[发明专利]一种同轴结构吸波材料的制备及性能调控方法

说明书

本发明涉及材料工艺领域，提供了一种同轴结构吸波材料的制备及性能调控方法，采用特定粒径的硅粉、特定长径比的短切碳纤维、自蔓延燃烧反应助剂、性能调控剂配制为反应物，再经过球磨活化得到反应前驱体，然后利用微波加热诱导自蔓延燃烧反应制备外层碳化硅壳层、内核为碳纤维的短切碳纤维‑碳化硅同轴结构吸波材料。本发明可通过调控原料配比和选用特定粒径的硅粉，实现碳化硅壳层厚度的可控制备；再结合短切碳纤维长径比、碳化硅壳层厚度以及性能调控剂的协同作用，实现材料电磁波吸收性能的调控；此外，还可通过碳化硅壳层提高短切碳纤维的耐高温抗氧化性能；制备方法具有简单快速，节能降耗，以及可批量化合成的优点。

技术领域

本发明涉及材料工艺领域，特别涉及一种同轴结构吸波材料的制备及性能调控方法。

背景技术

随着电子设备和无线通讯技术的普及应用，由此产生的电磁辐射污染不仅带来了严重的电磁兼容问题，也严重危害着人们的身体健康。电磁波吸收材料（吸波材料）是解决电磁污染的关键材料。在众多吸波材料中，短切碳纤维具有密度低、比强度高、比模量高，具有良好的电导损耗性能，是当前广泛使用的吸波材料之一。但是，一方面短切碳纤维由于电导率过高容易造成阻抗失配，导致对电磁波强反射而降低其吸波性能；另一方面，短切碳纤维作为碳材料在高温下极易氧化，限制了其在高温有氧环境下的应用。因此，迫切需要对短切碳纤维进行表面处理，提高其阻抗匹配从而进一步增强吸波性能，同时提高其抗氧化性能扩大其高温应用范围。

碳化硅具有优异的耐高温抗氧化性能、化学稳定性、适宜的导电性能以及吸波性能，且碳化硅与碳纤维热膨胀系数相近，有利于两者之间的高强度结合。因此，在短切碳纤维表面制备碳化硅壳层形成同轴结构，一方面能够提高碳纤维的耐高温抗氧化性能；另一方面，碳化硅壳层导电性能易于进行调控，改善碳纤维的阻抗匹配，增强同轴结构材料的吸波性能；此外，在短切碳纤维和碳化硅壳层之间的界面还将产生大量偶极子，进一步增强其吸波性能。在实际应用方面，在短切碳纤维表面制备粗糙的碳化硅壳层，可以解决碳纤维表面亲和性较低的问题，同时通过粗糙表面增强机械啮合力，显著提高吸波材料与基体的机械结合强度。因此，短切碳纤维-碳化硅同轴结构材料是一种潜在的高性能电磁波吸收材料。

关于碳纤维-碳化硅同轴结构材料的制备已有相关报道。中国专利201410492802.9采用液态低分子碳硅烷为前驱体，控制其反应温度、载气流量、沉积时间在多种纤维表面制备碳化硅涂层，但采用此种化学气相沉积的方法所需设备复杂，且要达到一定碳化硅涂层厚度需要极长的时间。此外，采用常规加热方式，进行长时间的高温热处理也可以在碳纤维表面制备碳化硅壳层。如中国专利201110152413.8首先采用电泳的方法将纳米碳化硅沉积在连续碳纤维表面，然后在400℃-1300℃热处理0.5-2小时，最终在碳纤维表面获得碳化硅涂层；中国专利200610151216.3首先制备含有硅粉和碳粉的浆料，再将碳纤维浸渍于浆料中，干燥后在高纯氩气环境下高温处理一段时间0.5-2小时后，在碳纤维表面得到均匀的碳化硅涂层；中国专利201510724764.X以纳米硅粉为原料，采用放电等离子体烧结在5kN的压力条件下，首先在1250℃~1300℃保温5分钟，然后降温至1200℃保温10分钟，制备表面镀碳化硅层的短切碳纤维；中国专利201510380357.1同样采用高温热处理1-2小时，在碳纤维表面制备碳化硅涂层。从上述公开报道中可知，采用常规热处理，不仅升温速率慢，也没有涉及到碳化硅壳层性能调控，更未涉及到电磁波吸收应用。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种同轴结构吸波材料的制备及性能调控方法，以硅粉和碳纤维为原料，添加特定的反应助剂及性能调控剂，采用干法球磨或湿法球磨进行预混，通过微波加热诱导自蔓延燃烧合成制备短切碳纤维-碳化硅同轴结构吸波材料。其中，通过调控硅粉粒径和碳纤维直径的比例以及硅碳摩尔比有效地控制碳化硅层的厚度，制备得到连续均匀的碳化硅层；另一方面，采用干法球磨或湿法球磨对碳纤维和硅粉进行机械活化，同时添加反应助剂作为自蔓延燃烧合成助剂，再利用微波加热对硅碳自蔓延燃烧反应进一步活化、增强，从而实现快速反应制备碳纤维-碳化硅同轴结构材料。