一种基于硅藻壳的吸波材料及其制备方法

本发明属于新材料，具体涉及一种基于硅藻壳的吸波材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着无线通信、雷达和电子设备的广泛应用，电磁辐射污染问题愈发受到关注，其对人类健康和环境可能造成潜在风险。电磁干扰(emi)和电磁兼容性(emc)已成为电子信息技术发展中的一大挑战，这催生了对电磁波吸波材料的研究。

2、吸波材料是一种使入射电磁波最大限度地进入到材料内部，并且能够有效吸收衰减入射电磁波，将其转化成热能等其它形式的能量而损耗掉或使电磁波因干涉而消失的一种功能材料。理想的吸波材料应具有吸收频带宽、质量轻、厚度薄、机械性能好、使用简便等特点。目前，传统吸波材料如金属粉末和碳素材料虽吸波效果显著，但存在重量大、易腐蚀、难以降解等问题，不利于环境保护。因此，研究与开发环保型全生物质吸波材料变得越发重要。然而全生物质吸波材料仍面临吸波性能、热稳定性等方面的挑战。

3、因此，亟需研发一种全生物质的环保型吸波材料，不仅可实现材料的回收利用，而且具有良好的吸波性能。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于硅藻壳的吸波材料及其制备方法，所述吸波材料具有质量轻、厚度薄和阻抗匹配性能优，最小反射损耗低的特点，同时所述吸波材料可循环利用，绿色环保。

2、为解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种吸波材料，所述吸波材料包括硅藻壳和碳气凝胶，所述碳气凝胶包覆于所述硅藻壳的表面；并且，所述碳气凝胶未完全包覆所述硅藻壳。

3、具体地，硅藻壳是一种多孔且表面积高的二氧化硅材料，具有复杂的微纳结构，将其应用于吸波材料中，有利于提高电磁损耗、降低电磁波反射以及优化阻抗匹配。本发明采用硅藻壳为基础骨架材料，以丰富吸波材料的孔结构，提高其阻抗匹配能力，从而允许更多的电磁波进入材料内部。同时，通过硅藻壳与碳气凝胶复合，使碳气凝胶部分包覆于硅藻壳的表面，形成“碳不完全包覆硅藻壳”结构。相对于完全包覆，不完全包覆结构更有利于电磁波的进入，并通过电阻损耗、介电损耗、多重散射损耗等损耗机制提高吸波材料的介电损耗能力。

4、优选地，所述吸波材料的表面元素包括c、si和o，所述表面元素按重量百分比计包括：c 80-85％，si 4-8％，o 10-15％。本发明的吸波材料的表面主要由c元素构成，并同时含有si元素和o元素，即碳气凝胶对硅藻壳形成不完全包覆，这种特定结构有利于提高吸波材料的介电损耗能力。

5、优选地，所述吸波材料具有多级孔洞结构，所述多级孔洞结构的孔径范围为2nm-400μm。本发明的吸波材料具有丰富的多级孔洞结构，孔隙大小从几纳米至数百微米，这些丰富的多级孔洞结构为电磁波提供了更多损耗与多重反射位点，从而有利于增强材料的吸波性能。

6、本发明的第二方面提供了上述吸波材料的制备方法，包括以下步骤：

7、(1)将硅藻壳加入纤维素水凝胶中，经混合、冷冻干燥，得复合气凝胶；

8、(2)将所述复合气凝胶在惰性气体保护下进行煅烧，得所述吸波材料。

9、具体地，本发明以环保可再生的物质硅藻壳和纤维素水凝胶为制备原料，通过简单的物理混合、冷冻干燥，制备复合气凝胶；然后对其进行煅烧碳化，形成具有丰富孔隙且碳不完全包覆硅藻壳结构的吸波材料，该吸波材料不仅具有轻质、厚度薄和阻抗匹配性能优的特点，而且最小反射损耗低，吸波性能优异。

10、优选地，所述纤维素水凝胶为含1.5wt％2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物自由基(trmpo)氧化纳米纤维素水凝胶。

11、优选地，所述纤维素水凝胶与所述硅藻壳的质量比为1：(0.001-0.005)；进一步优选地，所述纤维素水凝胶与所述硅藻壳的质量比为1：(0.003-0.005)。

12、优选地，步骤(1)中，所述混合的工艺为：先进行搅拌3-5小时，然后超声处理20-40min，再进行搅拌1-3小时。由于硅藻壳的主要成分为sio2，且颗粒尺寸在近微米级别，因此无需添加分散剂即可分散均匀。

13、优选地，步骤(1)中，所述冷冻干燥为先在-10℃至-20℃温度下冷冻24-36小时，然后在冷冻干燥机中干燥48-72小时。

14、优选地，步骤(1)中，所述煅烧的温度为850-950℃，所述煅烧的时间为2-4小时。

15、优选地，所述惰性气体为氮气。

16、本发明的第三方面提供述了上述吸波材料在无线通信、雷达或电子设备中的应用。

17、本发明的上述技术方案相对于现有技术，至少具有如下技术效果或优点：

18、(1)本发明的吸波材料由硅藻壳和碳气凝胶复合而成，且碳气凝胶部分包覆于硅藻壳的表面，形成“碳不完全包覆硅藻壳”结构。一方面硅藻壳有利于丰富吸波材料的孔结构，并提高吸波材料的阻抗匹配能力，允许更多的电磁波进入材料内部；另一方面不完全包覆结构更有利于电磁波的进入，并通过电阻损耗、介电损耗、多重散射损耗等损耗机制提高吸波材料的介电损耗能力。本发明的吸波材料具有轻质、厚度薄和阻抗匹配性能优，且最小反射损耗低的特点，可在2-18gh频段内，有效吸波带宽为4.08ghz，匹配厚度为1.65mm时，最小反射损耗达-59.00db。

19、(2)本发明的吸波材料在制备时，采用硅藻壳和纤维素水凝胶为原料，通过简单的物理混合、冷冻干燥和煅烧碳化工艺制得，制备工艺简单，原料环保、可再生，具有良好的应用前景。

技术特征：

1.一种吸波材料，其特征在于，所述吸波材料包括硅藻壳和碳气凝胶，所述碳气凝胶包覆于所述硅藻壳的表面；并且，所述碳气凝胶未完全包覆所述硅藻壳。

2.根据权利要求1所述的吸波材料，其特征在于，所述吸波材料的表面元素包括c、si和o，所述表面元素按重量百分比计包括：c 80-85％，si 4-8％，o 10-15％。

3.根据权利要求1或2所述的吸波材料，其特征在于，所述吸波材料具有多级孔洞结构，所述多级孔洞结构的孔径范围为2nm-400μm。

4.一种如权利要求1至3任意一项所述的吸波材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的吸波材料的制备方法，其特征在于，所述纤维素水凝胶与所述硅藻壳的质量比为1：(0.001-0.005)。

6.根据权利要求4所述的吸波材料的制备方法，其特征在于，所述纤维素水凝胶与所述硅藻壳的质量比为1：(0.003-0.005)。

7.根据权利要求4所述的吸波材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述冷冻的温度为-10℃至-20℃。

8.根据权利要求4所述的吸波材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述煅烧的温度为850-950℃。

9.根据权利要求4所述的吸波材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述惰性气体为氮气。

10.权利要求1至4任意一项所述的吸波材料在无线通信、雷达或电子设备中的应用。

技术总结本发明公开了一种基于硅藻壳的吸波材料及其制备方法，该吸波材料包括硅藻壳和碳气凝胶，碳气凝胶包覆于硅藻壳的表面；并且，碳气凝胶未完全包覆硅藻壳。本发明的吸波材料具有碳不完全包覆硅藻壳结构，一方面硅藻壳有利于丰富吸波材料的孔结构，并提高吸波材料的阻抗匹配能力，允许更多的电磁波进入材料内部；另一方面不完全包覆结构有利于电磁波的进入，并通过电阻损耗、介电损耗、多重散射损耗等损耗机制提高吸波材料的介电损耗能力。本发明的吸波材料具有轻质、厚度薄和阻抗匹配性能优，且最小反射损耗低的特点，可在2‑18GH频段内，有效吸波带宽为4.08GHz，匹配厚度为1.65mm时，最小反射损耗达‑59.00dB。技术研发人员：孙大陟,孙浩洋,李茂宁,杜清源,李丹丹受保护的技术使用者：南方科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11