一種磁性合金/介電氧化物復合納米纖維及制法與采用該纖維制備的吸波涂層制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種磁性合金/介電氧化物復合納米纖維及制法與采用該纖維制備的吸波涂層，包括磁性合金及介電氧化物，該磁性合金及介電氧化物顆粒沿所述納米纖維軸向分布；制法為將磁性合金及介電氧化物金屬鹽混勻后溶于溶劑中制得紡絲溶液；采用靜電紡絲技術(shù)將紡絲溶液制備成PVP/金屬鹽前驅(qū)體纖維，經(jīng)干燥、焙燒、還原后，即可制得復合納米纖維；采用該復合納米纖維制備的吸波涂層，其厚度為1～3mm。優(yōu)點為該復合纖維不僅厚度薄、頻帶寬、吸收強，幾乎在整個2～18GHz頻段內(nèi)都有強烈的吸收，且其電磁參數(shù)及微波吸收特性可方便地通過改變鐵磁相與介電相的比例及其化學組成，以及熱處理過程參數(shù)進行寬范圍調(diào)控。

Magnetic alloy / dielectric oxide composite nano fiber and preparation method thereof and wave absorbing coating prepared by using said fiber

The invention discloses a magnetic alloy / dielectric oxide composite nano fiber and preparation method and by absorbing coating the fiber preparation, including magnetic alloy and dielectric oxide, the magnetic alloy and the dielectric oxide particles along the axial distribution of nano fiber; preparation method for magnetic alloy and metal oxide dielectric salt mixed in a solvent prepared by electrospinning spinning solution; the spinning solution is prepared by metal salts of PVP/ precursor fibers, after drying and roasting, after reduction, can be prepared by composite nano fiber; absorbing coating of the composite nano fibers, the thickness is 1 to 3mm. The advantages of the composite fiber not only thin thickness, wide bandwidth and strong absorption, almost the entire 2 ~ 18GHz frequency band has a strong absorption, and the electromagnetic parameters and microwave absorbing properties can be formed easily by changing the magnetic and dielectric phase ratio and chemical, and heat treatment process parameters of a wide range of regulation.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種磁性合金/介電氧化物復合納米纖維及制法與采用該纖維制備的吸波涂層
本專利技術(shù)屬于電磁波吸收材料領(lǐng)域，尤其涉及一種磁性合金/介電氧化物復合納米纖維及制法與采用該纖維制備的吸波涂層。
技術(shù)介紹
隨著GHz頻段電磁波在電子通訊領(lǐng)域如移動電話、無線局域網(wǎng)、雷達系統(tǒng)等方面的廣泛應(yīng)用，隨之帶來的電磁輻射與干擾也越發(fā)嚴重，這不僅對人類健康帶來潛在危害，而且還可能造成信息泄露和系統(tǒng)故障等問題；另一方面，現(xiàn)代及未來戰(zhàn)爭要求盡可能降低武器裝備的雷達反射截面以實現(xiàn)其電磁隱身，提高生存能力和突防能力。于是為了解決電磁干擾和污染，以及軍事裝備隱身問題，高性能電磁波吸收材料的研制與開發(fā)一直受到各國的高度重視。吸波材料對電磁波的吸收主要依賴于填充其中的電磁波吸收劑，其吸波性能主要取決于復磁導率/復介電常數(shù)、電磁阻抗匹配特征和吸收劑的微觀結(jié)構(gòu)等。按衰減機制，吸波材料可分為磁損耗型和介電損耗型兩大類。介電損耗型吸波材料如C、BaTiO3、ZnO、TiO2、SnO2、SiC等一般具有密度低、強度高、耐高溫等優(yōu)點，但其吸收強度較弱、吸收頻帶較窄；磁損耗型吸波材料如鐵氧體、羰基鐵、金屬磁性材料等吸收強、頻帶寬，但大多存在密度高、匹配厚度大、穩(wěn)定性較差等缺點。無論是磁損耗型還是介電損耗型吸波材料，它們單獨使用時由于阻抗匹配特性較差，一般均難以滿足現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展對吸波材料性能所提出的“薄、輕、寬、強”的綜合要求。大量研究顯示將磁損耗和介電損耗多種損耗形式的吸收劑進行多元復合制成納米結(jié)構(gòu)復合吸波材料是增強吸波性能的一個有效途徑。利用納米復合吸波材料中各組分的損耗協(xié)同效應(yīng)和電磁參數(shù)可調(diào)的優(yōu)點，通過調(diào)節(jié)材料的結(jié)構(gòu)特征、化學組成、微觀形貌等使其同時具有較強的電磁衰減能力和良好的阻抗匹配特性，以達到低密度、強吸收和寬頻帶的效果。相對于傳統(tǒng)鐵氧體吸波材料，金屬磁性材料如Fe、Co、Ni及其合金等具有更高的飽和磁化強度和磁導率，同時它們的Snoek極限在一個相對更高的頻率，這樣金屬磁性材料即使在微波頻段仍能保持較高的磁導率，結(jié)果使用金屬磁性材料作為吸收劑可以設(shè)計出更薄的吸波涂層。但由于金屬磁性材料具有良好的導電性，在外加電磁波作用下易產(chǎn)生渦流效應(yīng)，導致其磁導率在高頻范圍內(nèi)顯著下降，從而嚴重影響到此類材料的吸波性能及應(yīng)用價值。為壓制渦流效應(yīng)以改善高頻電磁特性及吸波性能，人們對磁性金屬微波吸收劑進行了大量的改性和摻雜研究。一種方法是降低磁性金屬顆粒的尺寸到趨膚深度以下即亞微米至納米量級；另外一種方法就是將其與電阻高且介電性能好的介電氧化物如SiO2、ZnO、Al2O3、TiO2、SnO2、BaTiO3等進行復合，這不僅可以利用這些介電氧化物良好的絕緣性來阻斷渦電流的形成，而且更為重要的是介電氧化物的引入還可增強體系的介電損耗能力，通過磁損耗與介電損耗的協(xié)同效應(yīng)來有效改善吸波材料與自由空間之間的阻抗匹配特性，大大提高微波吸收性能。然而至今，人們對鐵磁金屬/介電氧化物納米復合吸收材料的研究主要集中在納米膠囊、核殼結(jié)構(gòu)微球等零維納米材料上，而有關(guān)其一維納米結(jié)構(gòu)復合材料及其制備技術(shù)與應(yīng)用還鮮有報道。近年來，一維納米結(jié)構(gòu)材料如納米線、納米纖維、納米管和納米棒等因其獨特的形狀各向異性提供了不同于各向同性微粒的損耗機制而在吸波材料方面展示出獨到的優(yōu)勢，已成為一種很有發(fā)展前途的新型吸波材料。一維納米結(jié)構(gòu)還具有顯著的空間限域效應(yīng)，可使各組分在微觀尺度上實現(xiàn)均勻分布，能夠解決三維塊體、二維薄膜和零維粉體中常易出現(xiàn)的顆粒團聚以及非均相分布問題，大大提高組分間的接觸面積，不僅有利于加強鐵磁/介電復合體系中表面/界面效應(yīng)以及介電損耗與磁損耗間的協(xié)同效應(yīng)，而且還可在納米尺度范圍內(nèi)形成良好的電磁匹配。因此，借助于一維納米結(jié)構(gòu)材料所具有的獨特結(jié)構(gòu)和性能特征將鐵磁金屬與介電氧化物原位復合形成一維纖維狀納米復合材料，有望進一步加強該復合體系的微波吸收性能，對于發(fā)展新型高性能一維結(jié)構(gòu)納米復合吸波材料科學與技術(shù)，促進鐵磁金屬/介電氧化物復合材料在電磁波吸收與屏蔽領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的意義和價值。
技術(shù)實現(xiàn)思路
專利技術(shù)目的：本專利技術(shù)的第一目的是提供一種具有良好的吸波效果，且厚度薄、頻帶寬、吸收強以及電磁參數(shù)與吸波特性可寬范圍調(diào)控的磁性合金/介電氧化物復合納米纖維；本專利技術(shù)的第二目的是提供該復合纖維的制備方法；本專利技術(shù)的第三目的是提供采用該復合纖維制備的吸波涂層。技術(shù)方案：本專利技術(shù)的磁性合金/介電氧化物復合納米纖維，該納米纖維的直徑為80～300nm，其包括摩爾比為1:9～9:1的磁性合金及介電氧化物，該磁性合金及介電氧化物顆粒沿所述納米纖維軸向分布，呈一維結(jié)構(gòu)。進一步說，本專利技術(shù)采用的磁性合金為Fe-Co合金，該Fe-Co合金中Fe與Co的摩爾比為4:1～1:4；介電氧化物包括BaTiO3、ZnO、Al2O3、SnO2中的一種或多種。本專利技術(shù)制備磁性合金/介電氧化物復合納米纖維的方法，包括如下步驟：(1)根據(jù)摩爾比分別將磁性合金及介電氧化物的相關(guān)金屬鹽混勻后溶于溶劑中，加入聚乙烯吡咯烷酮混勻，制得紡絲溶液；(2)采用靜電紡絲技術(shù)將紡絲溶液制備成PVP/金屬鹽前驅(qū)體纖維，并在80～100℃進行干燥12～24后，在650～950℃條件下焙燒1～6h，再在350～550℃條件下還原0.5～3h，即可制得復合納米纖維。進一步說，本專利技術(shù)的制備方法中采用的溶劑包括乙醇、乙酸、去離子水、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的兩種；紡絲溶液中金屬鹽的總質(zhì)量分數(shù)為6～25％，優(yōu)選8～18％，采用該質(zhì)量分數(shù)的金屬鹽，能更有利于獲得粗細均勻、直徑分布較窄的復合納米纖維。更進一步說，步驟(2)中，可在750～900℃條件下焙燒2～4h；可在400～500℃條件下還原1～2h。本專利技術(shù)采用磁性合金/介電氧化物復合納米纖維制備的吸波涂層，該涂層的厚度為1～3mm，其包括基質(zhì)硅膠及質(zhì)量分數(shù)為40～60％的磁性合金/介電氧化物復合納米纖維。有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的顯著優(yōu)點為：該復合纖維不僅厚度薄、頻帶寬、吸收強，幾乎在整個2～18GHz頻段內(nèi)都有強烈的吸收，且其電磁參數(shù)及微波吸收特性可方便地通過改變鐵磁相與介電相的比例及其化學組成，以及熱處理過程參數(shù)進行寬范圍調(diào)控；本專利技術(shù)通過一維納米結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了鐵磁合金與介電氧化物的有機結(jié)合，利用一維納米材料的結(jié)構(gòu)特性及其限域作用增強了復合體系中磁損耗和介電損耗間的協(xié)同效應(yīng)，獲得了高性能鐵磁金屬/介電氧化物復合納米纖維微波吸收劑，比相應(yīng)零維結(jié)構(gòu)復合材料具有更好的吸波效果；同時，在制備時，采用靜電紡絲技術(shù)結(jié)合氫熱選擇性還原過程原位合成出磁性合金/介電氧化物復合納米纖維微波吸收劑，工藝簡單、操作方便、成本低、產(chǎn)率高，可連續(xù)大量制備磁性合金/介電氧化物復合納米纖維。此外，采用該纖維制備的吸波涂層，各涂層幾乎在整個2～18GHz頻段內(nèi)均有較強烈的吸收，最強吸收峰峰值均超過-30dB，反射損耗在-20dB以下(即吸收率超過99％)的吸收帶寬達到約15GHz，可覆蓋一半S波段和整個C至Ku波段。附圖說明圖1為本專利技術(shù)實施例1制備的Fe-Co合金/ZnO復合納米纖維的SEM照片；圖2為本專利技術(shù)實施例1制備的Fe-Co合金/ZnO復合納米纖維的XRD譜圖；圖3為本專利技術(shù)實施例1制備的Fe-Co合金/ZnO復合納米纖維/硅膠吸本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種磁性合金/介電氧化物復合納米纖維，其特征在于：該納米纖維的直徑為80～300nm，其包括摩爾比為1:9～9:1的磁性合金及介電氧化物，該磁性合金及介電氧化物顆粒沿所述納米纖維軸向分布，呈一維結(jié)構(gòu)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種磁性合金/介電氧化物復合納米纖維，其特征在于：該納米纖維的直徑為80～300nm，其包括摩爾比為1:9～9:1的磁性合金及介電氧化物，該磁性合金及介電氧化物顆粒沿所述納米纖維軸向分布，呈一維結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性合金/介電氧化物復合納米纖維，其特征在于：所述磁性合金為Fe-Co合金，該Fe-Co合金中Fe與Co的摩爾比為4:1～1:4。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性合金/介電氧化物復合納米纖維，其特征在于：所述介電氧化物包括BaTiO3、ZnO、Al2O3、SnO2中的一種或多種。4.一種制備權(quán)利要求1所述的磁性合金/介電氧化物復合納米纖維的方法，其特征在于包括如下步驟：(1)根據(jù)摩爾比分別將形成磁性合金及介電氧化物的金屬鹽溶于溶劑中，待溶解后加入聚乙烯吡咯烷酮，再經(jīng)充分攪拌制得紡絲溶液；(2)采用靜電紡絲技術(shù)將紡絲溶液制備成PVP/金屬鹽前驅(qū)體纖維，并在80～100℃進行干燥12～24h后，在650～950℃條件下焙燒1～6h，再在350～550℃條件下還原0.5～3h，即可制得復合納米纖維。5...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：向軍，張雪珂，李佳樂，吳志鵬，劉敏，
申請(專利權(quán))人：江蘇科技大學，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32