[发明专利]一种频率选择、电磁屏蔽、隔热、轻质、抗冲击一体化三维织物复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种频率选择、电磁屏蔽、隔热、轻质、抗冲击一体化三维织物复合材料包括三维织物和填充聚合物泡沫；其中，所述三维织物包括上面层、下面层和中间纱，所述上面层和下面层通过所述中间纱连接。本发明的三维织物泡沫复合材料，制备工艺成熟可行，成本较低，制备速度快，适合产业化生产。在电磁屏蔽防护用特殊军用车体，飞行器机体，以及建筑外墙等领域具有广阔的应用前景。本发明的三维织物泡沫复合材料，可调节性强，且调节策略简便，多样。可通过调节纱线种类，间隔纱三维织物结构，及聚合物泡沫以及功能纳米填料来实现对频率选择，电磁屏蔽等性能的精准调控。

技术领域

本发明涉及纤维复合材料技术领域，具体的说涉及一种频率选择、电磁屏蔽、隔热、轻质、抗冲击一体化三维织物复合材料及其制备方法。

背景技术

目前电磁波在在通信、医疗、人工智能等领域得到了广泛的应用。然而，其污染对环境、设备和人体健康危害极大。为了解决这一问题，电磁干扰屏蔽材料的研究越来越受到重视。电磁屏蔽材料主要有薄膜、泡沫、织物、涂层等类型。织物因其制备工艺成熟，可快速、产业化生产而受到越来越多的关注。织物不仅用于民用服装和用品，还应用于建筑、宇宙飞船、飞机、高速列车和大型设备。有效的电磁干扰屏蔽性能通常通过结构设计和功能材料的复合来实现。在电磁屏蔽防护用特殊军用车体，飞行器机体，以及建筑外墙等领域对电磁屏蔽、隔热、轻质、抗冲击等多功能一体化复合材料有较大需求。

目前织物电磁屏蔽主要通过本征导电、导磁纤维或者纤维改性来实现。本征导电、导磁纤维自身具有电磁屏蔽性能，可通过多层复合或纤维改性来提高电磁屏蔽性能。纤维改性方法众多，包括功能粒子浆液涂层、化学镀、多层复合、化学气相沉积(CVD)等。以上方法均能提高纤维织物的电磁屏蔽性能。但上述方法普遍存在工艺流程复杂、能耗高的缺点。与表面改性相比，织物结构设计更容易有效地实现电磁屏蔽材料的结构与功能的一体化。然而，针对织物结构设计的电磁屏蔽研究却很少。二维织物聚合物复合材料以及多层织物复合材料一般层间抗剪切性能较差，无法满足工业设计复合材料的力学性能要求，已逐渐被三维织物所取代。目前，具有电磁屏蔽功能的三维织物增强聚合物复合材料在航空航天、军事和建筑领域的需求非常迫切。并且在实际应用条件下，材料只需要在特定的频带具有超优良的电磁屏蔽性能，即频率选择性能。

通过三维织物结构设计，可同时获得具有频率选择和电磁屏蔽性能，这是一种成熟、可行、低能耗的方法。间隔纱织物是一种典型的三明治中空结构，这是一个典型的Fabry-Pérot空腔。其内部由上、下导电纤维织物层和中间间隔纱隔开，可形成多个反射表面和导电空腔。在腔内电磁波发生多次反射，会产生电磁波的干涉，当与反射波同相时，将会产生共振峰，实现频率选择。这是一种简便且有效的实现频率选择性电磁屏蔽复合材料的有效手段。

近几十年来，对间隔纱织物复合材料的研究主要集中在力学性能方面。研究了间隔纱的密度、高度和斜角。间隔纱密度越高，间隔纱织物复合材料的抗压性能和保温性能越好。然而，对隔层纱织物复合材料电磁干扰屏蔽的研究很少。目前，具有电磁干扰屏蔽功能的夹芯复合材料在航空航天、军事和建筑领域的需求量非常大。

中国专利(申请号：2017114392863，公开号：CN108035049A)公开了一种三维结构电磁屏蔽织物及其制备方法。该方法中所用三维织物只是起到支撑作用，并未起到频率选择和电磁屏蔽作用；起到到电磁屏蔽作用的是在其间隔层填充的经过蓬松处理碳材料填充物；并且其增重率仍然较大。其测试频段为3-6GHz。

中国专利(申请号：202011117428.6，公开号：CN112301733A)公开了一种三维轻质结构型复合电磁屏蔽材料的制备方法。该方法通过制备四氧化三铁纳米分子筛再与导电炭黑混合获得吸波粉体，再与合成纤维切片熔融造粒，纺丝；获得原丝经过织造得到三维结构吸波纺织品，其底部采用空喷镀方式进行真空溅射金属镀层。该方法制备工艺复杂，能耗高，较难实现产业化。其电磁屏蔽功能主要来自制备原丝母粒和最后的金属镀层上。其最终材料为三维织物结构，中空未被填充。其主要通过介电损耗、磁损耗和纳米效应等多种损耗机理协同作用实现对电磁波的吸收作用。