一体化渐变梯度泡沫炭太赫兹吸波材料及其制备方法

1.本发明属于太赫兹吸波技术领域，具体提供一体化渐变梯度泡沫炭太赫兹吸波材料及其制备方法，主要利用微波的选择性吸波加热特性制得渐变梯度泡沫炭并作为太赫兹频段的吸波材料。


背景技术：

2.随着毫米波与太赫兹技术的快速发展，对高性能吸波材料的需求日益增强，尤其在电磁屏蔽、无线通信、安检成像、雷达探测、大气遥感和天文探测等方面显示了巨大的应用价值；其中，梯度平板型电磁吸波材料可以通过材料结构设计或优化提高其与自由空间的阻抗匹配特性，将更多电磁波引入材料内部进行电磁波吸收，并结合材料层间界面多重损耗作用，达到高电磁吸波性能的目的。
3.目前，常用的梯度平板型电磁吸波材料主要是浸渍法制备的层状pu泡沫(foam)或多层复合的涂层材料；其中，涂层材料的表面层通常较为平整，电磁波在材料表面容易发生反射，减少电磁波进入材料内部，使电磁吸波性能有一定局限性。与之相比，浸渍法制备的层状pu泡沫能够达到更好的电磁波吸收性能，如文献“high-performance electromagnetic wave absorption by designing themultilayer graphene/thermoplastic polyurethane porous composites withgradient foam ratio structure”中，li等人利用tpu泡沫浸渍石墨烯溶液得到不同介电常数的单层泡沫，然后用商用粘连剂制得多层梯度材料，其电磁损耗相比同等厚度下的单层材料提高了20db；然而，单层泡沫之间通过粘合剂粘结，在高温或者潮湿条件下粘合剂容易失效，进而影响多层梯度结构的功效；并且，pu泡沫耐压的机械性能差，在使用过程中浸渍的吸波剂容易发生脱落，影响吸波剂的损耗功效。由此可见，设计一种制备简易、性能稳定且满足实用化需求的太赫兹吸波材料仍是急需解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种一体化渐变梯度泡沫炭太赫兹吸波材料及其制备方法，用以解决解决现有多层梯度电磁吸波材料存在的吸波剂容易脱落及粘连剂高温失效等问题。本发明利用微波的选择性吸波加热特性提出选择性烧结工艺，并通过选着性烧结工艺成功制备得到一体化渐变梯度泡沫炭，无需掺杂或浸渍其他吸波剂，在不改变材料的组分的前提下原位形成梯度结构，实现多层梯度材料的太赫兹吸波功效。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一体化渐变梯度泡沫炭太赫兹吸波材料，其特征在于，所述太赫兹吸波材料的基体为发泡型泡沫炭块材，所述基体经过微波的选择性烧结后形成梯度太赫兹吸波材料，其顶面为太赫兹波入射面、且太赫兹波反射率沿太赫兹波传播方向呈渐变递增。
7.进一步的，上述一体化渐变梯度泡沫炭太赫兹吸波材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.步骤1.将发泡型泡沫炭原料切割为预设尺寸的块材，并清洁备用；
9.步骤2.将泡沫炭块材放置于烧结容器中、并位于中心位置，再向烧结容器中加入碳粉直至埋覆泡沫炭块材的底部，埋覆高度为泡沫炭块材高度的1/3～1/2；
10.步骤3.将烧结容器转移至微波反应腔室内，密封反应腔室后通入氩气作为保护气氛，在微波功率为200w～300w条件下烧结3～10min，自然降温后得到一体化渐变梯度泡沫炭太赫兹吸波材料。
11.从工作原理上讲：
12.微波烧结作为常用的一种电子陶瓷的快速烧结方法，区别于其他烧结方法的最大特点是其独特的加热机理；所谓微波烧结是指微波直接与物质粒子(分子、离子)相互作用，利用材料的介电损耗使样品直接吸收微波能量从而得以加热烧结；简言之，微波烧结是利用微波加热来对材料进行烧结。因此，微波烧结要求样品材料需要具备良好的微波吸收能力(具有电损耗或磁损耗)等特性，比如介电材料、粉末冶金、磁性材料等；而本文用到的泡沫炭均为发泡型后的原料，其介电常数低，电损耗特性差，几乎不能吸微波，通常不会直接采用微波烧结处理。
13.正是基于微波烧结与泡沫炭各自存在的上述特性，本发明创造性的提出了基于微波烧结的选择性烧结工艺，采用具有介电常数较高的导电炭黑作微波烧结的辅料，将泡沫炭部分埋覆于导电炭黑中，在微波烧结过程中通过导电炭黑吸收微波转化为热能，在局部区域位置产生加热炭化作用，实现对泡沫炭被埋覆部分的选择性烧结，最终成功制备得到一体化渐变梯度泡沫炭太赫兹吸波材料；该太赫兹吸波材料为一体化块材，在不改变材料的组分的前提下原位形成梯度结构，由顶面向底面(太赫兹波传播方向)对太赫兹波的反射损耗呈渐变递增特性，即采用一体化单层块材实现多层梯度材料的太赫兹吸波功效。
14.综上所述，本发明的有益效果在于：
15.本发明提出一种基于微波的选择性烧结工艺，并通过选择性烧结工艺成功制备得到一体化渐变梯度泡沫炭，一体化渐变梯度泡沫炭无需掺杂或浸渍其他吸波剂，在不改变材料的组分的前提下原位形成梯度结构，其对太赫兹波的反射损耗沿太赫兹波传播方向(由顶面入射)呈渐变递增特性，表面的低反射使其与空气产生良好的阻抗匹配以引入更多电磁波、而内部等效形成渐变的吸波层，有效吸收损耗电磁波，即实现多层梯度材料的太赫兹吸波功效。
16.由此可见，本发明既能解决吸波剂容易脱落的问题，又能解决层状梯度材料中粘连剂高温失效的问题；并且，泡沫炭原料价格低廉、来源广泛，一体化渐变梯度泡沫炭制备工艺简单，且具有可调控性好、迅速便捷、环保节能等优势。
附图说明
17.图1为本发明实施例中泡沫炭块材在微波烧结过程中的实物图。
18.图2为本发明实施例中一体化渐变梯度泡沫炭的太赫兹成像图。
19.图3为本发明实施例中一体化渐变梯度泡沫炭的raman图。
20.图4为本发明实施例中一体化渐变梯度泡沫炭的太赫兹吸波性能图。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
22.本实施例提供一种一体化渐变梯度泡沫炭太赫兹吸波材料，由以下步骤制备得到：
23.步骤1.利用锯条将泡沫炭原料切割为10
×6×
6mm3(长
×
宽
×
高)的长方体块材，并用洗耳球吹去碎屑及粉尘、以实现清洁；
24.步骤2.将泡沫炭块材放置于坩埚的中心位置，并向烧结容器中加入碳粉直至埋覆泡沫炭块材的底部，埋覆高度为泡沫炭块材高度的1/3；
25.步骤3.将烧结容器转移至微波反应腔室内，密封反应腔室后通入氩气作为保护气氛，打开冷却循环水，待通气3min(排出腔室空气)后打开微波源开关，在微波功率200w(经红外温度探测器测试温度约800℃)下持续烧结6min后关闭微波，自然降温后得到一体化渐变梯度泡沫炭太赫兹吸波材料。
26.进一步的，如图1所示为本实施例中泡沫炭块材在微波烧结过程中的实物图，位于中心的泡沫炭块材的温度约为200℃，而用于埋覆泡沫炭块材的导电炭黑粉的温度约800℃，同样表明本发明能够实现对泡沫炭块材被埋覆部分的选择性烧结。
27.进一步的，采用太赫兹时域光谱分析仪对本实施例制备得一体化渐变梯度泡沫炭进行太赫兹成像测试，其结果如图2所示；由图可见，在底部的区域
③
显示的反射率最大，区域
②
的反射率逐渐减小，区域
①
的反射率最低；由此可见，本实施例中经过选择性烧结后的泡沫炭块材具备渐变梯度结构，能够等效划分为区域
①
、区域
②
、区域
③
，实现太赫兹波吸收效能。
28.进一步的，采用拉曼光谱仪对本实施例制备得一体化渐变梯度泡沫炭进行拉曼测试，其结果如图3所示；由图可见，所有曲线都在1343cm-1
和1587cm-1
位置出现两个主要的d峰和g峰，d峰与晶体结构的无序性和缺陷有关系，g峰代表样品的石墨化程度，经过微波的选择性烧结，在区域
②
的拉曼图谱出现了2d峰，这说明导电炭黑的埋覆使得泡沫炭烧结温度增大，石墨化程度增大，导电性增强。
29.进一步的，采用太赫兹时域光谱分析仪测量本实施例制备得一体化渐变梯度泡沫炭在0.2～1thz的吸收性能，经过傅里叶变换得到如图4所示的数据图；由图4中(a)可见，区域
①
、
②
、
③
的反射率不断增大，这是由于接触到导电炭黑的位置烧结温度高，会使材料炭化而导电性增强，从而反射率增大；计算得到反射损耗如图4中(b)所示，相比局部区域位置泡沫炭的效果，形成梯度结构的一体化渐变泡沫炭的反射损耗在频段范围内均低于-10db，实现了宽带的有效吸收；这种一体化多层结构能使电磁波更多进入材料内部，而后进行反射损耗实现良好吸收。
30.综上所述，本发明通过基于微波烧结的选择性烧结工艺成功制备得到一体化渐变梯度泡沫炭太赫兹吸波材料，能够有效解决层状梯度材料的粘结性差、梯度浓度组分衰变等问题。
31.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

技术特征：
1.一体化渐变梯度泡沫炭太赫兹吸波材料，其特征在于，所述太赫兹吸波材料的基体为发泡型泡沫炭块材，所述基体经过微波选择性烧结后形成梯度太赫兹吸波材料，其顶面为太赫兹波入射面、且太赫兹波反射率沿太赫兹波传播方向呈渐变递增。2.按权利要求1所述一体化渐变梯度泡沫炭太赫兹吸波材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.将发泡型泡沫炭原料切割为预设尺寸的块材，并清洁备用；步骤2.将发泡型泡沫炭块材放置于烧结容器中、并位于中心位置，再向烧结容器中加入碳粉直至埋覆泡沫炭块材的底部，埋覆高度为泡沫炭块材高度的1/3～1/2；步骤3.将烧结容器转移至微波反应腔室内，密封反应腔室后通入氩气作为保护气氛，在微波功率为200w～300w条件下烧结3～10min，自然降温后得到一体化渐变梯度泡沫炭太赫兹吸波材料。

技术总结
本发明属于太赫兹吸波技术领域，具体提供一体化渐变梯度泡沫炭太赫兹吸波材料及其制备方法，用以解决解决现有多层梯度电磁吸波材料存在的吸波剂容易脱落及粘连剂高温失效等问题。本发明利用微波的选择性吸波加热特性提出选择性烧结工艺，并通过选着性烧结工艺成功制备得到一体化渐变梯度泡沫炭，无需掺杂或浸渍其他吸波剂，在不改变材料的组分的前提下原位形成梯度结构，实现多层梯度材料的太赫兹吸波功效。本发明既能解决吸波剂容易脱落的问题，又能解决层状梯度材料中粘连剂高温失效的问题；并且，泡沫炭原料价格低廉、来源广泛，一体化渐变梯度泡沫炭制备工艺简单，且具有可调控性好、迅速便捷、环保节能等优势。环保节能等优势。环保节能等优势。


技术研发人员：文岐业 孙晓
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/8/31