填充磁性金属的介电材料复合型微波吸收体及制备方法

摘要

本发明属于微波吸收领域，公开了填充磁性金属的介电材料复合型微波吸收体及制备方法。吸收体以半导体材料作为包覆型结构外部的介电材料，填充金属纳米颗粒。半导体材料为多壁碳纳米管、氧化锌、石墨烯、碳化硅中的一种；金属纳米颗粒为Fe、Co、Ni中的一种或者几种的合金。本发明将磁性金属纳米颗粒完全填充在半导体的内部，首先制备具有开口结构的介电材料，转移到具有磁性金属的溶液中，通过毛细作用力以及分子、离子的热运动的方式填充在半导体材料的内部。本发明所制备的复合型微波吸收体，具有制备方法简便、吸波性能优异并且可通过调整不同的磁性金属以及金属合金的比例对外部微波场的响应性能，进而获得高效、轻质、稳定性好的微波吸收体。

说明书

技术领域

本发明属于微波吸收领域，涉及一种填充磁性金属的介电材料复合型微波吸收体及制备方法。

背景技术

近十年来，伴随着科技水平的提高以及人类社会的发展，高频段电子设备得到了大量的应用，大量电子设备的使用产生大量的电磁波，造成电磁波污染，严重影响了人们的身体健康和正常的通信。电子设备发出的高频电磁脉冲，使空间充斥了不同波长和频率的电磁波。已有相关研究表明，这种散布在大气中的电磁场如果超过一定强度就会成为一种新的环境污染——电磁波辐射污染。另一方面，由于电子元器件的工作频率越来越高，而电子元器件灵敏度也越来越高，同时目前的电子元器件集成度越来越高，其互相之间的相互影响也势必会使得这些复杂电磁波成为有关高性能电子产品正常运行的突出障碍。

因此，在高频波段对电磁波吸收材料的研究具有非常重要的意义。理想的吸波材料应该具有吸收强、频带宽、厚度薄和质量轻等特点，纳米材料的探索和快速发展，新型纳米吸波材料更好地满足这些要求，因此，制备新型纳米吸波材料成为了当前的研究热点。从目前的吸波材料的发展状况来看，单一的吸波材料很难满足对电磁波的有效吸收，很难满足“宽、强、轻”的综合要求，因此需要将多种吸波材料进行复合来获得最佳电磁波吸收效果。例如，专利2013103371935中公开了一种Fe-Co合金/C复合纳米纤维微波吸收剂、制备方法及应用，而专利2013103383171公开了一种Co/C复合纳米纤维微波吸收剂制备方法及其应用。

传统的电磁波吸收剂的制备方法比较复杂，反应条件相对苛刻，操作过程相对繁琐，难以进行大规模的工业化生产，故其在实际的应用中还存在着很多问题。另外，铁磁材料组装在介电材料的内部形成的复合材料，其电磁参数和阻抗匹配是联动的，即改变内部或外部其中的任意部分，复介电常数的实部和虚部，复磁导率的实部和虚部都一起变动。这些都对吸波体的覆盖范围以及吸收强度产生影响。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的问题，提供了一种磁性金属完全填充在介电材料内部的复合型微波吸收体及其制备方法，其中通过化学法使得以半导体为基础介电材料形成缺陷及孔道，并通过毛细作用力以及分子、离子的热运动的方式填充在半导体材料的内部，形成一种复合电磁波吸收体。同时，通过改善磁性材料的成分以及含量以及外部的介电材料，可以实现吸波性能的调控。

本发明的技术方案如下：

一种填充磁性金属的介电材料复合型微波吸收体，该吸收体以半导体材料作为包覆型结构外部的介电材料，内部填充金属纳米颗粒；其中，所述金属纳米颗粒为Fe、Co、Ni中的一种或者几种的合金；金属纳米颗粒的粒径为1～30nm。复合型微波吸收体具有可变的微波响应特性。金属纳米颗粒在填充状态时无团聚现象产生。

进一步，所述的半导体材料为多壁碳纳米管、氧化锌、石墨烯、碳化硅中的一种或多种。

本发明还提供了一种实现上述吸收体的制备方法：包括以下步骤：

步骤一：将作为介电材料的半导体材料置于68wt.％的浓硝酸中，油浴加热140℃，8～14h，再用去离子水洗涤至中性，转移到60～80℃烘箱中干燥12～24h；

步骤二：将步骤一处理过的介电材料和去离子水以质量比1:20混合，采用超声处理5～15min，形成溶剂；

步骤三：将与所要填充的金属纳米颗粒相对应的1～2M磁性金属离子溶液加入到步骤二配备的溶剂中，超声并搅拌1h以上，形成混合溶液，利用介电材料本身的吸附作用对混合溶液进行吸附；

步骤四：将步骤三的混合溶液抽滤，再用去离子水洗涤一次，所述去离子水的量为每1mol磁性金属离子对应50～100毫升去离子水；再转移到60～80℃的干燥箱，干燥24小时以上；

步骤五：将混合物置于140～170℃加热8h以上，然后在氩气保护下，以5～8℃/min速率加热到350～400℃保温3～4h。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种磁性金属完全填充在介电材料内部的复合型微波吸收体及其制备方法，能够弥补传统电磁波吸收材料只能在特定频段产生响应的缺点。同时，该电磁波吸收材料具有覆盖范围宽、响应特征明显、工艺简单、成本低、过程可控等优点。

附图说明

图1为本发明方法中复合型吸波材料结构的示意图；

图2为本发明方法中复合型吸波材料制备方法流程图；

图3为本发明方法中复合型吸波材料所对应的透射电镜图；(a)化学法处理后开口碳纳米管相貌图,(b)实施例1填充磁性金属的碳纳米管形貌图,(c)实施例2填充磁性金属的碳纳米管形貌图,(d)实施例3填充磁性金属的碳纳米管形貌图；

图4为本发明方法中复合型吸波材料所对应的电磁参数响应图(介电常数)；

图5为本发明方法中复合型吸波材料所对应的电磁参数响应图(磁导率)。

图中：101介电材料；102磁性金属纳米颗粒。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图和具体实例对本发明的操作过程作进一步详细说明。需说明，此处所描述的具体实例仅用于解释本发明，其中图示为示意性质，并不用于限定本发明的范围。

图1为本发明方法中复合型吸波材料结构的示意图。如图1所示，吸收体包括：半导体基介电材料101，此实施例中选用多壁碳纳米管；磁性金属纳米吸波材料102，此实施例中选用单质铁纳米颗粒。

所述的半导体材料为基础的介电材料101一般为多壁碳纳米管或同等结构的介电材料。

所述的磁性金属纳米颗粒102一般为Fe、Co、Ni中的一种或者几种的合金。

进一步，本实例所述的半导体材料为基础的介电材料101可采用化学法制备，具有一定浓度的硝酸在加热的条件下处理一定的时间，获得的介电材料具有一定的缺陷或孔道。

实施例1

本发明提供上述实施例制备方法：

图2所示为复合型微波吸收体制备方法的流程图，以下将结合图3(a)(b)说明制备过程：

步骤B101，制备开口结构的半导体材料。

如图3(a)所示，按照制备流程，使用化学法处理得到的开口结构的半导体材料。在本实施例中，选取Fe作为其内部的磁性金属颗粒，碳纳米管作为外部的介电材料，将碳纳米管置于68wt.％的浓硝酸中，油浴加热140℃，14小时，将处理的材料采用去离子水洗涤至中性，转移到60℃烘箱中干燥24小时。

步骤B102，配备磁性金属溶液。称取一定质量的硝酸铁粉末，溶于去离子水中，配备1M的硝酸铁溶液。

步骤B103，如图3(b)所示，将磁性金属溶液吸收到半导体材料内部。

(1)将制备的介电材料101和去离子水以质量比1:20混合，采用超声处理5分钟，形成溶剂；

(2)将1M含有磁性金属离子的溶液加入到配备好的溶剂中，超声并机械搅拌1小时以上，形成混合溶液，利用介电材料本身的吸附作用对混合溶液进行吸附；

(3)将混合溶液抽滤，采用50毫升去离子水洗涤一次，转移到60℃的干燥箱，干燥24小时。

步骤B104，洗涤、退火复合材料。将混合物置于140摄氏度加热8小时，然后在氩气保护下，以5℃/min速率加热到350摄氏度保温3小时。

实施例2

以下将结合图3(c)说明制备过程：

步骤B101，制备开口结构的半导体材料。

按照制备流程，使用化学法处理得到的开口结构的半导体材料。在本实施例中，选取Fe作为其内部的磁性金属颗粒，碳纳米管作为外部的介电材料，将碳纳米管置于68wt.％的浓硝酸中，油浴加热140℃，8小时，将处理的材料采用去离子水洗涤至中性，转移到60℃烘箱中干燥24小时。

步骤B102，配备磁性金属溶液。称取一定质量的硝酸铁粉末，溶于去离子水中，配备1M的硝酸铁溶液。

步骤B103，如图3(c)所示，将磁性金属溶液吸收到半导体材料内部。

(1)将制备的介电材料101和去离子水以质量比1:20混合，采用超声处理5分钟，形成溶剂；

(2)将1M含有磁性金属离子的溶液加入到配备好的溶剂中，超声并机械搅拌1小时以上，形成混合溶液，利用介电材料本身的吸附作用对混合溶液进行吸附；

(3)将混合溶液抽滤，采用100毫升去离子水洗涤一次，转移到60℃的干燥箱，干燥24小时。

步骤B104，洗涤、退火复合材料。将混合物置于140摄氏度加热8小时，然后在氩气保护下，以5℃/min速率加热到350摄氏度保温3小时。

实施例3

以下将结合图3(d)说明制备过程：

步骤B101，制备开口结构的半导体材料。

按照制备流程，使用化学法处理得到的开口结构的半导体材料。在本实施例中，选取Fe作为其内部的磁性金属颗粒，碳纳米管作为外部的介电材料，将碳纳米管置于68wt.％的浓硝酸中，油浴加热140℃，14小时，将处理的材料采用去离子水洗涤至中性，转移到60℃烘箱中干燥24小时。

步骤B102，配备磁性金属溶液。称取一定质量的硝酸铁粉末，溶于去离子水中，配备2M的硝酸铁溶液。

步骤B103，如图3(d)所示，将磁性金属溶液吸收到半导体材料内部。

(1)将制备的介电材料101和去离子水以质量比1:20混合，采用超声处理5分钟，形成溶剂；

(2)将1M含有磁性金属离子的溶液加入到配备好的溶剂中，超声并机械搅拌1小时以上，形成混合溶液，利用介电材料本身的吸附作用对混合溶液进行吸附；

(3)将混合溶液抽滤，采用50毫升去离子水洗涤一次，转移到60℃的干燥箱，干燥48小时。

步骤B104，洗涤、退火复合材料。将混合物置于140摄氏度加热8小时，然后在氩气保护下，以8℃/min速率加热到400摄氏度保温4小时。

图4和图5为本发明实施例在矢量网络分析仪上所测试电磁波响应吸收特性曲线。如图4所示，复合型微波吸收材料对于电磁波的介电常数随着频率变化而改变。如图5所示，复合型微波吸收材料对于电磁波的磁导率随着频率变化而改变。图4和图5表明复合型吸波材料对电磁波在高频波段具有很强的响应，且本实施例复合型微波吸收体具有与已有微波吸收体相似的吸波能力。

上述实施实例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。