柔性磁电复合低频机械天线及其制备方法

1.本发明属于机械天线技术领域，具体涉及一种柔性磁电复合低频机械天线及其制备方法。


背景技术：

2.机械天线是一种用于产生甚低频以及更低频率电磁波的小型化、轻量化、低功耗低频发射天线，其产生的这种电磁波具有传播距离远、抗电磁脉冲干扰能力强等特点，在通信、勘测等领域具有重要意义。但传统的低频电磁波发生装置具有体积庞大、维护成本高昂、难以移动等特点。研究小型化、轻量化、低功耗的低频机械天线有望解决这些问题。已有的机械天线技术有驻极体式机械天线、永磁体式机械天线、压电谐振式机械天线等。其中压电谐振式机械天线常利用压电材料与磁致伸缩材料结合的方式制作一种具有磁电效应的磁电异质结构，用于产生电磁波。但由于磁致伸缩材料相对于ndfeb等永磁体来说能产生的磁场强度较弱，因此产生的辐射强度较低。受制于材料加工工艺，已有压电材料较难制作大尺寸的机械天线，限制了通过增大体积来提升辐射强度的方法。块状永磁体如ndfeb等虽然可以产生较高的磁场强度，但材料本身硬度及刚度较高，难以加工成为可以与压电膜材料紧密结合并且谐振稳定的永磁膜结构。因此，基于ndfeb的小型片层式柔性机械天线未见文献报道，这也使得压电谐振式机械天线的辐射强度难以提升。
3.因此，现有的压电谐振式机械天线有待改进。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种柔性磁电复合低频机械天线及其制备方法，采用该方法制得的柔性磁电复合低频机械天线既具有传统压电谐振式机械天线小型化、轻量化、低功耗等优点，同时又具有较高的辐射强度。
5.在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备柔性磁电复合低频机械天线的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：
6.(1)将铁磁粉和/或永磁粉、高分子材料和添加剂混合，以便得到磁性软体材料；
7.(2)利用脉冲磁场将所述磁性软体材料进行磁化，以便得到磁化后材料；
8.(3)使所述磁化后材料呈薄膜状，并利用外加磁场使其具有定向磁畴；
9.(4)将步骤(3)得到的材料进行固化，以便得到软体磁性薄膜；
10.(5)将所述软体磁性薄膜与压电膜材料进行耦合，以便得到柔性磁电复合低频机械天线。
11.根据本发明实施例的制备柔性磁电复合低频机械天线的方法，通过将铁磁粉和/或永磁粉、高分子材料和添加剂混合，其中，高分子材料可以提高机械天线的柔性，并且还起到粘合剂的作用，将铁磁粉和/或永磁粉结合在一起，同时，加入添加剂有利于后续进行固化，混合均匀后可得到磁性软体材料，再利用脉冲磁场将磁性软体材料进行磁化，然后使
磁化后材料具有适当的薄膜形状，以方便后续与压电膜材料进行耦合，并利用外加磁场使其具有定向磁畴，接着对得到的材料进行固化，使此前具有一定流动性的磁性材料固化为软体磁性薄膜，同时也可以使其磁畴方向得到固定，最后将软体磁性薄膜与压电膜材料进行耦合，即可得到低频机械天线。本技术制备了一种柔性良好的软体磁性薄膜，并将其与压电膜材料相互耦合。当通过驱动压电膜材料发射低频电磁波时，由于软体磁性薄膜的机械强度低，与压电膜材料复合之后，可以降低整体的谐振频率，从而提升压电谐振式机械天线可以产生的辐射强度。综上，采用本技术的方法制得的柔性磁电复合低频机械天线既具有传统压电谐振式机械天线小型化、轻量化、低功耗等优点，同时又具有较高的辐射强度。
12.另外，根据本发明上述实施例的制备低频机械天线的方法还可以具有如下附加的技术特征：
13.在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，基于100质量份的所述磁性软体材料，所述铁磁粉和/或永磁粉、所述高分子材料和所述添加剂的质量比为(60～70)：(30～35)：(2.8～3.5)。由此，制得的柔性磁电复合低频机械天线既具有传统压电谐振式机械天线小型化、轻量化、低功耗等优点，同时又具有较高的辐射强度。
14.在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述永磁粉包括ndfeb，所述铁磁粉包括fe3o4和fe
x
co
3-x
o4中的至少之一，其中x取值为1或2。
15.在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述高分子材料包括硅胶树脂和聚丙烯酸中的至少之一。
16.在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述添加剂为聚二甲基硅氧烷或者聚二甲基硅氧烷与二氧化硅粉末的混合物。
17.在本发明的一些实施例中，所述聚二甲基硅氧烷与二氧化硅粉末的混合物中，聚二甲基硅氧烷与二氧化硅粉末的质量比为(1～1.3)：(1.8～2.2)。
18.在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述脉冲磁场的磁场强度为2.5～3.5t。
19.在本发明的一些实施例中，在步骤(3)中，采用3d打印、涂覆或者使用模具的方式使所述磁化后材料呈薄膜状。
20.在本发明的一些实施例中，在步骤(4)中，所述固化的温度为120～130℃，时间为60～80min。由此，制得的柔性磁电复合低频机械天线既具有传统压电谐振式机械天线小型化、轻量化、低功耗等优点，同时又具有较高的辐射强度。
21.在本发明的一些实施例中，在步骤(5)中，所述压电膜材料为压电纤维片。
22.在本发明的一些实施例中，在步骤(5)中，所述耦合的方式为粘接。
23.在本发明的第二个方面，本发明又提出了一种制备柔性磁电复合低频机械天线的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：
24.(a)将磁致伸缩材料、高分子材料和添加剂混合，以便得到磁性软体材料；
25.(b)使所述磁性软体材料呈薄膜状，并利用外加磁场使其具有定向磁畴；
26.(c)将步骤(b)得到的材料进行固化，以便得到软体磁性薄膜；
27.(d)将所述软体磁性薄膜与压电膜材料进行耦合，以便得到柔性磁电复合低频机械天线。
28.根据本发明实施例的柔性磁电复合制备低频机械天线的方法，通过将磁致伸缩材料、高分子材料和添加剂混合，其中，高分子材料可以提高机械天线的柔性，并且还起到粘
合剂的作用，将磁致伸缩材料结合在一起，同时，加入添加剂有利于后续进行固化，混合均匀后可得到磁性软体材料，然后使磁性软体材料具有适当的薄膜形状，以方便后续与压电膜材料进行耦合，并利用外加磁场使其具有定向磁畴，接着对得到的材料进行固化，使此前具有一定流动性的磁性材料固化为软体磁性薄膜，同时也可以使其磁畴方向得到固定，最后将软体磁性薄膜与压电膜材料进行耦合，即可得到低频机械天线。本技术制备了一种柔性良好的软体磁性薄膜，并将其与压电膜材料相互耦合。当通过驱动压电膜材料发射低频电磁波时，由于软体磁性薄膜的机械强度低，与压电膜材料复合之后，可以降低整体的谐振频率，从而提升压电谐振式机械天线可以产生的辐射强度。综上，采用本技术的方法制得的柔性磁电复合低频机械天线既具有传统压电谐振式机械天线小型化、轻量化、低功耗等优点，同时又具有较高的辐射强度。
29.在本发明的一些实施例中，在步骤(a)中，所述磁致伸缩材料包括terfenol-d。
30.在本发明的的第三个方面，本发明提出了一种柔性磁电复合低频机械天线。根据本发明的实施例，所述柔性磁电复合低频机械天线采用上述的方法制备得到。由此，该柔性磁电复合低频机械天线既具有传统压电谐振式机械天线小型化、轻量化、低功耗等优点，同时又具有较高的辐射强度，对于通信、勘测等需要利用甚低频甚至更低频率电磁波的领域具有重要意义。
31.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
32.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
33.图1是根据本发明的一个实施例的制备柔性磁电复合低频机械天线的方法流程示意图；
34.图2是根据本发明的又一个实施例的制备柔性磁电复合低频机械天线的方法流程示意图；
35.图3是实施例1制得的柔性磁电复合低频机械天线的结构示意图；
36.图4是实施例1中制得的柔性磁电复合低频机械天线产品的照片；
37.图5是实施例2中采用的压电纤维片(左)与制得的柔性磁电复合低频机械天线产品(右)的照片。
具体实施方式
38.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
39.在本发明的第一个方面，本发明提出了一种制备柔性磁电复合低频机械天线的方法。根据本发明的实施例，参考图1，该方法包括：
40.s100：将铁磁粉和/或永磁粉、高分子材料和添加剂混合
41.该步骤中，通过将铁磁粉和/或永磁粉、高分子材料和添加剂混合，混合均匀后得到磁性软体材料。具体的，将铁磁粉、高分子材料和添加剂混合得到磁性软体材料；或者将
永磁粉、高分子材料和添加剂混合得到磁性软体材料；再或者将铁磁粉、永磁粉、高分子材料和添加剂混合得到磁性软体材料。发明人发现，高分子材料可以提高机械天线的柔性，并且还起到粘合剂的作用，将铁磁粉和/或永磁粉结合在一起，同时，加入添加剂有利于后续进行固化。需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要对铁磁粉、永磁粉、高分子材料和添加剂的具体类型进行选择，例如，永磁粉包括ndfeb；铁磁粉包括fe3o4和fe
x
co
3-x
o4中的至少之一，其中x取值为1或2；高分子材料包括硅胶树脂和聚丙烯酸中的至少之一；添加剂为聚二甲基硅氧烷或者聚二甲基硅氧烷与二氧化硅粉末的混合物，其中，聚二甲基硅氧烷起固化作用，加入二氧化硅粉末可以降低固化后的粘性。进一步地，聚二甲基硅氧烷与二氧化硅粉末的质量比为(1～1.3)：(1.8～2.2)。发明人发现，若该质量比过小，聚二甲基硅氧烷不足，会导致后续的固化过程非常缓慢，甚至出现难以完全固化的情况，即经过相当长一段时间加热后样品还具有一定的流动性，难以成形；而若该质量比过大，二氧化硅粉末过少，会导致样品的粘度较大，容易在后续过程中吸附空气中的灰尘等异物，同时由于其容易与其它物体粘附在一起，也不利于样品的转移、耦合等操作。由此，采用本技术的质量比有利于软体磁性薄膜的成形以及具有合适的粘度。
42.进一步地，基于100质量份的上述磁性软体材料，铁磁粉和/或永磁粉、高分子材料和添加剂的质量比为(60～70)：(30～35)：(2.8～3.5)。发明人发现，若铁磁粉和/或永磁粉加入过少，将导致样品磁性不足，产生电磁波的能力下降严重；而若铁磁粉和/或永磁粉加入过多，则会导致样品中粉末状固体成分过多，没有足够的高分子材料作为联合剂帮助其成形。同时，若高分子材料加入过少，则会因为没有足够多的高分子材料作为联合剂，影响后续的样品成形；而若高分子材料加入过多，会导致样品磁性不足，产生电磁波的能力衰减。另外，若添加剂加入过少，会导致后续的固化过程非常缓慢，甚至出现难以完全固化的情况，即经过相当长一段时间加热后样品还具有一定的流动性，难以成形；而若添加剂加入过多，会产生不必要的材料浪费，且间接导致铁磁粉和/或永磁粉的占比降低，影响样品的磁性，导致其产生电磁波的能力衰减。由此，采用本技术的质量比，有利于软体磁性薄膜的成形，且产品具有较高的辐射强度。
43.s200：利用脉冲磁场将磁性软体材料进行磁化
44.该步骤中，通过利用脉冲磁场将磁性软体材料进行磁化，即可得到磁化后材料。具体的，脉冲磁场的磁场强度为2.5～3.5t。优选地，利用脉冲磁场将磁性软体材料磁化至饱和，由此，产生的磁感应强度大，效果好。
45.s300：使磁化后材料呈薄膜状，并利用外加磁场使其具有定向磁畴
46.该步骤中，使磁化后材料呈薄膜状，并利用外加磁场使其具有定向磁畴。具体的，采用3d打印、涂覆或者使用模具的方式使磁化后材料呈薄膜状，以方便后续与压电膜材料进行耦合。需要说明的是，可以在成形前、成形过程中或成形后对永磁体薄膜的磁畴进行定向。
47.s400：将步骤s300得到的材料进行固化
48.该步骤中，通过将步骤s300得到的材料进行固化，该过程中高分子材料与添加剂发生反应，使此前具有一定流动性的磁性材料固化为软体磁性薄膜，同时也可以使其磁畴方向得到固定。
49.进一步地，上述固化的温度为120～130℃，时间为60～80min。发明人发现，若固化
的温度过低，将导致固化时间非常缓慢，甚至难以固化，样品一直处于半流体状态，各组分不能有效粘合在一起；而若固化的温度过高，会导致样品产生裂纹甚至碎裂。同时，若固化的时间过短，会导致固化不完全，部分样品仍处于半流体状态，各组分无法有效粘合在一起；而若固化的时间过长，样品长时间处于高温环境中，会导致样品干裂，同时还有可能导致样品退磁。由此，采用本技术的固化条件，有利于软体磁性薄膜的成形，避免其产生裂纹或退磁。
50.s500：将软体磁性薄膜与压电膜材料进行耦合
51.该步骤中，通过将软体磁性薄膜与压电膜材料进行耦合，即可得到柔性磁电复合低频机械天线。需要说明的是，上述压电膜材料的具体类型以及耦合的具体方式并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如，压电膜材料为压电纤维片；耦合的方式为粘接。
52.发明人发现，通过将铁磁粉和/或永磁粉、高分子材料和添加剂混合，其中，高分子材料可以提高机械天线的柔性，并且还起到粘合剂的作用，将铁磁粉和/或永磁粉结合在一起，同时，加入添加剂有利于后续进行固化，混合均匀后可得到磁性软体材料，再利用脉冲磁场将磁性软体材料进行磁化，然后使磁化后材料具有适当的薄膜形状，以方便后续与压电膜材料进行耦合，并利用外加磁场使其具有定向磁畴，接着对得到的材料进行固化，使此前具有一定流动性的磁性材料固化为软体磁性薄膜，同时也可以使其磁畴方向得到固定，最后将软体磁性薄膜与压电膜材料进行耦合，即可得到低频机械天线。本技术制备了一种柔性良好的软体磁性薄膜，并将其与压电膜材料相互耦合。当通过驱动压电膜材料发射低频电磁波时，由于软体磁性薄膜的机械强度低，与压电膜材料复合之后，可以降低整体的谐振频率，从而提升压电谐振式机械天线可以产生的辐射强度。综上，采用本技术的方法制得的柔性磁电复合低频机械天线既具有传统压电谐振式机械天线小型化、轻量化、低功耗等优点，同时又具有较高的辐射强度。
53.在本发明的第二个方面，本发明又提出了一种制备柔性磁电复合低频机械天线的方法。根据本发明的实施例，参考图2，该方法包括：
54.sa：将磁致伸缩材料、高分子材料和添加剂混合
55.该步骤中，通过将磁致伸缩材料、高分子材料和添加剂混合，混合均匀后得到磁性软体材料。发明人发现，高分子材料可以提高机械天线的柔性，并且还起到粘合剂的作用，将磁致伸缩材料结合在一起，同时，加入添加剂有利于后续进行固化。需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要对磁致伸缩材料的具体类型进行选择，例如，磁致伸缩材料包括terfenol-d，另外，高分子材料和添加剂的具体类型和添加量同于上文描述，同时，磁致伸缩材料的添加量同于上述铁磁粉和/或永磁粉的添加量，此处不再赘述。
56.sb：使磁性软体材料呈薄膜状，并利用外加磁场使其具有定向磁畴
57.该步骤中，使磁性软体材料呈薄膜状，并利用外加磁场使其具有定向磁畴。具体的，采用3d打印、涂覆或者使用模具的方式使磁性软体材料呈薄膜状，以方便后续与压电膜材料进行耦合。需要说明的是，可以在成形前、成形过程中或成形后对磁畴进行定向。
58.sc：将步骤sb得到的材料进行固化
59.该步骤中，通过将步骤sb得到的材料进行固化，该过程中高分子材料与添加剂发生反应，使此前具有一定流动性的磁性材料固化为软体磁性薄膜，同时也可以使其磁畴方
向得到固定。需要说明的是，固化的具体条件同于上文描述，此处不再赘述。
60.sd：将软体磁性薄膜与压电膜材料进行耦合
61.该步骤中，通过将软体磁性薄膜与压电膜材料进行耦合，即可得到柔性磁电复合低频机械天线。需要说明的是，上述压电膜材料的具体类型以及耦合的具体方式同于上文描述，此处不再赘述。
62.发明人发现，通过将磁致伸缩材料、高分子材料和添加剂混合，其中，高分子材料可以提高机械天线的柔性，并且还起到粘合剂的作用，将磁致伸缩材料结合在一起，同时，加入添加剂有利于后续进行固化，混合均匀后可得到磁性软体材料，然后使磁性软体材料具有适当的薄膜形状，以方便后续与压电膜材料进行耦合，并利用外加磁场使其具有定向磁畴，接着对得到的材料进行固化，使此前具有一定流动性的磁性材料固化为软体磁性薄膜，同时也可以使其磁畴方向得到固定，最后将软体磁性薄膜与压电膜材料进行耦合，即可得到低频机械天线。本技术制备了一种柔性良好的软体磁性薄膜，并将其与压电膜材料相互耦合。当通过驱动压电膜材料发射低频电磁波时，由于软体磁性薄膜的机械强度低，与压电膜材料复合之后，可以降低整体的谐振频率，从而提升压电谐振式机械天线可以产生的辐射强度。综上，采用本技术的方法制得的柔性磁电复合低频机械天线既具有传统压电谐振式机械天线小型化、轻量化、低功耗等优点，同时又具有较高的辐射强度。
63.在本发明的的第三个方面，本发明提出了一种柔性磁电复合低频机械天线。根据本发明的实施例，该柔性磁电复合低频机械天线采用上述的方法制备得到。由此，该柔性磁电复合低频机械天线既具有传统压电谐振式机械天线小型化、轻量化、低功耗等优点，同时又具有较高的辐射强度，对于通信、勘测等需要利用甚低频甚至更低频率电磁波的领域具有重要意义。
64.下面详细描述本发明的实施例，需要说明的是下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。另外，如果没有明确说明，在下面的实施例中所采用的所有试剂均为市场上可以购得的，或者可以按照本文或已知的方法合成的，对于没有列出的反应条件，也均为本领域技术人员容易获得的。
65.实施例1
66.步骤1：将钕铁硼磁粉(63.34wt％)、ecoflex 00-30partb(21.78wt％)、se 1700(11.71wt％)、聚二甲基硅氧烷(1.17wt％)和二氧化硅粉末(2wt％)混合，得到磁性软体材料；
67.步骤2：利用3.0t脉冲磁场将磁性软体材料磁化至饱和，得到磁化后材料；
68.步骤3：将磁性材料填充置针管中，利用外加磁场(约200mt)使材料具有确定方向的磁极，将针管中有确定磁极的材料挤出，得到细长条状柔性磁铁，再将若干条柔性磁铁横向排列在一起，可以形成一个由多个细长圆柱组成的长片状结构。将该结构胶黏在塑料薄膜上，产生一个平面以便于和压电纤维片结合；
69.步骤4：利用加热台对上一步的产品进行加热，温度为120摄氏度，加热时间为60min，使其极性固化，得到软体磁性薄膜；
70.步骤5：将上述制成的软体磁性薄膜与压电纤维片胶黏在一起，得到柔性磁电复合低频机械天线(参考图3-4)，其表面磁感应强度达到1.3mt。
71.实施例2
72.步骤1：将钕铁硼磁粉(63.34wt％)、ecoflex 00-30partb(21.78wt％)、se 1700(11.71wt％)、聚二甲基硅氧烷(1.17wt％)和二氧化硅粉末(2wt％)混合，得到磁性软体材料；
73.步骤2：利用3.0t脉冲磁场将磁性软体材料磁化至饱和，得到磁化后材料；
74.步骤3：将上述材料涂覆在塑料薄膜上，形成一层薄膜，利用外加磁场为上一步制成的薄膜施加极性。方法为将其置于条形永磁体上方，利用永磁体周围的磁场(约200mt)对其进行极化；
75.步骤4：利用加热台对上一步的产品进行加热，温度为120摄氏度，加热时间为60min，使其极性固化，得到软体磁性薄膜；
76.步骤5：将上述制成的软体磁性薄膜与压电纤维片胶黏在一起，得到柔性磁电复合低频机械天线(参考图5)，其表面磁感应强度达到5mt。
77.实施例3
78.步骤1：将钕铁硼磁粉(63.34wt％)、ecoflex 00-30 partb(21.78wt％)、se 1700(11.71wt％)、聚二甲基硅氧烷(1.17wt％)和二氧化硅粉末(2wt％)混合，得到磁性软体材料；
79.步骤2：利用3.0t脉冲磁场将磁性软体材料磁化至饱和，得到磁化后材料；
80.步骤3：将上述材料放置于预先制作好的长方体模具中，利用外加磁场为上一步模具中的材料施加极性。方法为将其置于两个厚度方向充磁的条形永磁体之间，利用永磁体周围的磁场(约300mt)对其进行极化；
81.步骤4：利用加热台对上一步的产品(包含模具)进行加热，温度为130摄氏度，加热时间为75min，使其极性固化；
82.步骤5：将长条状柔性磁铁从模具中取出，并与压电纤维片胶黏在一起，得到柔性磁电复合低频机械天线，其表面处磁感应强度达到13mt。
83.实施例4：
84.步骤1：将terfenol-d(61.21wt％)、ecoflex 00-30partb(23.91wt％)、se 1700(11.71wt％)、聚二甲基硅氧烷(1.17wt％)和二氧化硅粉末(2wt％)混合，得到磁性软体材料；
85.步骤2：将上述材料放置于预先制作好的长方体模具中，利用外加磁场为上一步模具中的材料施加极性。方法为将其置于两个厚度方向充磁的条形永磁体之间，利用永磁体周围的磁场(约300mt)对其进行极化；
86.步骤3：利用加热台对上一步的产品(包含模具)进行加热，温度为130摄氏度，加热时间为75min，使其极性固化；
87.步骤4：将长条状柔性磁铁从模具中取出，并与压电纤维片胶黏在一起，得到柔性磁电复合低频机械天线，其表面处磁感应强度达到4mt。
88.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
89.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。