石墨烯改性陶瓷基隐身透波复合材料的制备方法.pdf

本发明公开一种石墨烯改性陶瓷基隐身透波复合材料的制备方法，采用石英纤维仿形织物液相浸渍复合硅溶胶，经高温烧结制备石英复合陶瓷材料，然后再经液相浸渍石墨烯溶液制备出石墨烯改性陶瓷基隐身透波复合材料，实现导弹武器导引头在工作频段内具有良好的透波性能，在非工作频段内具有良好的电磁波屏蔽性能，从而使得复合材料的频段选择性透波，实现导弹武器系统中透波窗口和天线罩对雷达探测的隐身效果，提高导弹武器系统的突防能力。

1.  一种石墨烯改性陶瓷基隐身透波复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)稳定分散的石墨烯溶液制备：将氧化石墨与去离子水按照比例为(0.7～1)mg：1ml进行混合，然后对混合溶液进行超声处理，超声处理时间为1～3h，至溶液变为亮黄色；然后对混合溶液进行离心处理，离心处理时间为10～20min，从而去除未分散的氧化石墨，即可得到氧化石墨烯溶液，然后向溶液中加入占溶液质量分数为1～3％的水合肼，调节其pH值为6～7，再将溶液加入高压釜中还原反应，在150～300℃下，反应8～20h，得到均匀、稳定分散的石墨烯溶液；
2)石英纤维仿形织物预处理：将石英纤维仿形织物放入沸水中水煮25～45h，烘干后，在250～400℃下通氧气焙烧1～3h，然后再次将石英纤维仿形织物放入沸水中水煮10～15h，最后烘干；
3)将经过预处理的石英纤维仿形织物在-0.09MPa～-0.1MPa真空状态下，浸渍复合使用密度为1.30～1.35g/cm³的硅溶胶，浸渍时间为1～2h；然后辅助以震动提高浸渍复合效果，辅助震动浸渍时间为30～50min；然后将浸渍复合后的罩体编织体取出后在100℃±20℃环境下干燥10～20h；
4)重复步骤3)一至三次，直至石英纤维仿形织物硬化定型；
5)对步骤4)中已硬化定型的石英纤维仿形织物坯料，在真空度要求为-0.09MPa～-0.1MPa条件下，先浸渍复合使用密度为1.30～1.35g/cm³的硅溶胶，浸渍时间为1～2h；然后水浴加热使硅溶胶中的水分不断蒸发，密度不断增加，直至硅溶胶呈胶体状态为止；然后于60～120℃干燥10h～20h；
6)重复步骤5)一至四次；
7)对浸渍复合后的石英纤维仿形织物进行热处理，使其陶瓷化形成产品毛坯，然后对毛坯机械加工至所需产品的尺寸；
8)将步骤(7)中得到的产品先使用N，N-二甲酰胺对产品进行预处理，然后放入步骤1)中制备的稳定分散的石墨烯溶液中，在真空度为 -0.08MPa～-0.1MPa状态下浸渍时间为1～3h，然后于100～150℃下烘干10h～20h；
9)重复步骤8)一至三次；
10)对步骤9)中得到的产品表面涂覆有机硅树脂、固化，即可得到石墨烯改性陶瓷基隐身透波复合材料。

2.  根据权利要求1所述的石墨烯改性陶瓷基隐身透波复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤7)中，热处理温度为850～1000℃，时间为2～4h。

石墨烯改性陶瓷基隐身透波复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及导弹武器系统用耐高温陶瓷基透波复合材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯改性陶瓷基隐身透波复合材料的制备方法。
背景技术
随着导弹技术和反导技术的不断发展，当前国内外新一代战机和导弹对雷达隐身的需求也越来越急迫。红外吊舱、巡航导弹等为了提高其生存能力和突防能力，必须在不改变外形和动力装置的前提下，实现对雷达探测的隐身或准隐身。隐身一般是从两个方面考虑：一是机体/弹体的隐身；二是透波窗口/天线罩的隐身。机体/弹体的隐身可以通过采用吸收雷达波的复合材料和吸波涂料等隐身材料解决。透波窗口/天线罩是通过电磁波的传输和控制以达到制导的目的，不能采用传统的涂附吸波材料的方式实现隐身，这是巡航导弹和战机暴露目标的重要因素之一(尤其是巡航导弹导引头，约占暴露率的40％)。机载/弹载光电探测设备要具有雷达隐身功能，就必须首先解决透波窗口和天线罩隐身性能这一项关键技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯改性陶瓷基隐身透波复合材料的制备方法，实现导弹武器导引头在工作频段内具有良好的透波性能，在非工作频段内具有良好的电磁波屏蔽性能，从而使得复合材料的频段选择性透波，实现导弹武器系统中透波窗口和天线罩对雷达探测的隐身效果，提高导弹武器系统的突防能力。
为实现上述目的，本发明所设计的石墨烯改性陶瓷基隐身透波复合材料的制备方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：
1)稳定分散的石墨烯溶液制备：将氧化石墨与去离子水按照比例为(0.7～1)mg：1ml进行混合，然后对混合溶液进行超声处理，超声处理时间 为1～3h，至溶液变为亮黄色；然后对混合溶液进行离心处理，离心处理时间为10～20min，从而去除未分散的氧化石墨，即可得到氧化石墨烯溶液，然后向溶液中加入占溶液质量分数为1～3％的水合肼，调节其pH值为6～7，再将溶液加入高压釜中还原反应，在150～300℃下，反应8～20h，得到均匀、稳定分散的石墨烯溶液；
2)石英纤维仿形织物预处理：将石英纤维仿形织物放入沸水中水煮25～45h，烘干后，在250～400℃下通氧气焙烧1～3h，然后再次将石英纤维仿形织物放入沸水中水煮10～15h，最后烘干；
3)将经过预处理的石英纤维仿形织物在-0.09MPa～-0.1MPa真空状态下，浸渍复合使用密度为1.30～1.35g/cm³的硅溶胶，浸渍时间为1～2h；然后辅助以震动提高浸渍复合效果，辅助震动浸渍时间为30～50min；然后将浸渍复合后的罩体编织体取出后在100℃±20℃环境下干燥10～20h；
4)重复步骤3)一至三次，直至石英纤维仿形织物硬化定型；
5)对步骤4)中已硬化定型的石英纤维仿形织物坯料，在真空度要求为-0.09MPa～-0.1MPa条件下，先浸渍复合使用密度为1.30～1.35g/cm³的硅溶胶，浸渍时间为1～2h；然后水浴加热使硅溶胶中的水分不断蒸发，密度不断增加，直至硅溶胶呈胶体状态为止；然后于60～120℃干燥10h～20h；
6)重复步骤5)一至四次；
7)对浸渍复合后的石英纤维仿形织物进行热处理，使其陶瓷化形成产品毛坯，然后对毛坯机械加工至所需产品的尺寸；
8)将步骤(7)中得到的产品先使用N，N-二甲酰胺对产品进行预处理，然后放入步骤1)中制备的稳定分散的石墨烯溶液中，在真空度为-0.08MPa～-0.1MPa状态下浸渍时间为1～3h，然后于100～150℃下烘干10h～20h；
9)重复步骤8)一至三次；
10)对步骤9)中得到的产品表面涂覆有机硅树脂、固化，即可得到石墨烯改性陶瓷基隐身透波复合材料。
优选地，所述步骤7)中，热处理温度为850～1000℃，时间为2～4h。
本发明在于利用石英复合陶瓷材料在低频段(1～8GHz)具有良好的透波性能，而石墨烯在高频段(8～15GHz)具有良好的电磁波衰减性能，实现复合材料在1～8GHz工作频段良好的透波性能，而在8～15GHz的非工作频段良好的电磁波屏蔽性能，从而实现复合材料的频段选择性透波。
因此与现有技术相比，本发明采用石英纤维仿形织物液相浸渍复合硅溶胶，经高温烧结制备石英复合陶瓷材料，然后再经液相浸渍石墨烯溶液制备出石墨烯改性石英复合陶瓷材料，其有益效果如下：
其一，该制备方法采用石英纤维仿形织物液相浸渍复合硅溶胶，同时采用真空浸渍、浓缩一体化复合，快速实现石英复合陶瓷材料的致密化，缩短了浸渍复合次数，降低材料的生产周期。
其二，该制备方法采用液相浸渍复合石墨烯溶液的方式，快速实现了石墨烯在材料内部孔隙和材料表面的均匀沉积，将石墨烯以Si-O-Si键与石英复合陶瓷基体连接在一起。
其三，本发明制备的石墨烯改性陶瓷基隐身透波复合材料，具有良好的力学性能和耐高温性能，同时有效地利用了石墨烯在高频段良好的电磁波屏蔽性能，实现了复合材料的频段选择性透波。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
实施例1：
一种石墨烯改性陶瓷基隐身透波复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)稳定分散的石墨烯溶液制备：将氧化石墨与去离子水按照比例为0.7mg：1ml进行混合，然后对混合溶液进行超声处理，超声处理时间为1～3h，至溶液变为亮黄色；然后对混合溶液进行离心处理，离心处理时间为10～20min，从而去除未分散的氧化石墨，即可得到氧化石墨烯溶液，然后向溶液中加入占溶液质量分数为1％的水合肼，调节其pH值为6～7，再将溶液加入高压釜中还原反应，在150℃下，反应20h，得到均匀、稳定分散的石墨烯溶液；
2)石英纤维仿形织物预处理：将石英纤维仿形织物放入沸水中水煮25～45h，烘干后，在250～400℃下通氧气焙烧1～3h，然后再次将石英纤维仿形织物放入沸水中水煮10～15h，最后烘干；
3)将经过预处理的石英纤维仿形织物在-0.09MPa～-0.1MPa真空状态下，浸渍复合使用密度为1.30～1.35g/cm³的硅溶胶，浸渍时间为1～2h；然后辅助以震动提高浸渍复合效果，辅助震动浸渍时间为30～50min；然后将浸渍复合后的罩体编织体取出后在100℃±20℃环境下干燥10～20h；
4)重复步骤3)一至三次，直至石英纤维仿形织物硬化定型；
5)对步骤4)中已硬化定型的石英纤维仿形织物坯料，在真空度要求为-0.09MPa～-0.1MPa条件下，先浸渍复合使用密度为1.30～1.35g/cm³的硅溶胶，浸渍时间为1～2h；然后水浴加热使硅溶胶中的水分不断蒸发，密度不断增加，直至硅溶胶呈胶体状态为止；然后于60～120℃干燥10h～20h；
6)重复步骤5)一至四次；
7)对浸渍复合后的石英纤维仿形织物于850℃下热处理4h，使其陶瓷化形成产品毛坯，然后对毛坯机械加工至所需产品的尺寸；
8)将步骤(7)中得到的产品先使用N，N-二甲酰胺对产品进行预处理，然后放入步骤1)中制备的稳定分散的石墨烯溶液中，在真空度为-0.08MPa～-0.1MPa状态下浸渍时间为1h，然后于100℃下烘干20h；
9)重复步骤8)一至三次；
10)对步骤9)中得到的产品表面涂覆有机硅树脂、固化，即可得到石墨烯改性陶瓷基隐身透波复合材料。
实施例2：
实施例2与实施例1的制备方法基本相同，不同点在于以下步骤中有相关参数的改变：
步骤1)稳定分散的石墨烯溶液制备：将氧化石墨与去离子水按照比例为0.85mg：1ml进行混合，然后对混合溶液进行超声处理，超声处理时间为1～3h，至溶液变为亮黄色；然后对混合溶液进行离心处理，离心处理时间为10～20min，从而去除未分散的氧化石墨，即可得到氧化石墨烯溶液，然后向 溶液中加入占溶液质量分数为2％的水合肼，调节其pH值为6～7，再将溶液加入高压釜中还原反应，在225℃下，反应14h，得到均匀、稳定分散的石墨烯溶液；
步骤7)对浸渍复合后的石英纤维仿形织物于925℃下热处理3h，使其陶瓷化形成产品毛坯，然后对毛坯机械加工至所需产品的尺寸；
步骤8)将步骤(7)中得到的产品先使用N，N-二甲酰胺对产品进行预处理，然后放入步骤1)中制备的稳定分散的石墨烯溶液中，在真空度为-0.08MPa～-0.1MPa状态下浸渍时间为2h，然后于125℃下烘干15h；
实施例3：
实施例3与实施例1的制备方法基本相同，不同点在于以下步骤中有相关参数的改变：
步骤1)稳定分散的石墨烯溶液制备：将氧化石墨与去离子水按照比例为1mg：1ml进行混合，然后对混合溶液进行超声处理，超声处理时间为1～3h，至溶液变为亮黄色；然后对混合溶液进行离心处理，离心处理时间为10～20min，从而去除未分散的氧化石墨，即可得到氧化石墨烯溶液，然后向溶液中加入占溶液质量分数为3％的水合肼，调节其pH值为6～7，再将溶液加入高压釜中还原反应，在300℃下，反应8h，得到均匀、稳定分散的石墨烯溶液；
步骤7)对浸渍复合后的石英纤维仿形织物于1000℃下热处理2h，使其陶瓷化形成产品毛坯，然后对毛坯机械加工至所需产品的尺寸；
步骤8)将步骤(7)中得到的产品先使用N，N-二甲酰胺对产品进行预处理，然后放入步骤1)中制备的稳定分散的石墨烯溶液中，在真空度为-0.08MPa～-0.1MPa状态下浸渍时间为3h，然后于150℃下烘干10h；
实施例1、2和3制备的石墨烯改性陶瓷基隐身透波复合材料，具有良好的力学性能和耐高温性能，同时有效地利用了石墨烯在高频段良好的电磁波屏蔽性能，实现了复合材料的频段选择性透波。