一种HEA-SiC吸波超结构材料及其制备方法与流程

一种hea-sic吸波超结构材料及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及无机材料技术领域，特别涉及一种hea-sic吸波超结构材料及其制备方法。


背景技术：

2.随着科学技术的进步，微波吸收材料的应用范围越来越广，对材料的性能要求也越来越高，特别是在极端环境下的耐受性能及吸波性能，高温吸波材料具有非常重要的军事应用价值，受到了国内外的广泛重视。
3.传统的吸波材料主要依靠电导损耗、介电损耗和磁损耗三种机制来吸收电磁波，存在吸波效率低、低频性能差、材料厚度大、设计性不强等问题。尤其是考虑到温度变量的引入，材料的物理化学性质将发生很大改变，传统的含碳(c)类电导损耗型吸波材料在400℃以上环境面临严重的氧化失效，氧化锌(zno)和sic类介电损耗材料因为本身的损耗能力弱而导致吸波功能不足，铁磁性磁损耗材料会在居里温度以上失去磁性而大大减弱吸波效果。现有的高温吸波材料技术与极端服役环境下部件的吸波需求严重不匹配。高熵合金(hea)具有优异的机械强度，并且耐温能力和抗氧化性能突出，但作为电磁吸波功能材料的研究鲜有报道。超构材料基于新的吸波机制，具有厚度薄、吸收强、性能易于调节的特点，是近年来功能材料领域研究的前沿热点。
4.综上，为适应高温服役环境下结构件吸波功能的发展需求，必须开发新的高温吸波材料。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种抗高温氧化的hea-sic吸波超结构材料，还相应提供该吸波结构材料的制备方法。
6.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
7.一种hea-sic吸波超结构材料，包括介质吸波体和埋设于介质吸波体中的多个电磁功能吸波块；
8.多个电磁功能吸波块划分为多层电磁功能层，多层电磁功能层沿介质吸波体的高度方向间隔布置，每层电磁功能层的多个电磁功能吸波块在同一水平面上呈m行
×
n列的矩阵排列，m和n均≥1；各层的电磁功能吸波块一一对应，上一层的电磁功能吸波块尺寸较下一层的电磁功能吸波块尺寸小；
9.所述介质吸波体为铁磁性高熵合金粉体、sic陶瓷和烧结助剂的混合烧结体；所述电磁功能吸波块为铁磁性高熵合金粉体的烧结体。
10.上述的hea-sic吸波超结构材料，优选地，所述电磁功能吸波块的横截面为正方形。
11.上述的吸波结构材料，优选地，最上层的电磁功能吸波块的边长为3～20mm，最下层的电磁功能吸波块的边长为20～30mm，所述电磁功能吸波块的厚度为0.02～0.05mm，相
邻层相应的电磁功能吸波块之间的间距为0.05～1mm。
12.上述的hea-sic吸波超结构材料，优选地，所述铁磁性高熵合金粉体中的金属元素包括fe、co、ni，且还包括mo、al、si、ti、zr、hf、v、nb、ta、cr、mo和w中的至少一种，各金属元素的单质粉体等摩尔混合形成所述铁磁性高熵合金粉体。
13.上述的hea-sic吸波超结构材料，优选地，所述sic陶瓷为sic颗粒、sic晶须和sic纤维中的至少一种。
14.上述的hea-sic吸波超结构材料，优选地，所述烧结助剂为cao、mgo、mno2、al2o3、y2o3和la2o3中的至少一种。
15.作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的hea-sic吸波超结构材料的制备方法，包括以下步骤：
16.s1：成型一层介质层，所述介质层为铁磁性高熵合金粉体和sic陶瓷的混合烧结体；
17.s2：在介质层上成型一层电磁功能层，所述电磁功能层包括多个电磁功能吸波块，多个电磁功能吸波块在介质层表面呈m行
×
n列的矩阵排列；
18.s3：重复步骤s1-s2，成型过程中确保上一层的电磁功能吸波块尺寸较下一层的电磁功能吸波块尺寸小。
19.上述的hea-sic吸波超结构材料的制备方法，优选地，所述介质层和电磁功能层均采用3d打印成型。
20.上述的hea-sic吸波超结构材料的制备方法，优选地，所述介质层的3d打印成型的工艺为：采用分组变向式逐层扫描，依次叠加得到介质层；成形过程中，预热温度为200～800℃，设定激光功率为300～1000w，扫描速度为800～1500mm/s，光斑直径为45～80um，铺粉层厚度为0.02～0.1mm，扫描线间距为0.06～0.20mm，成型时用惰性气体保护。
21.上述的hea-sic吸波超结构材料的制备方法，优选地，所述电磁功能层的3d打印成型的工艺为：采用分组变向式逐层扫描，依次叠加得到电磁功能层；成形过程中，预热温度为200～800℃，设定激光功率为300～500w，扫描速度为1200～2000mm/s，光斑直径为60～90um，铺粉层厚度为0.02～0.1mm，扫描线间距为0.06～0.20mm，成型时用惰性气体保护。
22.从结构上看，在某一特定频率电磁波入射下，电场和磁场的分布将被局域限定在多层电磁功能层的特定位置，在较低的频率下，局域谐振电磁场主要集中在多层电磁功能层的底部，随着频率的增加，局域的电磁场的位置逐渐向上移动。由于相邻的电磁功能层宽度变化缓慢，电磁场可扩散到附近的多个介质层中，共同支持电磁波的强谐振模式，因此建立的多层电磁功能层从上到下逐渐增加，支撑宽频带的谐振模式，从而多个不同频率的共振形成电磁波超宽带强吸收效应。
23.从材料上看，sic是具有密度低(～3.2g/cm3)、强度高(～800mpa)、且在高温氧化环境下，可在表面生成致密的sio2玻璃相阻挡氧的继续渗透，是一种优异的耐高温、抗氧化陶瓷，但sic高的共价键导致其致密化烧结困难。另外，sic作为一种典型的半导体材料，其介电损耗能力不足导致吸波效能不高，综合来看，难以直接作为高温吸波材料。hea是近年的前沿热点材料，同样具有突出的抗高温氧化和耐蚀性，且铁磁性高熵合金具有较好的磁损耗能力，在电磁吸波领域具有极大的应用潜力。但磁损耗仅可作用于材料的居里温度以下，难以在600℃高温环境下作用，且高熵合金比重太大(密度≥8g/cm3)，在质量要求苛刻
的航空材料领域应用严重受限，故而作为高温吸波材料的研究较少。但两者经超结构多层复合后，却能呈现“1 1＞2”的复合效应：铁磁性hea能够促进sic陶瓷的致密化烧结，多层结构还能改善陶瓷天生的脆性，提升材料的韧度；sic陶瓷大幅提高铁磁性hea耐高温抗氧化能力，降低铁磁性hea作为吸波材料的比重。
24.从功能上看，本发明通过将铁磁性hea与sic陶瓷的复合，在中低温环境可利用材料本身的电导损耗、介电损耗和磁损耗以及超结构的谐振效应等多种机制来实现电磁波的增强吸收，在高温下可利用材料的电导损耗和介电损耗以及超结构的谐振效应等来维持电磁波的高效吸收，可实现宽温域的高效吸波功能，并兼具耐高温和抗氧化功能。
25.与现有技术相比，本发明的优点在于：
26.1、本发明的hea-sic吸波超结构材料，设计了多层电磁层的新结构，兼顾了电导损耗、介电损耗、磁损耗以及超结构的谐振效应等多种吸波机制，获得了宽频段高效吸波效果。
27.2、本发明的hea-sic吸波超结构材料，具有力学强度高、耐高温抗氧化能力突出以及电磁波强吸收等优异特点，是一种宽温域多功能一体的新材料。
28.3、本发明使用3d打印法制备hea-sic吸波超结构材料，工艺参数可控性好，可制备结构材料和功能涂层，异形复杂构件工艺成型优势明显。
附图说明
29.图1为本发明的hea-sic吸波超结构材料的横剖结构示意图。
30.图2为本发明的hea-sic吸波超结构材料的纵剖结构示意图。
31.图3为本发明实施例1制备的hea-sic吸波超结构材料的反射率测试图。
具体实施方式
32.以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
33.实施例1：
34.一种本发明的hea-sic吸波超结构材料，如图1和2所示，包括介质吸波体1和埋设于介质吸波体1中的多个横截面为正方形的电磁功能吸波块2。多个电磁功能吸波块2划分为多层电磁功能层，多层电磁功能层沿介质吸波体1的高度方向间隔布置，每层电磁功能层的多个电磁功能吸波块2在同一水平面上呈m行
×
n列的矩阵排列，各层的电磁功能吸波块2一一对应，上一层的电磁功能吸波块2的边长较下一层的电磁功能吸波块2的边长小。
35.介质吸波体为铁磁性高熵合金粉体feconimo与sic陶瓷的混合烧结体，多个电磁功能吸波块feconimo在横向上呈现正方形周期阵列，在纵向上由下至上呈现从大到小多层等差渐变分布。最上层电磁功能层的电磁功能吸波块feconimo正方形边长为3mm，最下层电磁功能层的电磁功能吸波块正方形边长为30mm，电磁功能吸波块feconimo的厚度为0.02mm，相邻两层电磁功能层的层间隔距离为0.2mm。
36.一种上述本实施例的hea-sic吸波超结构材料的制备方法，包括以下步骤：
37.(1)制备电磁功能层用feconimo粉体：将市售纯度≥99.5％，粒径为60μm的fe、co、ni、mo粉体按等摩尔比例进行高能球磨，球磨转速为300rpm，球料比为6:1，球磨过程中单次
旋转以30min为限，停止5分钟后，再以反方向旋转形式进行球磨，以此循环，球磨总时间为90h，全程实施氩气保护。
38.(2)制备介质层用feconimo-sic复合粉体：按照质量分数比例30：60：10分别称取步骤(1)所得feconimo粉体，市售纯度≥99％、粒径为20μm的sic粉体，以及市售纯度≥99％、粒径为10μm的al2o3粉体。球磨混合时转速为400rpm，球料比为1:1，球磨时间为24h，全程实施氩气保护。
39.(3)打印feconimo-sic吸波超结构材料：将步骤(1)和(2)所得产物分别置于不同的3d打印送粉器中，预热温度为200℃，首先打印介质层，设定激光功率为800w，扫描速度为1000mm/s，光斑直径为60μm，铺粉层厚度为0.05mm，扫描线间距为0.10mm，达到单层间隔距离为0.2mm后，调整打印电磁功能层，设定激光功率为400w，扫描速度为1700mm/s，光斑直径为80μm，铺粉层厚度为0.02mm，扫描线间距为0.10mm，成型时均使用惰性气体保护。按照超结构材料的设计分层打印出介质层和电磁功能层，叠加得到feconimo-sic吸波超结构材料。
40.本实施例所得feconimo-sic吸波超结构材料，三点弯曲强度为783.3
±
32.6mpa，如图3所示，在x波段反射率均低于-10db，对该材料进行了800℃高温氧化实验，经10h空气氧化，增重仅为2.26％，材料的综合性能优异，具有较好的应用前景。
41.实施例2：
42.一种本发明的hea-sic吸波超结构材料，如图1和2所示，包括介质吸波体1和埋设于介质吸波体1中的多个横截面为正方形的电磁功能吸波块2。多个电磁功能吸波块2划分为多层电磁功能层，多层电磁功能层沿介质吸波体1的高度方向间隔布置，每层电磁功能层的多个电磁功能吸波块2在同一水平面上呈m行
×
n列的矩阵排列，各层的电磁功能吸波块2一一对应，上一层的电磁功能吸波块2的边长较下一层的电磁功能吸波块2的边长小。
43.介质吸波体为铁磁性高熵合金粉体feconimoal与sic陶瓷的混合烧结体，电磁功能吸波块feconimoal在横向上呈现正方形周期阵列，在纵向上由下至上呈现从大到小多层等差渐变分布。最上层的电磁功能吸波块feconimoal正方形边长为3mm，最下层电磁功能吸波块feconimoal正方形边长为30mm，电磁功能吸波块feconimo的厚度为0.04mm，电磁功能层的层间隔距离为0.2mm。
44.一种上述本实施例的feconimoal-sic耐高温吸波材料的制备方法，包括以下步骤：
45.(1)制备电磁功能层用feconimoal粉体：将市售纯度≥99.5％，粒径为60μm的fe、co、ni、mo粉体按等摩尔比例进行高能球磨，球磨转速为300rpm，球料比为15:1，球磨过程中单次旋转以30min为限，停止5分钟后，再以反方向旋转形式进行球磨，以此循环，球磨总时间为15h，全程实施氩气保护。
46.(2)制备介质层用feconimoal-sic复合粉体：按照质量分数比例10：85：5分别称取步骤(1)所得feconimoal粉体，市售纯度≥99％、粒径为1μm的sic粉体，以及市售纯度≥99％、粒径为20μm的al2o3粉体。球磨混合时转速为300rpm，球料比为3:1，球磨时间为10h，全程实施氩气保护。
47.(3)打印feconimoal-sic吸波超结构材料：将步骤(1)和(2)所得产物分别置于不同的3d打印送粉器中，预热温度为800℃，首先打印介质层，设定激光功率为1000w，扫描速
度为800mm/s，光斑直径为50μm，铺粉层厚度为0.02mm，扫描线间距为0.08mm，达到单层间隔距离为0.2mm后，调整打印电磁功能层，设定激光功率为300w，扫描速度为1800mm/s，光斑直径为80μm，铺粉层厚度为0.04mm，扫描线间距为0.14mm，成型时均使用惰性气体保护。按照超结构材料的设计分层打印出介质层和电磁功能层，叠加得到feconimoal-sic吸波超结构涂层材料。
48.本实施例所得feconimoal-sic吸波超结构涂层材料，厚度为1mm，在x波段反射率均低于-8db，对该涂层材料进行了1000℃高温氧化实验，经10h空气氧化，增重仅为1.84％，材料的综合性能优异，具有较好的应用前景。
49.以上所述，仅是本技术的较佳实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。