阅读说明：本技术 一种频带可调的柔性多层吸波材料及其制备方法 (Frequency band adjustable flexible multilayer wave-absorbing material and preparation method thereof ) 是由 张恒宇 肖红 陈剑英 王焰 梁高勇 冯硕 季惠 孟令卿 施楣梧 于 2020-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种频带可调的柔性多层吸波材料及其制备方法。所述柔性多层吸波材料为下述1)或2)：1)由吸波织物层与频率选择织物层或与电磁波反射织物层按照任意顺序叠放构成的双层吸波材料；2)由频率选择织物层、吸波织物层和电磁波反射织物层按照任意顺序叠放构成的多层吸波材料,频率选择织物层由频率选择织物制成,频率选择织物为具有可设计谐振频点的织物；吸波织物层由吸波织物制成,吸波织物为含有吸波剂的织物。本发明通过仿真模拟,高效设计出不同频段所需的FSF单元周期排列及尺寸,并将具有滤波作用的FSF与吸波织物、电磁波反射织物以不同叠放顺序、层组合进行叠层,可调控层复合材料在不同工作频带内实现宽频高强吸收,提高工作效率。(The invention discloses a frequency band adjustable flexible multilayer wave-absorbing material and a preparation method thereof. The flexible multilayer wave-absorbing material is 1) or 2) as follows: 1) the double-layer wave-absorbing material is formed by stacking a wave-absorbing fabric layer and a frequency-selecting fabric layer or an electromagnetic wave reflecting fabric layer in any order; 2) the multilayer wave-absorbing material is formed by stacking a frequency selection fabric layer, a wave-absorbing fabric layer and an electromagnetic wave reflection fabric layer in any order, wherein the frequency selection fabric layer is made of frequency selection fabric, and the frequency selection fabric is fabric with a designable resonance frequency point; the wave-absorbing fabric layer is made of wave-absorbing fabric, and the wave-absorbing fabric is fabric containing a wave-absorbing agent. According to the invention, through simulation, the periodic arrangement and the size of the FSF units required by different frequency bands are efficiently designed, the FSF with the filtering function, the wave-absorbing fabric and the electromagnetic wave reflecting fabric are laminated in different stacking sequences and layer combinations, the adjustable layer composite material realizes broadband high-strength absorption in different working frequency bands, and the working efficiency is improved.)

一种频带可调的柔性多层吸波材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种频带可调的柔性多层吸波材料及其制备方法，属于微波吸收材料技术领域。

背景技术

吸波材料需满足两个条件，一是材料与自由空间的阻抗尽可能相当，二是具有高的电磁波损耗能力，以最大程度将电磁波能量转换为热能或其他形式能，而不会像电磁屏蔽材料产生二次污染。常用的吸波剂有羰基铁、铁氧体等。比如，羰基铁是一种高磁导率的依靠磁滞损耗、涡流损耗衰减电磁波的吸波材料，但是为了达到吸收效果，常伴随厚重、机械性能差等问题。

不同设备的工作频段不同，为了保证设备的正常运行和设备周边环境的安全，需要一种工作频带可调的吸波材料及其制备方法。频率选择表面(FSS)是一种周期结构，对电磁波具有选择透过作用。借鉴频率选择表面FSS的制备方法，将导电单元周期性的阵列在非导电织物表面，或者在导电织物上周期性的阵列开孔，可以形成频率选择织物(FSF)，实现对特定频段电磁波的透过，而截止其他频段电磁波。这样的织物既可以满足透气性的要求，又可以解决防护需求。

单一吸波材料往往存在阻抗匹配差、吸收性能有限、吸波频带窄的缺点。多层复合吸波材料是实现高强、宽频吸收的重要手段，专利申请(CN 106469858A)公开了一种吸波体结构，其以金属板、蜂窝层、电阻片多层叠加，获得了宽频带、强吸收的吸波材料，但是金属板重量大，且复合材料总厚度超过20cm，专利申请(CN10983029A)公开了一种吸波复合材料及其制备方法，具体为阻抗匹配层/三维石墨烯层/低频电磁损耗层的制备方法，在低频具有较宽的吸波频带；专利申请(CN 108092006 A)公开了层状宽带雷达吸波片及其制备方法，以及专利申请(CN 105744816 B)公开了电磁波屏蔽复合膜，上述两个专利申请中公开了多层吸波薄膜的制备方法，以上专利中的层复合材料均能改善电磁波的吸收性，但是不能在某一特定频带内实现对电磁波的选择透过，且不具备织物特有的柔软性、透气性。

目前缺少可以高效地调控吸波材料的吸波频带，并满足吸波材料兼具柔软、透气特性需求的多层复合材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种频带可调的柔性多层吸波材料，由频率选择织物(FSF)、吸波织物及电磁波反射织物构成，可通过不同功能层的叠层，降低复合吸波材料的重量，扩宽有效吸波频带，增加吸波强度，赋予多层复合吸波材料柔软、宽频、高吸波特性，特别地，可通过FSF实现吸波材料工作频带可调。

本发明所提供的频带可调的柔性多层吸波材料，为下述1)或2)：

1)由吸波织物层与频率选择织物层或与电磁波反射织物层按照任意顺序叠放构成的双层吸波材料

2)由频率选择织物层、吸波织物层和电磁波反射织物层按照任意顺序叠放构成的多层吸波材料；

所述频率选择织物层由频率选择织物制成，所述频率选择织物为具有可设计谐振频点的织物；

所述吸波织物层由吸波织物制成，所述吸波织物为含有吸波剂的织物；

所述电磁波反射织物由电磁波反射织物制成，所述电磁波反射织物为具有金属导电特征的织物。

上述的柔性多层吸波材料中，所述可设计谐振频点指的是通过电磁仿真模拟计算，获得的特定周期结构实现的谐振频点；

其中，谐振单元可为十字形、耶路撒冷形、圆环形或U形；

所述频率选择织物包括贴片型织物或孔隙型织物；

所述贴片型织物为在柔性织物基底上镀覆或贴敷周期性的导电金属层形成的织物；

所述导电金属层为由银、铜、铝、镍或锌形成的金属层；

所述孔隙型织物为在导电性织物上制作周期性的阵列开孔结构形成的织物。

上述的柔性多层吸波材料中，所述吸波剂可为羰基铁、羟基镍、羟基钴、铁氧体、碳化硅、钛酸钡、石墨、氮化硅、氮化铁、碳纤维和氧化锌中任一种；

所述吸波织物为所述吸波剂涂覆于织物基底上形成的织物或所述吸波剂浸渍于立体织物形成的织物。

上述的柔性多层吸波材料中，所述吸波织物的面密度可为200g/m²～4000g/m²；

所述织物基底为下述1)-3)中任一种：

1)棉纤维织物、粘胶纤维织物或棉纤维与粘胶纤维的混纺或交织类织物；

2)涤纶织物、锦纶织物、维纶织物、丙纶织物或涤纶、锦纶、维纶和/或丙纶的混纺或交织类织物；

3)芳纶织物、超高分子量聚乙烯纤维织物或芳纶与超高分子量聚乙烯纤维的混纺或交织类织物。

上述的柔性多层吸波材料中，所述电磁波反射织物可为表面镀覆金属的织物或由金属纱线织造而成的织物；

所述金属可为银、铜、铝、镍和/或锌；

所述金属纱线可为由银、铜、铝、镍和/或锌形成的纱线。

上述的柔性多层吸波材料中，所述频率选择织物层、所述吸波织物层和所述电磁波反射织物层按照任意顺序叠放形成2～5层的吸波材料，如图2所示；

可按照任意叠放顺序，如所述频率选择织物层和所述吸波织物层的顺序叠层获得双层吸波织物，所述吸波织物层和所述电磁波反射织物层的顺序叠层获得获得双层复合吸波织物，所述吸波织物层、所述频率选择织物层和所述电磁波反射织物层的顺序叠层获得三层吸波织物、所述频率选择织物层、所述吸波织物层和所述电磁波反射织物层的顺序叠层获得三层吸波织物、所述频率选择织物层、所述吸波织物层和所述频率选择织物层顺序叠层获得三层吸波织物、所述吸波织物层、所述频率选择织物层、所述吸波织物层和所述电磁波反射织物层顺序叠层获得四层吸波材料。

本发明吸波材料中，每层均以织物为基底，可以弯曲，相对于金属板层复合吸波材料以及其他介质的层复合材料具有柔软性；而且当吸波层采用立体间隔织物时，由于间隔织物孔隙较大，频率选择层和反射层都是以织物为基底，因此透气性较好。

本发明还提供了所述柔性多层吸波材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、利用电磁仿真手段，对不同形状谐振单元的周期排列及尺寸进行模拟计算，获得具有不同谐振频点及频响特性的谐振单元，以织物为基底制作所述频率选择织物；

S2、将所述吸波剂与聚合物混合得混合物，搅拌均匀，将所述混合物刮涂于织物基底上或将立体织物浸泡于所述混合物中，得到所述吸波织物；

S3、将金属浆料涂覆于织物上或将金属纱线织造为机织物或针织物，得到所述电磁波反射织物；

S4、采用物理粘合得方式将所述频率选择织物、所述吸波织物和所述电磁波反射织物按照任意顺序叠放，即得到所述柔性多层吸波材料。

上述的制备方法中，步骤S2中，所述聚合物可为水性聚氨酯、油性聚氨酯、聚乙烯醇和聚氯乙烯中任一种；

所述吸波剂与所述聚合物的质量比可为1～9：1～4。

上述的制备方法中，步骤S3中，采用化学镀、电镀或磁控溅射的方式涂覆所述金属浆料。

本发明通过仿真模拟，高效设计出不同频段所需的FSF单元周期排列及尺寸，并将具有滤波作用的FSF与吸波织物、电磁波反射织物以不同叠放顺序、层组合进行叠层，可调控层复合材料在不同工作频带内实现宽频高强吸收，提高工作效率。

附图说明

图1为不同形状、类型的FSF结构示意图，从左至右依次为十字形、耶路撒冷形、圆环形和U形，图中灰色为导电部分，白色为非导电部分。

图2为多层复合吸波材料的结构示意图。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1、双层复合吸波织物

选择FSF谐振单元形状为十字形，谐振单元间距为30mm，谐振频点为3.96GHz，采用丝网印刷依据模拟设计的周期排列及尺寸将导电银浆涂敷于涤纶机织物上制作贴片型FSF，如图1所示；将钛酸钡与水性聚氨酯按照3:1的质量比混合，机械搅拌5min，混合均匀后刮涂于棉机织物上，作为吸波织物，面密度为625g/m²。按照频率选择织物在上，吸波织物在下叠层获得双层复合吸波织物，厚度为0.66mm。

在2-18GHz测试范围内，反射率峰值为-17.3dB，小于-5dB带宽为9.4GHz，小于-10dB带宽为5.7GHz，可见，该吸波材料可以实现对电磁波的有效吸收。

实施例2、三层吸波织物

选择FSF谐振单元形状为U形，谐振单元间距为20mm，谐振频点为4.78GHz，采用丝网印刷依据模拟设计的周期排列及尺寸将导电铜浆涂敷于棉针织物上制作贴片型FSF，如图1所示；将氧化锌与聚乙烯醇(分子量为1000)按照1:1的质量比混合，机械搅拌5min，混合均匀后将涤纶立体间隔织物浸泡其中15min，室温晾干作为吸波织物，面密度为714g/m²。采用化学镀层的方式将铜镍混合浆料涂覆于涤纶针织物作为电磁波反射织物。按照吸波层在上，FSF在中间，电磁波反射织物在底部的顺序叠层获得三层吸波织物，厚度为0.78mm。

在2-18GHz测试范围内，反射率峰值为-18dB，小于-5dB带宽为6.2GHz，小于-10dB带宽3.4GHz，可见，该吸波材料具有较宽的有效吸波频带。

实施例3、三层吸波织物

选择FSF谐振单元形状为圆环形，谐振单元间距为20mm，谐振频点为6GHz，采用丝网印刷将导电铜浆涂敷于涤纶机织物上，然后依据模拟设计的周期排列及尺寸，利用激光刻录撕去谐振单元部分制作孔隙型FSF，如图1所示；将石墨与油性聚氨酯按照11:20的质量比混合，机械搅拌5min，混合均匀后将涤纶立体间隔织物浸泡其中20min，室温晾干作为吸波层，面密度为1250g/m²。采用银纱线为原料织造机织物作为电磁波反射织物。然后按照FSF在上、吸波织物在中间、电磁波反射织物在底部的顺序叠层获得三层吸波织物，厚度为0.91mm。

在2-18GHz测试范围内，反射率峰值为-14.6dB，小于-5dB带宽为12.1GHz，小于-10dB带宽为2.8GHz，可见，该吸波材料小于-5dB的频带较宽，并且可以满足大于90％电磁波的吸收。

实施例4、三层吸波材料

选择FSF谐振单元形状为圆环形，谐振单元间距为15mm，谐振频点为7.8GHz，再选择FSF谐振单元形状为U形，谐振单元间距为20mm，谐振频点为2.6GHz，采用丝网印刷依据模拟设计的周期排列及尺寸将导电银浆涂敷于涤纶机织物上制作贴片型FSF，如图1所示；将羰基铁粉与水性聚氨酯按照7:10的质量比混合，机械搅拌5min，混合均匀后刮涂于锦纶机织物上，面密度为926.7g/m²，作为吸波织物。然后按照圆形FSF在上，吸波织物在中间，U形FSF在底层的顺序叠层获得三层吸波材料，厚度为0.85mm。

在2-18GHz测试范围内，反射率峰值为-21.9dB，小于-5dB带宽为9.8GHz，小于-10dB带宽为6.4GHz，可见，该吸波材料可以实现对99％电磁波的吸收，并且在较宽频带内可实现有效吸收。

实施例5、四层吸波材料

选择FSF谐振单元形状为耶路撒冷形，谐振单元间距为15mm，谐振频点为12GHz，采用丝网印刷将导电铜浆涂敷于涤纶机织物上，然后依据模拟设计的周期排列及尺寸，利用激光刻录撕去谐振单元部分制作孔隙型FSF，如图1所示；将碳化硅与油性聚氨酯9:1混合，机械搅拌5min，混合均匀后刮涂于棉针织物上，作为吸波织物1，面密度为1004.5g/m²；将羰基铁粉按照与油性聚氨酯按照4:3的质量比混合，机械搅拌5min，混合均匀后刮涂于涤纶针织物上，作为吸波层2，面密度为2618g/m²；采用化学镀层的方式将铜镍混合浆料涂覆于涤纶针织物作为电磁波反射织物。由上层到底层按照吸波层1-频选层-吸波层2-电磁波反射织物的顺序叠层获得四层吸波材料，厚度为1.7mm。

在2-18GHz测试范围内，出现双反射率峰值-24.8dB，-20.6dB，小于-10dB的带宽分别对应3.8GHz，3.2GHz，可见，该吸波材料在多频带可实现对电磁波的高强吸收，频率选择表面对吸波频带的调控作用明显。