一种各向异性电磁吸波纤维及其制备方法和应用与流程

本发明涉及电磁吸波材料，具体涉及一种各向异性电磁吸波纤维及其制备方法和应用。

背景技术：

1、电磁吸波材料(电磁波吸收材料)主要是指能够吸收并衰减电磁波，并将电磁波能量转化成热能以及其他能量而被耗散的一种材料。优良的电磁吸波材料应该具有优异的阻抗匹配特性和衰减特性。阻抗匹配特性是指投射到材料表面的电磁波能量最大限度地入射到材料内部；衰减特性是指入射到材料内部的电磁波能量最大限度地被消耗。通常来说，阻抗匹配特性与材料的相对介电常数和相对磁导率成反比；而衰减特性则与材料的复介电常数和复磁导率成正比；即优异的阻抗匹配特性和衰减特性通常是不能够同时达到。因此，开发同时具备优异阻抗匹配特性和衰减特性性能的电磁吸波材料成为当前电子材料领域研究的热点之一。与此同时，随着科技的高速发展，诸如多波段、宽频带、质量轻、各向异性等性能特征亦成为新型电磁吸波材料要求具备的性能。

2、气凝胶由于具备低密度、低介电性能以及多孔的结构成为当前新型电磁吸波材料的研究热点，其内部的多孔结构可以对其内部的电磁波进行多次内部反射损耗以及可能存在的多种形式的共振损耗进而达到消耗能量的目的。然而，其单一形式的剩余损耗并不能满足宽频带吸收和各向异性的性能要求。

3、中国专利cn106340726a(公开日期2017.01.18)公开了一种磁性导电纳米金属/碳气凝胶吸波材料及其制备方法，该方法先通过冷冻干燥法制备得到碳气凝胶，再通过对其依次进行敏化活化、化学镀和干燥得到磁性导电纳米金属/碳气凝胶吸波材料。该发明的优点是由此制备得到的磁性导电纳米金属/碳气凝胶吸波材料同时具备磁性、导电性、低密度、高比表面积和纳米多孔结构特性，以在较低添加量下，实现电磁波宽频强吸收；缺点是无法实现各向异性，制备周期长和使用金属钯活化而导致的成本提升无法实现产业化，以及工件在胶体钯活化后所进行的水洗步骤会导致其表面的sn2+被氧化成snox就很难除去最终出现催化活性低等问题缺陷。

4、中国专利cn107779851a(公开日期2018.03.09)公开了一种碳纤维/非晶合金复合电磁波吸收材料及其制备方法，该方法通过对碳纤维表面进行化学镀的方式制备得到电磁波吸收材料。该发明的优点是由此制备得到的碳纤维/非晶合金复合电磁波吸收材料具备电阻损耗、介电损耗、磁损耗三位一体有效结合的电磁损耗特性，以及可实现磁参数可调、高强及宽频吸收的性能要求；缺点是是无法实现各向异性，使用离子钯活化而导致的成本提升无法实现产业化以及钯离子可能被还原而发生置换反应，间接造成镀层与基体结合不牢固。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种各向异性电磁吸波纤维及其制备方法和应用，以解决现有技术的不足。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种各向异性电磁吸波纤维，所述各向异性电磁吸波纤维采用如下步骤制备得到：

4、(1)将气凝胶颗粒浸入耐高温油墨中使其表面均匀涂敷一层油墨，后自然晾干，再将其放入超声设备中进行超声数分钟使其开孔部位无油墨涂敷，取出备用；其中，气凝胶颗粒为亲水性气凝胶颗粒，其为碳化物气凝胶颗粒、氮化物气凝胶颗粒、有机气凝胶颗粒、碳气凝胶颗粒、生物质气凝胶颗粒中的一种或几种；

5、(2)将步骤(1)得到的气凝胶颗粒置于金属化学镀浴中，使其内部三维网络空间生成一层金属层，具体步骤如下：

6、a)将步骤(1)得到的气凝胶颗粒先放入含镍乙醇溶液中，再将含硼氢化钾乙醇溶液倒入上述溶液中形成活化液以使气凝胶颗粒进行活化，后取出气凝胶颗粒并水洗；其中，镍离子由醋酸镍、氟化镍、碳酸镍、氨基磺酸镍中的一种或几种提供；

7、b)将步骤a)得到的气凝胶颗粒置于金属化学镀浴中，进行化学镀使其内部三维网络空间生成一层金属层，后取出水洗、烘干；其中，金属化学镀浴为化学镀镍液、化学镀钴液中的一种；

8、(3)利用高温热处理将步骤(2)得到的气凝胶颗粒表面的油墨去除，得到仅在内部三维网络空间形成金属层的气凝胶颗粒即电磁吸波微粒；

9、(4)将步骤(3)得到的电磁吸波微粒与高分子母粒一同放入双螺杆挤出机中进行挤出造粒，得到高分子-气凝胶复合电磁吸波母粒；其中，高分子母粒为聚丙烯母粒、聚酰亚胺母粒、聚苯乙烯母粒、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物母粒中的一种或几种；

10、(5)将步骤(4)得到的高分子-气凝胶复合电磁吸波母粒放入熔融纺丝机中进行熔融纺丝并同时外施加磁场，后冷却得到各向异性电磁吸波纤维。

11、进一步地，步骤(1)中，耐高温油墨为耐80～100℃的油墨，将气凝胶颗粒浸入耐高温油墨中15～30min使其表面均匀涂敷一层油墨，后自然晾干，再将其放入超声设备中于40～55khz下进行超声3～8min使其开孔部位无油墨涂敷，取出备用；

12、步骤(3)中，利用高温热处理将步骤(2)得到的气凝胶颗粒表面的油墨去除具体操作是将步骤(2)得到的气凝胶颗粒放入烘箱中，于110℃～115℃下保持10min～15min。

13、进一步地，步骤(2)a中，活化液具体组成为每升乙醇含5～8gni2+和5～8g硼氢化钾，活化温度为35～60℃，活化时间为10～20min；

14、步骤(2)b中，化学镀镍液具体组成为ni2+4.5～6g/l、苹果酸5～15g/l、琥珀酸10～15g/l、醋酸钠15～25g/l、还原剂25～35g/l、启镀剂5～10g/l、表面活性剂3～8ppm、硫脲1～5ppm；其中，ni2+由醋酸镍、硫酸镍、碱式碳酸镍、氨基磺酸镍中的一种或几种提供，还原剂为次亚磷酸钠、二甲基胺硼烷、硼氢化钾中的一种，启镀剂为吲哚羧酸类化合物，表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或几种，溶剂为去离子水；化学镀镍液的施镀工艺为温度65～70℃、时间25～45min、ph8.5～9；

15、化学镀钴液具体组成为co2+5～8g/l、甘氨酸15～25g/l、乳酸15～25g/l、三乙醇胺1～5g/l、还原剂20～40g/l、启镀剂5～10g/l、表面活性剂3～8ppm、碘酸钾5～10ppm、硫脲1～3ppm；其中，co2+由硫酸钴、氨基磺酸钴、醋酸钴中的一种或几种提供，还原剂为次亚磷酸钠、二甲基胺硼烷、硼氢化钾中的一种，启镀剂为吲哚羧酸类化合物，表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或几种，溶剂为去离子水；化学镀钴液的施镀工艺为温度60～75℃、时间30～55min、ph6.5～7.5。

16、进一步地，步骤(4)中，电磁吸波微粒与高分子母粒质量比为5～15：85～95；所用双螺杆挤出机的长径比为15：1，转速为50～150r/min，双螺杆挤出机从进料端至出料端分为七区，温度设置为第一区120℃～150℃，第二区150℃～220℃，第三区180℃～250℃，第四区180℃～280℃，第五区200℃～250℃，第六区210℃～320℃，第七区220℃～350℃；

17、步骤(5)中，熔融纺丝的熔融温度为150～220℃、质量流速为5～20g/min、拉丝速度为1200～2000m/min，外施加磁场强度为0.1～0.3t；冷却条件为自然冷却。

18、一种各向异性电磁吸波纤维的制备方法，采用如下步骤制备：

19、(1)将气凝胶颗粒浸入耐高温油墨中使其表面均匀涂敷一层油墨，后自然晾干，再将其放入超声设备中进行超声数分钟使其开孔部位无油墨涂敷，取出备用；其中，气凝胶颗粒为亲水性气凝胶颗粒，其为碳化物气凝胶颗粒、氮化物气凝胶颗粒、有机气凝胶颗粒、碳气凝胶颗粒、生物质气凝胶颗粒中的一种或几种；

20、(2)将步骤(1)得到的气凝胶颗粒置于金属化学镀浴中，使其内部三维网络空间生成一层金属层，具体步骤如下：

21、a)将步骤(1)得到的气凝胶颗粒先放入含镍乙醇溶液中，再将含硼氢化钾乙醇溶液倒入上述溶液中形成活化液以使气凝胶颗粒进行活化，后取出气凝胶颗粒并水洗；其中，镍离子由醋酸镍、氟化镍、碳酸镍、氨基磺酸镍中的一种或几种提供；

22、b)将步骤a)得到的气凝胶颗粒置于金属化学镀浴中，进行化学镀使其内部三维网络空间生成一层金属层，后取出水洗、烘干；其中，金属化学镀浴为化学镀镍液、化学镀钴液中的一种；

23、(3)利用高温热处理将步骤(2)得到的气凝胶颗粒表面的油墨去除，得到仅在内部三维网络空间形成金属层的气凝胶颗粒即电磁吸波微粒；

24、(4)将步骤(3)得到的电磁吸波微粒与高分子母粒一同放入双螺杆挤出机中进行挤出造粒，得到高分子-气凝胶复合电磁吸波母粒；其中，高分子母粒为聚丙烯母粒、聚酰亚胺母粒、聚苯乙烯母粒、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物母粒中的一种或几种；

25、(5)将步骤(4)得到的高分子-气凝胶复合电磁吸波母粒放入熔融纺丝机中进行熔融纺丝并同时外施加磁场，后冷却得到各向异性电磁吸波纤维。

26、进一步地，步骤(1)中，耐高温油墨为耐80～100℃的油墨，将气凝胶颗粒浸入耐高温油墨中15～30min使其表面均匀涂敷一层油墨，后自然晾干，再将其放入超声设备中于40～55khz下进行超声3～8min使其开孔部位无油墨涂敷，取出备用；

27、步骤(3)中，利用高温热处理将步骤(2)得到的气凝胶颗粒表面的油墨去除具体操作是将步骤(2)得到的气凝胶颗粒放入烘箱中，于110℃～115℃下保持10min～15min。

28、进一步地，步骤(2)a中，活化液具体组成为每升乙醇含5～8gni2+和5～8g硼氢化钾，活化温度为35～60℃，活化时间为10～20min；

29、步骤(2)b中，化学镀镍液具体组成为ni2+4.5～6g/l、苹果酸5～15g/l、琥珀酸10～15g/l、醋酸钠15～25g/l、还原剂25～35g/l、启镀剂5～10g/l、表面活性剂3～8ppm、硫脲1～5ppm；其中，ni2+由醋酸镍、硫酸镍、碱式碳酸镍、氨基磺酸镍中的一种或几种提供，还原剂为次亚磷酸钠、二甲基胺硼烷、硼氢化钾中的一种，启镀剂为吲哚羧酸类化合物，表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或几种，溶剂为去离子水；化学镀镍液的施镀工艺为温度65～70℃、时间25～45min、ph8.5～9；

30、化学镀钴液具体组成为co2+5～8g/l、甘氨酸15～25g/l、乳酸15～25g/l、三乙醇胺1～5g/l、还原剂20～40g/l、启镀剂5～10g/l、表面活性剂3～8ppm、碘酸钾5～10ppm、硫脲1～3ppm；其中，co2+由硫酸钴、氨基磺酸钴、醋酸钴中的一种或几种提供，还原剂为次亚磷酸钠、二甲基胺硼烷、硼氢化钾中的一种，启镀剂为吲哚羧酸类化合物，表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或几种，溶剂为去离子水；化学镀钴液的施镀工艺为温度60～75℃、时间30～55min、ph6.5～7.5。

31、进一步地，步骤(4)中，电磁吸波微粒与高分子母粒质量比为5～15：85～95；所用双螺杆挤出机的长径比为15：1，转速为50～150r/min，双螺杆挤出机从进料端至出料端分为七区，温度设置为第一区120℃～150℃，第二区150℃～220℃，第三区180℃～250℃，第四区180℃～280℃，第五区200℃～250℃，第六区210℃～320℃，第七区220℃～350℃；

32、步骤(5)中，熔融纺丝的熔融温度为150～220℃、质量流速为5～20g/min、拉丝速度为1200～2000m/min，外施加磁场强度为0.1～0.3t；冷却条件为自然冷却。

33、上述各向异性电磁吸波纤维在复合材料上的应用。

34、进一步地，所述复合材料为树脂基复合材料或陶瓷基复合材料。

35、本发明的有益效果：

36、1、本发明各向异性电磁吸波纤维的制备方法简便易操作，过程绿色环保，成本低廉。

37、2、本发明各向异性电磁吸波纤维的制备使用的所有原料均无毒无害，易保存，不存在安全隐患，制备过程中也不会对人体和环境产生任何危害。

38、3、本发明各向异性电磁吸波纤维的制备创造性利用气凝胶的低介电性和其内部的多孔结构，并结合化学镀法涂敷金属层成功地开发出同时具备优异阻抗匹配特性和衰减特性性能的电磁吸波材料。本发明各向异性电磁吸波纤维为新型复合材料的开发应用提供参考价值。

39、4、本发明各向异性电磁吸波纤维内部的气凝胶颗粒分布均匀、一维排列有序(主要是利用在熔融纺丝阶段气凝胶颗粒还未固定位置，利用磁场对其作用一个外部力以实现一维排列有序)。

40、5、本发明各向异性电磁吸波纤维具有优异的力学性能，可实现同时具备多波段、宽频带、各向异性的多种吸波性能特征，且质量轻。

41、6、本发明各向异性电磁吸波纤维的制备使用到的化学镀，由于存在启镀剂的缘故可在较低温度环境(60～75℃)下呈现达到只有在较高温度环境(≥85℃)下的性能目标。