电磁屏蔽吸波新材料制备方法与流程

本发明涉及电磁屏蔽吸波材料制备，具体涉及一种基于闪速焦耳热结合液相先驱体浸渍的电磁屏蔽吸波新材料原位连续制备方法。

背景技术：

1、随着高超声速飞行器及现代电子探测技术的发展，电磁屏蔽与吸波材料不仅需要具备薄、轻、宽、强的综合性能，还需要在氧化、高温等复杂服役环境下维持稳定的雷达波吸收能力，碳基材料，例如碳纳米管、石墨烯、多孔碳等，因密度低、比表面积大、介电损耗能力强，被广泛用作吸波材料的功能基体，为改善碳基材料的阻抗匹配特性及高温稳定性，业内通常在碳骨架表面复合陶瓷相或金属氧化物相，构筑核壳结构、多孔结构或多相复合结构，以期同时实现电磁损耗与结构防护的双重功能。

2、目前，与本申请最为接近的现有技术方案为采用水热法或溶胶凝胶法结合高温管式炉烧结制备碳基核壳吸波材料的工艺路线，该工艺路线大致包括如下步骤：首先，将碳纳米管或石墨烯粉体分散于含有硅、钛等元素的金属盐溶液或溶胶体系中，通过搅拌、超声等手段使前驱体均匀吸附于碳基体表面，然后，将吸附有前驱体的碳基材料置于高温管式炉或马弗炉中，以每分钟数摄氏度的速率升温至八百摄氏度至一千四百摄氏度区间，并保温数小时使前驱体逐步热解、结晶，在碳基体表面形成陶瓷壳层，最后，随炉自然冷却或程序降温，得到具有核壳结构的碳基复合吸波材料，该方案通过陶瓷壳层实现对碳基体的抗氧化保护，并通过异质界面的极化效应改善阻抗匹配。

3、然而，上述现有技术方案存在明显不足，由于该工艺的升降温速率通常仅为每分钟数摄氏度至十余摄氏度量级，材料在高温区间的停留时间长达数小时，如此缓慢的热历程容易导致陶瓷前驱体在热解过程中发生明显的相分离与颗粒团聚，进而使碳基体与陶瓷壳层之间形成成分突变的清晰界面，而非成分与结构连续渐变的过渡结构，由于界面处成分与结构存在不连续性，容易在界面处产生应力集中和结合薄弱区，导致材料在服役过程中壳层容易发生剥落，抗氧化保护随之失效，同时，清晰界面难以形成有效的多重反射和阶梯式极化损耗通道，致使材料的阻抗匹配窗口较窄、吸收频带有限，此外，长时间高温处理还会使碳基体表面官能团大量脱除、结构缺陷部分修复，导致材料在高温服役条件下的极化损耗能力进一步下降，吸波性能随温度升高而持续劣化，难以满足宽温域稳定服役的需求，再者，长时间高温烧结工艺能耗巨大，且难以适配连续卷对卷生产设备，通常只能采用间歇式炉内批次处理，不同批次之间因传热传质条件存在差异，导致材料性能一致性较差，从根本上限制了该类材料的规模化产业化应用。

4、因此，如何提供一种能够在碳基体与陶瓷生成相之间构筑连续渐变界面结构、兼顾宽温域阻抗匹配与规模化连续制备的电磁屏蔽吸波新材料制备方法，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：现有碳基电磁屏蔽吸波材料在制备与服役过程中存在本征阻抗失配、高温环境下抗氧化性差且阻抗随温度漂移，以及复杂微纳结构难以低成本规模化连续制备的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种电磁屏蔽吸波新材料的制备方法，包括：

3、提供碳基预制体；

4、配制液相高熵陶瓷先驱体溶液，所述液相高熵陶瓷先驱体溶液中含有硅源、铪源和钽源；

5、使所述液相高熵陶瓷先驱体溶液负载于所述碳基预制体的孔隙内部和表面，得到负载有先驱体的碳基预制体；

6、将负载有先驱体的碳基预制体进行烘干处理，去除其中的溶剂；

7、对烘干后的碳基预制体施加毫秒级脉冲电流，使所述碳基预制体依靠自身电阻产生焦耳热，控制升温速率大于104k/s，使所述碳基预制体的温度升高至3000k以上的峰值温度，并在所述峰值温度下保持1ms-500ms的驻留时间，使负载于所述碳基预制体表面和孔隙内部的先驱体发生热解、碳化，并与所述碳基预制体发生界面反应，原位生成高熵陶瓷相，在所述碳基预制体与所述高熵陶瓷相之间形成原子级渐变梯度界面；

8、切断所述脉冲电流，使所述碳基预制体依靠自身向周围环境的热传导进行冷却，控制冷却速率大于104k/s，得到具有所述原子级渐变梯度界面的电磁屏蔽吸波新材料。

9、在优选的实施方式中，所述碳基预制体优选包括碳纳米管和石墨烯中的至少一种，二者均具有密度低、比表面积大、导电性可调等特点，适于作为闪速焦耳热的自身导电骨架，在进一步的实施方式中，所述液相高熵陶瓷先驱体溶液中还可以含有锆源、钛源和铌源中的至少两种，与硅源、铪源和钽源共同配制形成含有五种及以上金属或非金属元素的高熵陶瓷先驱体体系，使原位生成的陶瓷相在同一晶格位点固溶形成真正意义上的高熵陶瓷，从而获得更为优异的高温稳定性与可调控的介电特性。

10、对脉冲电流的控制优选采用闭环反馈方式实现，即设定目标温度曲线，实时采集碳基预制体的实测温度，计算目标温度曲线对应的目标温度与实测温度之间的偏差，根据该偏差按照比例-积分-微分控制律计算脉冲电流幅值，并将计算得到的脉冲电流幅值下发至脉冲电源，以调节实际输出的脉冲电流，从而实现对升温速率、峰值温度及峰值驻留时间的毫秒级精确控制。

11、本发明还提供一种基于上述方法所制得的电磁屏蔽吸波新材料，其包括碳基体和高熵陶瓷生成相，碳基体与高熵陶瓷生成相之间设置有原子级渐变梯度界面，该原子级渐变梯度界面沿碳基体的径向由内向外依次包括碳-碳化硅过渡层、碳化硅纳米晶层和高熵过渡金属化合物纳米点阵层，其中碳-碳化硅过渡层中碳元素和硅元素的成分沿径向连续变化，不存在明显的分层突变，高熵过渡金属化合物纳米点阵层中的纳米颗粒弥散镶嵌于碳基体的表层。

12、本发明还提供一种用于实施上述方法的电磁屏蔽吸波新材料连续化制备系统，该系统以辊对辊连续馈电结构为基础，将放卷、浸渍负载、烘干、闪速焦耳热处理、温度监测、闭环控制、冷却及收卷等工序集成于同一条连续生产线，实现卷材形式碳基预制体的秒级连续处理。

13、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

14、1.本发明以毫秒级闪速焦耳热替代传统长时间高温烧结，突破本领域长期依赖长时间保温使前驱体充分结晶的固有认知/技术偏见，通过极高的升降温速率将陶瓷前驱体限制在热力学非平衡状态下瞬时反应，从而抑制相分离与颗粒团聚，在碳基体与高熵陶瓷生成相之间原位构筑了现有炉体烧结工艺无法实现的原子级渐变梯度界面；

15、2.原位生成的高熵陶瓷纳米点阵兼具高温抗氧化钉扎作用与半导体正温度电导率补偿特性，能够在室温至1200℃的宽温域范围内自适应维持阻抗匹配状态，有效解决了碳基材料高温阻抗漂移及抗氧化性差的问题；

16、3.本发明基于辊对辊连续馈电结构，将浸渍、烘干、闪速焦耳热处理、冷却、收卷等工序集成于同一连续产线，可直接嫁接于现有碳毡、碳纸卷材产线，实现秒级连续、低能耗、无中间转移的规模化连续制备，克服了现有工艺流程冗长、能耗高、批次一致性差、难以放大等问题。

1.电磁屏蔽吸波新材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳基预制体包括碳纳米管和石墨烯中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述液相高熵陶瓷先驱体溶液中还含有锆源、钛源和铌源中的至少两种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，对所述脉冲电流的控制包括以下步骤：

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳基预制体呈连续卷材形式；

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳基预制体为颗粒状碳基材料和短纤维状碳基材料中的一种；

7.一种电磁屏蔽吸波新材料，其特征在于，包括碳基体和高熵陶瓷生成相，所述碳基体与所述高熵陶瓷生成相之间设置有原子级渐变梯度界面；

8.根据权利要求7所述的电磁屏蔽吸波新材料，其特征在于，所述碳基体包括碳纳米管和石墨烯中的至少一种。

9.根据权利要求7所述的电磁屏蔽吸波新材料，其特征在于，所述高熵过渡金属化合物中含有铪元素和钽元素。

10.一种用于实施权利要求1至6中任一项所述制备方法的电磁屏蔽吸波新材料连续化制备系统，其特征在于，包括放卷辊、液相先驱体浸渍槽、烘干预处理区、闪速焦耳热处理模块、温度在线监测单元、闭环控制系统、快速冷却区和收卷辊；