一种增强电磁波传输的陶瓷气凝胶纤维及其制备方法

本发明属于透波材料制备领域，具体涉及一种增强电磁波传输的陶瓷气凝胶纤维及其制备方法。

背景技术：

1、随着通信技术的快速发展，我国的6g技术将逐渐推进。与5g技术相比，6g技术将完成空、天、地、海的全面覆盖，所以6g电子设备的工作场景将被大幅扩大，尤其是海洋环境中。然而，海水因具有高湿度特性，呈现出高介电性能，电磁波传输过程中面临着严重的反射及衰减问题，进而导致海洋设备网络通讯效率低、数据传输慢的难题。因此，开发具有水下增强电磁波传输的材料十分迫切。

2、目前，中国专利《一种耐海洋环境结构功能一体化透波复合材料及其制备方法》(申请号：202110073342.6，公告日：2021.05.07)公开了一种海洋环境下结构功能一体化透波复合材料及其制备方法，通过上下两层耐海洋环境透波层蒙皮和位于上下两层透波层蒙皮之间的高模量透波层芯材复合，形成耐海洋环境结构功能一体化透波夹芯复合材料；耐海洋环境透波层蒙皮能够有效保护内部高模量透波层芯材免受外部潮湿海洋环境的影响，然而这并未考虑到透波层芯材内电磁波沿蒙皮泄露，从而进入海洋环境而快速衰减的问题。

3、气凝胶纤维由于其高比面积、高孔隙率、低密度、低导热率及可编织性，广泛用于保温材料、可穿戴纺织品及电子产品。考虑其高孔隙率及低密度特性，将气凝胶纤维赋予多功能化具有广阔的应用前景。例如，hou等人报道了一种吸湿性多孔石墨烯气凝胶纤维(licl@hgafs)具有高效的水分捕获、热量分配和微波吸收的综合功能，可以通过光热和电热两种方法进行再生。而且，随着水的吸附和解吸，licl@hgafs经历了一个高效的传热过程，储热容量为6.93kj/g。在被捕获的水中，licl@hgafs表现出较宽的微波吸收，带宽为9.69ghz，良好的阻抗匹配。然而，目前大多数气凝胶纤维研究多聚焦于有机材料，这对于长期应用于严苛的海洋环境中存在局限性。相比之下，无机气凝胶纤维由于性质稳定而具有明显的优势，同时再赋予陶瓷气凝胶纤维疏水及定向磁波传输等功能对于保持在海洋环境下电子设备的工作场景将被大幅扩大具有十分重要作用。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种增强电磁波传输的陶瓷气凝胶纤维及其制备方法，解决了目前海洋环境中电子设备电磁波传输效率低及数据传输慢的问题。

2、为实现上述目的，本发明所采用以下技术方案：

3、一种增强电磁波传输的陶瓷气凝胶纤维的制备方法，具体按以下步骤实施：

4、步骤1，配制纺丝液；

5、将陶瓷粉体和氯盐加入有机溶剂中分散搅拌2-12h，制备纺丝a液；将含硅前驱体和催化剂加入到有机溶剂中搅拌2-12h，获得纺丝b液；

6、步骤2，同轴纺丝及两步湿法处理；

7、将纺丝a液注入同轴内针，将纺丝b液注入同轴外针，选择合适的推进速度进行纺丝处理；将纺丝处理得到的纤维先注入于凝固浴1中凝固处理，随后置于凝固浴2中凝固处理，收集得到湿凝胶纤维；

8、步骤3，辐照处理；

9、将步骤2中湿凝胶纤维进行辐照处理，获得辐照处理的湿凝胶纤维；

10、步骤4，干燥处理；

11、将步骤3中得到的辐照处理的湿凝胶纤维在-20～-40℃下进行冷冻干燥24h，得到可用于海洋环境中增强电磁波传输的陶瓷气凝胶纤维。

12、进一步地，步骤1中纺丝a液和纺丝b液按质量百分比由以下物质组成，纺丝a液：陶瓷粉体2～10％，氯盐0％～5％，有机溶剂85％～98％，以上组分总和为100％，其中陶瓷粉体为氮化硼、氮化硅、氮氧化硅中的任意一种，氯盐为氯化钠、氯化锂、氯化钾中的任意一种，有机溶剂为丙醇、甲醇、乙二醇、一缩二乙二醇中的任意一种；纺丝b液：含硅前驱体5％～15％，催化剂1％～5％和有机溶剂80％～94％，以上组分总和为100％，其中含硅前驱体为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、四甲基硅烷中的任意一种，催化剂为盐酸、氨水、醋酸中的任意一种，有机溶剂为乙醇、丙醇、甲醇、乙二醇、一缩二乙二醇、二甲基亚砜中的任意一种。

13、进一步地，步骤2中同轴内针的直径为0.3～0.6mm，同轴外针的直径为0.6～1.2mm，推进速度为150～400μl/min。

14、进一步地，步骤2中凝固浴1的组成为含有10～30％氨水、5～15％疏水剂和1～5％硝酸盐的乙醇溶液，凝固浴2的组成为30％～50％乙醇、10～20％丙酸、10～20％丙酮和0.2～1wt％氯化钙的水溶液，在凝固浴1和2中的处理时间分别为2-24h。

15、进一步地，步骤2中的疏水剂为聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚甲基酸甲中的任意一种。

16、进一步地，步骤2中的硝酸盐为硝酸银、硝酸镍、硝酸铜中的任意一种。

17、进一步地，步骤3中辐照处理的光源为300～1000w的汞灯，光照时间为2～4h。

18、一种增强电磁波传输的陶瓷气凝胶纤维的制备方法制备得到的陶瓷气凝胶纤维。

19、本发明的有益效果是：

20、一种用增强电磁波传输的陶瓷气凝胶纤维及其制备方法，本发明制备的陶瓷气凝胶纤维内层具有有序的多孔结构、中间致密层疏水，最外层具有金属涂层保护，纤维内层的多孔结构有利于实现材料良好的阻抗匹配，促使电磁波的进入，而纤维的致密层疏水确保消除水进入材料内部对其性能的影响，另外，纤维表面的金属涂层可避免内部电磁信号泄露问题，并保证电磁波沿纤维内部传输，以实现电磁信号在纤维内稳定且快速的传输，在海下通讯设备等领域中具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种增强电磁波传输的陶瓷气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：

2.根据权利要求1所述的一种增强电磁波传输的陶瓷气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，步骤1中纺丝a液和纺丝b液按质量百分比由以下物质组成，纺丝a液：陶瓷粉体2～10％，氯盐0％～5％，有机溶剂85％～98％，以上组分总和为100％，其中陶瓷粉体为氮化硼、氮化硅、氮氧化硅中的任意一种，氯盐为氯化钠、氯化锂、氯化钾中的任意一种，有机溶剂为丙醇、甲醇、乙二醇、一缩二乙二醇中的任意一种；纺丝b液：含硅前驱体5％～15％，催化剂1％～5％和有机溶剂80％～94％，以上组分总和为100％，其中含硅前驱体为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、四甲基硅烷中的任意一种，催化剂为盐酸、氨水、醋酸中的任意一种，有机溶剂为乙醇、丙醇、甲醇、乙二醇、一缩二乙二醇、二甲基亚砜中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种增强电磁波传输的陶瓷气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，步骤2中同轴内针的直径为0.3～0.6mm，同轴外针的直径为0.6～1.2mm，推进速度为150～400μl/min。

4.根据权利要求1所述的一种增强电磁波传输的陶瓷气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，步骤2中凝固浴1的组成为含有10～30％氨水、5～15％疏水剂和1～5％硝酸盐的乙醇溶液，凝固浴2的组成为30％～50％乙醇、10～20％丙酸、10～20％丙酮和0.2～1wt％氯化钙的水溶液，在凝固浴1和2中的处理时间分别为2-24h。

5.根据权利要求4所述的一种增强电磁波传输的陶瓷气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，步骤2中的疏水剂为聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚甲基酸甲中的任意一种。

6.根据权利要求4所述的一种增强电磁波传输的陶瓷气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，步骤2中的硝酸盐为硝酸银、硝酸镍、硝酸铜中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的一种增强电磁波传输的陶瓷气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，步骤3中辐照处理的光源为300～1000w的汞灯，光照时间为2～4h。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种增强电磁波传输的陶瓷气凝胶纤维的制备方法制备得到的陶瓷气凝胶纤维。

技术总结本发明公开了一种增强电磁波传输的陶瓷气凝胶纤维及其制备方法，首先配制纺丝A液和B液；其次将纺丝A液和B液分别注入同轴内针和外针，并以一定推进速度进行同轴纺丝及两步湿法处理；依次通过辐照和干燥处理得到陶瓷气凝胶纤维；本发明制备的陶瓷气凝胶纤维由有序多孔化的内层、疏水的致密层和金属涂层构成，纤维内层的多孔结构有利于实现材料良好的阻抗匹配，促使电磁波的进入，致密层确保消除水进入材料内部对其性能的影响，金属涂层可避免内部电磁信号泄露问题，并保证电磁波沿纤维内部传输，以实现电磁信号在纤维内稳定且快速的传输，在海下通讯设备等领域中具有广阔的应用前景。技术研发人员：汤玉斐,谢章雯,孟钰茜,唐晨,赵康,蒋君毅,刘照伟受保护的技术使用者：西安理工大学技术研发日：技术公布日：2024/5/16