本發(fā)明涉及吸波材料技術領域，具體涉及一種結構吸波材料及其制備方法。
背景技術：
電磁波吸收體是一種能有效吸收入射電磁波，顯著降低回波強度的功能復合材料，在軍用隱身、民用電磁防護和抗電磁干擾領域有重要的應用。目前較為成熟的吸波材料結構包括Salisbury屏、Dallenbach屏、Jaumann吸波體、多層匹配結構等。其中Salisbury吸收體吸收頻段窄；Dallenbach吸收體受目前材料電磁參數頻散效應的限制，難以實現寬頻吸收；Jaumann吸收體設計簡單，吸收頻段寬，但材料厚度較大是其主要缺陷。現代技術的發(fā)展，對吸波材料提出了更高的要求，結構型吸波復合材料采用纖維增強體，進行吸波性能和力學性能綜合一體化設計，從而兼具吸波和承載的雙重功能，已經成為吸波材料研究領域的一個重要方向。
從結構吸波材料研究現狀來看，目前較為常用的方法是將吸波涂料噴涂或者浸涂到纖維增強體基材上，制備得到單層的吸波基材，然后在高溫高壓條件下，使用膠膜或相應的粘合劑將單層的吸波基材粘合到一起最后制備得到結構型吸波材料。
但是這種制備方法周期長，效率低，溶劑型涂料大量的使用，造成高揮發(fā)性有機化合物VOC的排放，不符合環(huán)保及可持續(xù)性發(fā)展的要求。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種結構吸波材料及其制備方法。
為達到以上目的，本發(fā)明采取的技術方案是：
一種結構吸波材料，其特征在于：所述結構吸波材料為多層復合吸波材料，由透波層、阻抗匹配層、反射層和至少一吸波層復合而成，所述透波層由高分子樹脂組成，所述阻抗匹配層由高分子樹脂和導電炭黑組成，所述吸波層由高分子樹脂和吸收劑組成，所述反射層由高分子樹脂和短切碳纖維組成。
在上述技術方案的基礎上，所述結構吸波材料的總厚度為4mm～10mm，所述透波層的厚度為1mm～4mm，所述阻抗匹配層的厚度為0.5mm～1mm，所有所述吸波層的厚度之和為2mm～4mm，所述反射層的厚度為0.5mm～1mm。
在上述技術方案的基礎上，所述結構吸波材料由單層的所述透波層、阻抗匹配層、反射層和多層的所述吸波層組成。
在上述技術方案的基礎上，所述阻抗匹配層中導電碳黑的重量百分含量為5％～20％，所述吸波層中吸收劑的重量百分含量為65％～85％，所述反射層中短切碳纖維的重量百分含量為15％～50％。
在上述技術方案的基礎上，所述導電炭黑的電阻率不大于3.0Ω·m，視比容為(30～50)cm3/g。
在上述技術方案的基礎上，所述吸收劑包括羰基鐵粉、鐵氧體粉末、鐵硅鉻或鐵硅鋁合金粉末的一種或者多種。
在上述技術方案的基礎上，所述短切碳纖維的長度不超過3mm，電阻率不大于1.0Ω·cm。
本發(fā)明還提供了一種上述結構吸波材料的制備方法，包括以下步驟：
S1：按照一定的比例配好高分子樹脂和導電炭黑、高分子樹脂和吸收劑、高分子樹脂和短切碳纖維；
S2：分別將高分子樹脂和導電炭黑、高分子樹脂和吸收劑、高分子樹脂和短切碳纖維放入高速攪拌機混合均勻，分別得到用于制作阻抗匹配層、吸波層和反射層的物料；
S3：將高分子樹脂物料和已混合均勻的物料分開投入到多層共擠擠出機中，通過采用多層共擠加工成型工藝，分別形成透波層、阻抗匹配層、吸波層和反射層，并將其復合成結構吸波材料。
在上述技術方案的基礎上，所述多層共擠擠出機包括至少四個雙螺桿擠出機，四個所述雙螺桿擠出機分別對應加工所述透波層、阻抗匹配層、吸波層和反射層。
在上述技術方案的基礎上，通過控制雙螺桿擠出機的溫度和轉速參數來調整相應所述透波層、阻抗匹配層、吸波層或反射層的厚度。
與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：
(1)本發(fā)明的結構吸波材料由透波層、阻抗匹配層、反射層和至少一吸波層復合而成，無需使用涂料，健康環(huán)保，可減少環(huán)境污染，而且結構簡單，加工方便。
(2)本發(fā)明的結構吸波材料制備方法工序簡單，一體化成型，加工效率高，加工精度高，制備成本低。
具體實施方式
以下結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
本發(fā)明提供一種結構吸波材料，結構吸波材料為多層復合吸波材料，由透波層、阻抗匹配層、反射層和至少一吸波層復合而成，透波層由高分子樹脂組成，阻抗匹配層由高分子樹脂和導電炭黑組成，吸波層由高分子樹脂和吸收劑組成，反射層由高分子樹脂和短切碳纖維組成。
結構吸波材料的總厚度為4mm～10mm，透波層的厚度為1mm～4mm，阻抗匹配層的厚度為0.5mm～1mm，所有吸波層的厚度之和為2mm～4mm，反射層的厚度為0.5mm～1mm。
在具體實施過程中，結構吸波材料可以由單層的透波層、阻抗匹配層、反射層和多層的吸波層組成。高分子樹脂可以為PA11、PA6、PA66、PA1010、ABS、PVC的一種或者多種。
阻抗匹配層中導電碳黑的重量百分含量為5％～20％，吸波層中吸收劑的重量百分含量為65％～85％，反射層中短切碳纖維的重量百分含量為15％～50％。其中，導電炭黑的電阻率不大于3.0Ω·m，視比容為(30～50)cm3/g；吸收劑包括羰基鐵粉、鐵氧體粉末、鐵硅鉻/鐵硅鋁合金粉末的一種或者多種；短切碳纖維的長度不超過3mm，電阻率不大于1.0Ω·cm。
本發(fā)明還提供了一種上述結構吸波材料的制備方法，包括以下步驟：
S1：按照一定的比例配好高分子樹脂和導電炭黑、高分子樹脂和吸收劑、高分子樹脂和短切碳纖維；
S2：分別將高分子樹脂和導電炭黑、高分子樹脂和吸收劑、高分子樹脂和短切碳纖維放入高速攪拌機混合均勻，分別得到用于制作阻抗匹配層、吸波層和反射層的物料；
S3：將高分子樹脂物料和已混合均勻的物料分開投入到多層共擠擠出機中，通過采用多層共擠加工成型工藝，分別形成透波層、阻抗匹配層、吸波層和反射層，并將其復合成結構吸波材料。
多層共擠擠出機包括至少四個雙螺桿擠出機，四個雙螺桿擠出機分別對應加工透波層、阻抗匹配層、吸波層和反射層。可以通過控制雙螺桿擠出機的溫度和轉速參數來調整相應透波層、阻抗匹配層、吸波層或反射層的厚度。
以下通過6個實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
實施例1
根據吸波結構板所需要的性能要求，設計結構吸波材料總厚度為4mm，其中透波層的厚度為1mm、阻抗匹配層的厚度為0.5mm、吸波層的厚度為2mm、反射層的厚度為0.5mm。其中透波層成分為PA11樹脂層、阻抗匹配層成分為5質量份的導電炭黑與95質量份的PA11樹脂共混物、吸波層成分為65質量份的羰基鐵粉與35質量份PA11樹脂共混物、反射層成分為15質量份的短切碳纖維與85質量份的PA11樹脂共混物。
此結構吸波材料的制備方法中，透波層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為165℃，熔融段溫度設定為185℃，混煉段溫度設定為205℃，雙螺桿擠出機轉速為300r·min-1；阻抗匹配層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為165℃，熔融段溫度設定為205℃，混煉段溫度設定為215℃，雙螺桿擠出機轉速為280r·min-1；吸波層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為165℃，熔融段溫度設定為225℃，混煉段溫度設定為245℃，雙螺桿擠出機轉速為450r·min-1；反射層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為165℃，熔融段溫度設定為205℃，混煉段溫度設定為215℃，雙螺桿擠出機轉速為280r·min-1。
此結構吸波材料在4GHz～8GHz波段范圍內反射率≤-7dB，拉伸強度為203.2MPa，彎曲強度為157.1MPa，層間剪切強度為46.8MPa。
實施例2
根據吸波結構板所需要的性能要求，設計結構吸波材料總厚度為10mm，其中透波層的厚度為4mm、阻抗匹配層的厚度為1mm、吸波層的厚度為4mm、反射層的厚度為1mm。其中透波層成分為PA6樹脂層、阻抗匹配層成分為20質量份的導電炭黑與80質量份的PA6樹脂共混物、吸波層成分為85質量份的鐵氧體粉與15質量份PA6樹脂共混物、反射層成分為50質量份的短切碳纖維與50質量份的PA6樹脂共混物。
此結構吸波材料的制備方法中，透波層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為220℃，熔融段溫度設定為255℃，混煉段溫度設定為260℃，雙螺桿擠出機轉速為400r·min-1；阻抗匹配層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為220℃，熔融段溫度設定為255℃，混煉段溫度設定為265℃，雙螺桿擠出機轉速為350r·min-1；吸波層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為230℃，熔融段溫度設定為255℃，混煉段溫度設定為275℃，雙螺桿擠出機轉速為600r·min-1；反射層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為225℃，熔融段溫度設定為255℃，混煉段溫度設定為275℃，雙螺桿擠出機轉速為350r·min-1。
此結構吸波材料在2GHz～18GHz波段范圍內反射率≤-12dB。此結構吸波材料的拉伸強度為253.4MPa，彎曲強度為187.1MPa，層間剪切強度為44.7MPa。
實施例3
根據吸波結構板所需要的性能要求，設計結構吸波材料總厚度為8mm，其中透波層的厚度為2mm、阻抗匹配層的厚度為1mm、吸波層的厚度為4mm、反射層的厚度為1mm。其中透波層成分為PA66樹脂層、阻抗匹配層成分為10質量份的導電炭黑與90質量份的PA66樹脂共混物、吸波層成分為70質量份的鐵硅鋁微粉與30質量份PA66樹脂共混物、反射層成分為20質量份的短切碳纖維與80質量份的PA66樹脂共混物。
此結構吸波材料的制備方法中，透波層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為240℃，熔融段溫度設定為290℃，混煉段溫度設定為280℃，雙螺桿擠出機轉速為300r·min-1；阻抗匹配層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為250℃，熔融段溫度設定為285℃，混煉段溫度設定為295℃，雙螺桿擠出機轉速為250r·min-1；吸波層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為245℃，熔融段溫度設定為285℃，混煉段溫度設定為305℃，雙螺桿擠出機轉速為450r·min-1；反射層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為245℃，熔融段溫度設定為285℃，混煉段溫度設定為305℃，雙螺桿擠出機轉速為250r·min-1。
此結構吸波材料在2GHz～18GHz波段范圍內反射率≤-10dB。此結構吸波材料的拉伸強度為216.9MPa，彎曲強度為151.7MPa，層間剪切強度為53.2MPa。
實施例4
根據吸波結構板所需要的性能要求，設計結構吸波材料總厚度為7mm，其中透波層的厚度為3mm、阻抗匹配層的厚度為0.5mm、吸波層的厚度為3mm、反射層的厚度為0.5mm。其中透波層成分為PA1010樹脂層、阻抗匹配層成分為12質量份的導電炭黑與88質量份的PA1010樹脂共混物、吸波層成分為80質量份的鐵硅鉻微粉與20質量份PA1010樹脂共混物、反射層成分為30質量份的短切碳纖維與70質量份的PA1010樹脂共混物。
此結構吸波材料的制備方法中，透波層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為240℃，熔融段溫度設定為260℃，混煉段溫度設定為280℃，雙螺桿擠出機轉速為350r·min-1；阻抗匹配層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為250℃，熔融段溫度設定為285℃，混煉段溫度設定為295℃，雙螺桿擠出機轉速為250r·min-1；吸波層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為245℃，熔融段溫度設定為265℃，混煉段溫度設定為285℃，雙螺桿擠出機轉速為550r·min-1；反射層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為245℃，熔融段溫度設定為265℃，混煉段溫度設定為275℃，雙螺桿擠出機轉速為250r·min-1。
此結構吸波材料在2GHz～18GHz波段范圍內反射率≤-8dB。此結構吸波材料的拉伸強度為255.1MPa，彎曲強度為147.6MPa，層間剪切強度為49.7MPa。
實施例5
根據吸波結構板所需要的性能要求，設計結構吸波材料總厚度為6mm，此結構吸波材料包括兩層吸波層，其中透波層的厚度為1mm、阻抗匹配層的厚度為1mm、第一層吸波層的厚度為2mm、第二層吸波層的厚度為1.5mm、反射層的厚度為0.5mm。其中透波層成分為ABS樹脂層、阻抗匹配層成分為18質量份的導電炭黑與82質量份的ABS樹脂共混物、第一層吸波層成分為70質量份的羰基鐵粉與30質量份ABS樹脂共混物、第二層吸波層成分為80質量份的鐵硅鋁微粉與20質量份的ABS樹脂共混物、反射層成分為40質量份的短切碳纖維與60質量份的ABS樹脂共混物。
此結構吸波材料的制備方法中，多層共擠擠出機包括五個雙螺桿擠出機。透波層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為190℃，熔融段溫度設定為210℃，混煉段溫度設定為220℃，雙螺桿擠出機轉速為350r·min-1；阻抗匹配層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為190℃，熔融段溫度設定為225℃，混煉段溫度設定為245℃，雙螺桿擠出機轉速為350r·min-1；第一層吸波層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為195℃，熔融段溫度設定為225℃，混煉段溫度設定為245℃，雙螺桿擠出機轉速為500r·min-1；第二層吸波層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為195℃，熔融段溫度設定為215℃，混煉段溫度設定為225℃，雙螺桿擠出機轉速為450r·min-1；反射層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為195℃，熔融段溫度設定為215℃，混煉段溫度設定為235℃，雙螺桿擠出機轉速為300r·min-1。
此結構吸波材料在1GHz～4GHz波段范圍內反射率≤-8dB。此結構吸波材料的拉伸強度為237.7MPa，彎曲強度為151.6MPa，層間剪切強度為43.7MPa。
實施例6
根據吸波結構板所需要的性能要求，設計結構吸波材料總厚度為5mm，此結構吸波材料包括兩層吸波層，其中透波層的厚度為2mm、阻抗匹配層的厚度為0.5mm、第一層吸波層的厚度為1mm、第二層吸波層的厚度為1mm、反射層的厚度為0.5mm。其中透波層成分為PVC樹脂層、阻抗匹配層成分為16質量份的導電炭黑與84質量份的PVC樹脂共混物、吸波層1成分為65質量份的鐵氧體粉與35質量份PVC樹脂共混物、吸波層2成分為80質量份的鐵硅鉻微粉與20質量份的PVC樹脂共混物、反射層成分為20質量份的短切碳纖維與80質量份的PVC樹脂共混物。
此結構吸波材料的制備方法中，多層共擠擠出機包括五個雙螺桿擠出機。透波層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為80℃，熔融段溫度設定為110℃，混煉段溫度設定為120℃，雙螺桿擠出機轉速為300r·min-1；阻抗匹配層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為90℃，熔融段溫度設定為115℃，混煉段溫度設定為125℃，雙螺桿擠出機轉速為300r·min-1；第一層吸波層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為75℃，熔融段溫度設定為125℃，混煉段溫度設定為135℃，雙螺桿擠出機轉速為350r·min-1；第二層吸波層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為75℃，熔融段溫度設定為135℃，混煉段溫度設定為140℃，雙螺桿擠出機轉速為350r·min-1；反射層對應的雙螺桿擠出機輸送段溫度設定為95℃，熔融段溫度設定為115℃，混煉段溫度設定為135℃，雙螺桿擠出機轉速為300r·min-1。
此結構吸波材料在4GHz～8GHz波段范圍內反射率≤-10dB。此結構吸波材料的拉伸強度為246.1MPa，彎曲強度為137.4MPa，層間剪切強度為38.4MPa。
本發(fā)明不局限于上述實施方式，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明的保護范圍之內。本說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現有技術。