一种高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料及其制备方法

1.本发明涉及电磁屏蔽材料技术领域，具体涉及一种高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.现代化战场上，电磁环境日益恶劣，电磁波穿透武器系统的敏感器件时，会使控制、制导通讯等系统失效，弹药、电爆装置、电子引信等在电磁波能量的作用下，极易发生燃烧爆炸。这些恶劣的电磁环境对军事武器的战斗力和生存力构成致命威胁。高频波段下电磁屏蔽材料的开发，能有效地抑制电磁波干扰，提高各种作战武器的突防能力和生存能力。开发高性能电磁屏蔽材料成为当今军事技术领域的重大课题。应用于军事领域的电磁干扰频率为8～18ghz，因此，针对该频率电磁波的电磁屏蔽材料的研发需求日益迫切。
3.当前主要的电磁干扰屏蔽材料包括金属、导电聚合物和涂层材料。传统金属材料如铜、铝、钢等由于高密度限制了其在武器装备轻量化发展的应用。一些发泡金属、聚合物和涂层材料由于强度低、二次加工性能差，无法满足作为结构材料应用。镁合金具有密度低、质量轻、减振性能好等优势，与泡沫屏蔽、涂层屏蔽材料相比，镁合金具有优异的力学性能、电磁屏蔽性能且对环境友好。然而，镁合金由于磁导率和电导率低，目前对电磁干扰的屏蔽作用仅在30～1500mhz的低频电磁波下是良好的，主要屏蔽机制为反射机制，无法满足高频波段电磁屏蔽的性能要求。为此，本发明提供一种高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料及其制备方法。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料及其制备方法，有效解决了镁合金由于磁导率和电导率低，无法起到对高频波段电磁波的高效屏蔽作用的技术问题，同时提供了一种兼具机械强度和对高波段电磁波具有优异电磁屏蔽效能的轻质金属材料，在军用通讯设备、仪器、雷达设备等电磁屏蔽安全防护领域具有广阔的应用潜力和市场前景。
5.本发明提供了一种高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.s1，将二维柔性纳米层状增强体材料分散于有机溶剂中，将磁性纳米粒子负载于所述二维柔性纳米层状增强体材料上，得到纳米粒子修饰的增强体材料；
7.将镁合金粉体超声分散于有机溶剂中，加入十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液，超声，搅拌，得到改性的镁合金粉体浆料；
8.s2，将s1的纳米粒子修饰的增强体材料加至所述改性的镁合金粉体浆料中，混匀，施以磁场，静置，得到复合湿坯料，真空冷冻干燥，得到复合粉体干坯料；
9.s3，将s2的复合粉体干坯料于400℃～520℃真空热压烧结，得到高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料。
10.优选的，s1中，所述二维柔性纳米层状增强体材料为氧化石墨烯、石墨烯、mof纳米片、二维mxenes中的一种或两种。
11.优选的，以所述高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料的重量计，s1中，所述二维柔性纳米层状增强体材料的添加量为0.5～10wt％。
12.优选的，以所述高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料的重量计，s1中，所述磁性纳米粒子的添加量为0.1～2wt％。
13.优选的，所述磁性纳米粒子包括实心或空心的粒径为20～200nm的fe3o4颗粒。
14.优选的，s1中，所述镁合金粉体的颗粒尺寸为5μm～30μm。
15.优选的，s1中，所述十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液的质量百分比为0.1wt％～1wt％，所述镁合金粉体与十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液的料液比为1g：5～10ml。
16.优选的，s2中，所述外加磁场的强度为0.1～1.0t。
17.优选的，s3中，所述真空热压烧结的时间为60～120min。
18.本发明还提供了一种上述制备方法制备得到的高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
20.(1)本发明通过负载磁性纳米粒子，对二维柔性纳米层状增强体上进行磁性功能化处理，从而制备出具有超顺磁性的磁性纳米粒子修饰的增强体材料；通过采用十六烷基三甲基溴化铵对镁合金粉体的表面改性，提高了增强体与镁合金基体的分散均匀性，在外加磁场的作用下实现磁性纳米粒子修饰的增强体材料及改性镁合金层状定向排列，增加了电磁波的反射面积和反射路径。同时，磁性纳米粒子的加入可以提高复合材料的磁导率，二维柔性纳米层状材料的加入既可以提高复合材料的电导率，又可在与电磁波相互作用时通过自身局部塑性变形吸收电磁波能量，从而大幅改善材料对电磁波的屏蔽效能。热压烧结过程中在镁合金基体中形成的大量细小弥散分布的强化相，如β
′
和或片层状14h-lpso相等，增加材料对电磁波的反射损耗，从而有利于电磁波的衰减。
21.(2)本发明制备的高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料的密度≤1.60g/cm3，抗拉强度≥450mpa，屈服强度≥320mpa，延伸率≥15％，在8～18ghz的磁场环境中的电磁波屏蔽效能大于110db。
22.(3)本发明提供的高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料的制备方法简单，在军用通讯设备、仪器、雷达设备等电磁屏蔽安全防护领域具有广阔的应用潜力和市场前景。
附图说明
23.图1是本发明镁合金粉体原始微观组织；
24.图2是本发明实施例1负载磁性纳米粒子的氧化石墨烯；
25.图3是深度腐蚀去除镁基体后的层状排列的氧化石墨烯微观组织；
26.图4是本发明热压烧结后镁合金基体中的析出相，其中，a图为实施例1，b图为实施例2，c图为实施例3；
27.图5是本发明实施例1制备的高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料电磁屏蔽机理图。
具体实施方式
28.为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。下述试验方法和检测方法，如没有特殊说明，均为常规方法；所述试剂和原料，如没有特殊说明，均为市售。
29.实施例1
30.本实施例制备的高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料，以氧化石墨烯为二维柔性纳米层状增强体材料，以实心fe3o4为磁性纳米粒子，平均粒径为180nm，以所述高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料的重量计，所述氧化石墨烯的添加量为0.5wt％，磁性纳米粒子与氧化石墨烯的摩尔比为fe3o4:氧化石墨烯＝1：5，其余为we43(mg-4y-3nd-0.6zr)镁合金粉体，如图1所示。
31.一种高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
32.s1，通过高锰酸钾、浓硫酸对石墨烯进行酸洗处理，石墨烯：高锰酸钾：浓硫酸＝1：3：40，10％hcl与去离子水洗涤至上清液呈中性，离心获得沉淀物，冷冻干燥48h得到氧化石墨烯粉末，将氧化石墨烯加入到乙二醇溶液中，超声1h将其分散，向其中加入三氯化铁、醋酸钠，200℃，水热反应12h，制得负载磁性纳米fe3o4粒子的氧化石墨烯增强材料，如图2所示；
33.s2，将镁合金粉体分散在乙醇溶液中，溶液中含有蒸馏水以及1wt％的十六烷基三甲基溴化铵，采用超声+机械搅拌20min，以改性镁合金粉体表面性质，得到改性的镁合金粉体浆料；
34.s3，采用湿法混合方法实现氧化石墨烯和镁合金粉体的均匀分散，然后在外加磁场作用下实现氧化石墨烯和镁合金粉体的定向排列。向s1得到的负载磁性纳米fe3o4粒子的氧化石墨烯增强材料中加入乙醇，超声分散，并倒入s2得到的改性的镁合金粉体浆料中，机械搅拌30min，在0.1t的外加磁场作用下实现氧化石墨烯和镁合金粉体的定向排列，真空干燥30min获得复合粉体；
35.s4，将s3的复合粉体在400℃进行真空热压烧结2h，制得高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料。
36.实施例2
37.本实施例制备的高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料，以石墨烯为二维柔性纳米层状增强体材料，以空心fe3o4为磁性纳米粒子，平均粒径为20nm，以所述高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料的重量计，所述石墨烯的添加量为5wt％，磁性纳米粒子与石墨烯的摩尔比为fe3o4:石墨烯＝1：5，其余为mg-9gd-3y-1.2zn-0.6zr镁合金。
38.一种高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
39.s1，通过高温分解法合成磁性功能化石墨烯：将100ml苯酮加热,称取1.8g三乙酰丙酮铁和4g油酸溶解于其中，加入石墨烯，此时溶液为暗黑红色,然后加热至300℃，在升温过程中溶液逐渐变为黑色，在300℃回流40min。反应完毕，将得到的沉淀物离心分离，取上层清液加入乙醚沉淀，将此沉淀用丙酮清洗多次，烘干后即可得到负载磁性纳米fe3o4粒子的石墨烯增强材料；
40.s2，将镁合金粉末分散在乙醇溶液中，溶液中含有蒸馏水以及1wt％的十六烷基三甲基溴化铵，接着通过机械搅拌以改变镁粉表面性质，得到改性的镁合金粉体浆料；
41.s3，采用湿法混合方法实现石墨烯和镁合金粉体的均匀分散，然后在外加磁场作用下实现石墨烯和镁合金粉体的定向排列。向s1得到的负载磁性纳米fe3o4粒子的石墨烯增强材料中加入乙醇，超声分散，并倒入s2得到的改性的镁合金粉体浆料中，机械搅拌30min，在0.5t的外加磁场作用下实现石墨烯和镁合金粉体的定向排列，真空干燥30min获得复合粉体；；
42.s4，将s3的复合粉体在520℃进行真空热压烧结90min得到高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料。
43.实施例3
44.本实施例制备的高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料，以氧化石墨烯为二维柔性纳米层状增强体材料，以空心fe3o4为磁性纳米粒子，平均粒径为80nm，以所述高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料的重量计，所述氧化石墨烯的添加量为10wt％，磁性纳米粒子与氧化石墨烯的摩尔比为fe3o4:氧化石墨烯＝1：5，其余为mg-7gd-3y-4zn-0.6zr镁合金。
45.一种高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
46.s1，通过高锰酸钾、浓硫酸对石墨烯进行酸洗处理，石墨烯：高锰酸钾：浓硫酸＝1：3：40，10％hcl与去离子水洗涤至上清液呈中性，离心获得沉淀物，冷冻干燥48h得到氧化石墨烯粉末。将氧化石墨烯加入到乙二醇溶液中，超声1h将石墨烯分散，向其中加入三氯化铁、醋酸钠，160℃，水热反应15h，制得负载磁性fe3o4纳米粒子的氧化石墨烯增强材料；
47.s2对镁合金粉末进行表面改性处理，溶液中含有蒸馏水以及1wt％的十六烷基三甲基溴化铵，接着通过机械搅拌以改变镁粉表面性质，得到改性的镁合金粉体浆料；
48.s3，同实施例2，得到复合粉体；
49.s4，将s3的复合粉体在450℃进行真空热压烧结2h得到高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料。
50.实施例4
51.本实施例制备的高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料，以氧化石墨烯和mof纳米片为二维柔性纳米层状增强体材料，以实心fe3o4为磁性纳米粒子，平均粒径为200nm；以所述高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料的重量计，所述氧化石墨烯的添加量为1％、mof纳米片的添加量为0.5％，磁性纳米粒子与氧化石墨烯和mof纳米片混合物的摩尔比为fe3o4：氧化石墨烯：mof纳米片＝2：2：1，其余为we43镁合金。
52.一种高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
53.s1，通过高锰酸钾、浓硫酸对石墨烯进行酸洗处理，石墨烯：高锰酸钾：浓硫酸＝1：3：40，10％hcl与去离子水洗涤至上清液呈中性，离心获得沉淀物，冷冻干燥48h得到氧化石墨烯粉末。将氧化石墨烯粉末及mof材料超声分散在乙二醇溶液中，超声功率40khz，超声1h，向其中加入三氯化铁、醋酸钠，200℃，水热反应12h，制备得到负载磁性fe3o4纳米粒子的氧化石墨烯和mof增强材料；
54.s2，将镁合金粉体分散在乙醇溶液中，溶液中含有蒸馏水以及1wt％的十六烷基三甲基溴化铵，采用超声+机械搅拌20min，以改性镁合金粉体表面性质，得到改性的镁合金粉体浆料；
55.s3，采用湿法混粉的方法实现磁性纳米粒子负载的增强材料与镁合金粉体的均匀混合，然后在外加磁场的作用下实现负载磁性fe3o4纳米粒子的氧化石墨烯和mof增强材料
与镁合金粉体的定向排列：向s1得到的负载磁性fe3o4纳米粒子的氧化石墨烯、mof增强材料中加入乙醇，超声分散，并倒入s2得到的改性的镁合金粉体浆料中，机械搅拌30min，在1t的外加磁场作用下实现负载磁性fe3o4纳米粒子的氧化石墨烯和mof增强材料与镁合金粉体的定向排列，真空干燥1h得到复合粉体；
56.s4，将s3获得的复合粉体在450℃进行真空热压烧结2h，制得高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料。
57.实施例5
58.本实施例制备的高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料，以氧化石墨烯和二维mxene为二维柔性纳米层状增强体材料，以空心fe3o4为磁性纳米粒子，平均粒径为20nm；以所述高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料的重量计，氧化石墨烯的添加量为2％，所述二维mxene的添加量为1％，磁性纳米粒子与氧化石墨烯和二维mxene混合物的摩尔比为fe3o4：氧化石墨烯：二维mxene＝2：1：1其余为mg-9gd-3y-1.2zn-0.6zr镁合金。
59.一种高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
60.s1，将mxene粉末在去离子水中溶解，室温下800w超声4h，得到少层mxene溶液。通过高锰酸钾、浓硫酸对石墨烯进行酸洗处理，石墨烯：高锰酸钾：浓硫酸＝1：3：40，10％hcl与去离子水洗涤至上清液呈中性，离心获得沉淀物，冷冻干燥48h得到氧化石墨烯粉末。将100ml苯酮加热，称取1.8g三乙酰丙酮铁和4g油酸溶解于其中，加入氧化石墨烯及少层mxene溶液，然后加热至300℃，在升温过程中溶液逐渐变为黑色，在300℃回流40min。反应完毕，将得到的沉淀物离心分离，取上层清液加入乙醚沉淀，将此沉淀用丙酮清洗多次，烘干后即可得到负载磁性纳米fe3o4粒子的氧化石墨烯和mxene增强材料；
61.s2，将镁合金粉体分散在乙醇溶液中，溶液中含有蒸馏水以及1wt％的十六烷基三甲基溴化铵，采用超声+机械搅拌20min，以改性镁合金粉体表面性质，得到改性的镁合金粉体浆料；
62.s3，采用湿法混合的方法实现磁性纳米粒子负载的增强材料与镁合金粉体的均匀混合，然后在外加磁场的作用下实现氧化石墨烯、mxene增强材料与镁合金粉体的定向排列：向s1得到的负载磁性纳米fe3o4粒子的氧化石墨烯和mxene增强材料中加入乙醇，超声分散，并倒入s2得到的改性的镁合金粉体浆料中，机械搅拌30min，在1t的外加磁场作用下实现所述增强材料与镁合金粉体的定向排列，真空干燥1h得到复合粉体；
63.s4，将s3得到的复合粉体在520℃进行真空热压烧结90min得到高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料。
64.针对本发明实施例1～5得到的复合材料的电磁屏蔽效能进行检测，其结果如表1所示。
65.表1本发明复合材料电导率、磁导率和电磁屏蔽效能表
[0066][0067]
本发明通过负载磁性纳米粒子，对二维柔性纳米层状增强体上进行磁性功能化处理，从而制备出具有超顺磁性的纳米粒子修饰的增强体材料；通过采用十六烷基三甲基溴化铵对镁合金粉体的表面改性，提高了增强体与镁合金基体的分散均匀性，在外加磁场的作用下实现磁性纳米粒子修饰的增强体材料及改性镁合金层状定向排列，增加了电磁波的反射面积和反射路径。同时，磁性纳米粒子的加入可以提高复合材料的磁导率，二维柔性纳米层状材料与电磁波相互作用时还可通过自身局部塑性变形吸收电磁波能量，从而大幅改善材料对电磁波的屏蔽效能，热压烧结过程中形成的大量细小弥散分布的强化相，如β
′
和或片层状14h-lpso相等，增加材料对电磁波的反射损耗，从而有利于电磁波的衰减。
[0068]
由表1可知，本发明实施例以负载磁性纳米粒子的二维柔性纳米层状材料作为增强体，可显著改善复合材料的电磁屏蔽效能，5个实施例制备的复合材料对8ghz～18ghz波段电磁波均具有优异的电磁屏蔽效能，在f＝18ghz时屏蔽效能分别能达到110db、112db、117db、112db、111db，其在高频波段电磁波下都具有优异的电磁屏蔽效能。由图3可看出，制备得到的复合材料中的氧化石墨烯呈现层状排列；通过图4可知，热压烧结后会在复合材料内部析出细小、弥散定向分布的lpso以及(或)β
′
相，有利于进一步提升电磁波屏蔽效果。由图5复合材料电磁屏蔽机理图可以看出，具有高比表面积的二维柔性纳米层状材料为电磁波的反射提供更长的路径，磁性纳米粒子的负载会增加材料对电磁波的吸收效能，入射电磁波一部分直接被反射，一部分被吸收，另一部分在复合材料内部被层状材料和基体析出相被多重反射衰减。
[0069]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1，将二维柔性纳米层状增强体材料分散于有机溶剂中，将磁性纳米粒子负载于所述二维柔性纳米层状增强体材料上，得到纳米粒子修饰的增强体材料；将镁合金粉体超声分散于有机溶剂中，加入十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液，超声，搅拌，得到改性的镁合金粉体浆料；s2，将s1的磁性纳米粒子修饰的增强体材料加至所述改性的镁合金粉体浆料中，混匀，施以磁场，静置，得到复合湿坯料，真空冷冻干燥，得到复合粉体干坯料；s3，将s2的复合粉体干坯料于400℃～520℃真空热压烧结，得到高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，s1中，所述二维柔性纳米层状增强体材料为氧化石墨烯、石墨烯、mof纳米片、二维mxenes中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以所述高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料的重量计，s1中，所述二维柔性纳米层状增强体材料的添加量为0.5～10wt％。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以所述高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料的重量计，s1中，所述磁性纳米粒子的添加量为0.1～2wt％。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述磁性纳米粒子包括实心或空心的粒径为20～200nm的fe3o4颗粒。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，s1中，所述镁合金粉体的颗粒尺寸为5μm～30μm。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，s1中，所述十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液的质量百分比为0.1wt％～1wt％，所述镁合金粉体与十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液的料液比为1g：5～10ml。8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，s2中，所述外加磁场的强度为0.1～1.0t。9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，s3中，所述真空热压烧结的时间为60～120min。10.一种根据权利要求1～9任一项所述的制备方法制备得到的高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料。

技术总结
本发明公开了一种高波段高效电磁屏蔽镁基复合材料及其制备方法，属于电磁屏蔽材料技术领域，通过在二维柔性纳米层状增强体上负载磁性纳米粒子制备出具有超顺磁性的纳米粒子修饰的增强体材料；通过对镁合金粉体的表面改性，提高了增强体与镁合金的分散均匀性，在外加磁场的作用下实现纳米粒子修饰的增强体材料及改性镁合金层状定向排列，增加了电磁波的反射面积和反射路径。同时，磁性纳米粒子的加入可以提高复合材料的磁导率，二维柔性纳米层状材料的加入既可以提高复合材料的电导率，又可在与电磁波相互作用时通过自身局部塑性变形吸收电磁波能量，从而大幅改善材料对电磁波的屏蔽效能。的屏蔽效能。的屏蔽效能。


技术研发人员：王建利 王珂 杨伟 杨忠 王礼营 李建平
受保护的技术使用者：西安工业大学
技术研发日：2023.03.08
技术公布日：2023/7/20