，该羰基铁粉吸波材料中片状羰基铁粉的质量百分比为80％，即羰基铁粉的填充量为80％。
对比例3
对比例3与对比例1基本相同，不同之处在于：树脂(环氧树脂)的质量为1.76g；其中，该羰基铁粉吸波材料中球形羰基铁粉的质量百分比为85％，即羰基铁粉的填充量为85％.
对比例4
对比例4与对比例2基本相同，不同之处在于：树脂(环氧树脂)的质量为1.76g；其中，该羰基铁粉吸波材料中片状羰基铁粉的质量百分比为85％，即羰基铁粉的填充量为85％。
在实施例1中，图2示出了所选用的球形羰基铁粉的SEM图，图3示出了所选用的片状羰基铁粉的SEM图。
将上述实施例1至12以及对比例1至4所得到的羰基铁粉吸波材料分别测试其电磁性能和密度。具体地，电磁性能的测试：按照标准机加工成同轴试样，并在1-18GHz的范围内，通过矢量网格分析仪测定其在不同频率下的复介电参数ε’、ε”、磁导率μ’、μ”和磁损耗角正切tanε(介电损耗)、tanμ(磁损耗)，具体结果见表1。
表1
需要说明的是，表1中的球片比即为球形羰基铁粉和片状羰基铁粉的质量比。
由表1中的数据可知，基于实施例1至7可以发现，当球形羰基铁粉和片状羰基铁粉的质量比为1:3-2:1时，制备得到的羰基铁粉吸波材料能够满足“薄、轻、宽、强”的吸波性能要求，在1-18GHz的范围内，其衰减系数均大于对比例1至4所制备的羰基铁粉吸波材料的衰减系数，而且本申请实施例所制备的羰基铁粉吸波材料在低频(1-2GHz)下具有更优异的电磁性能，其中，表2示出了实施例1所得到的羰基铁粉吸波材料在1-2GHz下的电磁性能参数。
表2
频率GHz
ε’
ε”
μ’
μ”
tanε
tanμ
衰减系数dB/cm
0.50
35.02
5.04
9.89
3.32
0.14
0.34
4.04
0.59
34.57
4.87
9.52
3.71
0.14
0.39
5.13
0.68
34.19
4.72
9.12
4.09
0.14
0.45
6.34
0.76
33.86
4.57
8.71
4.40
0.14
0.51
7.48
0.85
33.58
4.47
8.28
4.65
0.13
0.56
8.78
0.94
33.34
4.37
7.84
4.85
0.13
0.62
10.1
1.03
33.14
4.28
7.40
5.0
0.13
0.68
11.44
1.11
32.97
4.22
6.98
5.09
0.13
0.73
12.65
1.20
32.82
4.13
6.58
5.13
0.13
0.78
13.91
1.29
32.68
4.12
6.22
5.14
0.13
0.83
15.18
1.38
32.57
4.07
5.88
5.11
0.13
0.87
16.36
1.46
32.47
4.06
5.57
5.06
0.13
0.91
17.41
1.55
32.39
4.02
5.29
5.0
0.12
0.95
18.53
1.64
32.32
4.01
5.04
4.92
0.12
0.98
19.59
1.73
32.27
3.97
4.81
4.84
0.12
1.01
20.62
1.81
32.22
3.96
4.61
4.76
0.12
1.03
21.52
1.90
32.18
3.92
4.42
4.68
0.12
1.06
22.51
1.99
32.13
3.92
4.25
4.60
0.12
1.08
23.49
基于实施例1、8和9可以发现，羰基铁粉吸波材料中羰基铁粉的填充量为0％-90％时，即混合羰基铁粉和树脂的质量比为(4-9):1时，其仍兼具低密度和优异的电磁性能。基于实施例1、10和11可以发现，羰基铁粉吸波材料选用不同种类树脂时，其仍兼具低密度和优异的电磁性能。基于实施例1和实施例12还可以发现，制备时所选用的球形羰基铁粉和片状羰基铁粉的粒径、厚度越均匀，所制备的羰基铁粉吸波材料的电磁性能也会稍有提高更稳定。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。