樹(shù)脂基陶瓷吸波材料專(zhuān)利技術(shù)分析

閆海超

摘要：樹(shù)脂基陶瓷吸波材料作為抵御或減少電磁輻射的材料，已成為當(dāng)今科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，本文通過(guò)對(duì)樹(shù)脂基陶瓷吸波材料的專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)主要涉及將吸波劑與樹(shù)脂基體進(jìn)行混合制備吸波材料，以及對(duì)于結(jié)構(gòu)造型的改進(jìn)以增強(qiáng)吸收電磁波、微波的能力。

關(guān)鍵詞：樹(shù)脂基陶瓷吸波;專(zhuān)利;技術(shù)分析

一、吸波材料的整體發(fā)展概況

自從人類(lèi)發(fā)明電磁波以來(lái)，其在各個(gè)領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，如通信領(lǐng)域、道路的導(dǎo)航、無(wú)線(xiàn)電視信號(hào)的傳播，以及家電如電磁爐、微波爐，包括在軍事方面如信息戰(zhàn)、電磁武器等，然而電磁波在給人類(lèi)帶來(lái)諸多便利的同時(shí)，也給人類(lèi)帶來(lái)了很多的困擾，如電磁波的使用會(huì)導(dǎo)致人體健康的損害，對(duì)設(shè)備如醫(yī)療設(shè)備、電話(huà)等也會(huì)造成影響。由此，為了消除電磁波對(duì)于設(shè)備、環(huán)境、人體以及其他生命體的影響，吸波材料應(yīng)運(yùn)而生。吸波材料是指能夠吸收投射到材料表面的電磁波信號(hào)，并通過(guò)材料內(nèi)部的介質(zhì)損耗將電磁波轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式的能量耗散的材料。

吸波材料按其成型工藝和承載能力可分為兩種類(lèi)型：結(jié)構(gòu)型吸波材料和涂覆型吸波材料。涂覆型吸波材料通常的制備工藝是將吸波劑加入基體中，當(dāng)電磁波投射到材料表面上時(shí)，吸波材料會(huì)將電磁波吸收掉，從而減少被保護(hù)部件對(duì)電磁波的反射。結(jié)構(gòu)型吸波材料相比涂覆型吸波材料，具有更高的吸收效率、更寬的吸波頻帶以及更好的力學(xué)性能，同時(shí)具有良好的可設(shè)計(jì)性。通常對(duì)于吸波材料，其吸波性能由基體以及吸波劑共同作用而成，以樹(shù)脂為基體陶瓷為吸波體的吸波材料是一個(gè)重要的技術(shù)分支。

樹(shù)脂型膠粘劑主要有：聚酯、聚氨酯、酚醛樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂等，上述膠黏劑具有較好的粘結(jié)力，其能夠?qū)⒉牧险辰Y(jié)在一起從而成型得到具有一定的物理機(jī)械性能、耐介質(zhì)性能、低溫固化性能、保光保色性能和耐候性能，同時(shí)上述材料通常具有一定的韌性、剛性，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同結(jié)合性能的需要（如粘度、硬度）可以選擇不同的樹(shù)脂基體從而獲得滿(mǎn)足使用需求的吸波材料。

陶瓷類(lèi)吸波材料目前國(guó)內(nèi)外研制開(kāi)發(fā)的主要有碳化硅、氮化硅、氧化鋁、硼硅酸鋁材料或纖維等，特別是碳化硅纖維或材料。

二、專(zhuān)利技術(shù)分析

為了更好地了解樹(shù)脂基陶瓷吸波材料相關(guān)技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)情況，本文作者選擇中文庫(kù)中國(guó)專(zhuān)利文摘數(shù)據(jù)庫(kù)（cNABs），外文庫(kù)德溫特世界專(zhuān)利索引（DWPI）數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)計(jì)量排序、可視化聚類(lèi)、引證統(tǒng)計(jì)等分析方法，揭示了樹(shù)脂基陶瓷吸波材料的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，檢索時(shí)間截止到2017年7月1日。

（一）全球?qū)＠暾?qǐng)量趨勢(shì)分析

1974年，日本出現(xiàn)了第一份有關(guān)利用陶瓷作為吸波劑、樹(shù)脂作為基底的專(zhuān)利申請(qǐng)JPS4911120A，并揭示了其在陶瓷材料作為吸波劑在吸波領(lǐng)域中的應(yīng)用，自此宣告了該項(xiàng)技術(shù)的從無(wú)到有。隨后幾年日本、美國(guó)、歐洲等就陶瓷材料在吸波領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行一些系列申請(qǐng)，而中國(guó)自1993年才在該領(lǐng)域有了第一份專(zhuān)利申請(qǐng)CNl075972A，且在2000年之前只有3份相關(guān)申請(qǐng)。在1996年之后該領(lǐng)域的申請(qǐng)量呈現(xiàn)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，直至2006--2013年間年申請(qǐng)量趨于穩(wěn)定，并維持在一個(gè)較高的水平，說(shuō)明該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)平穩(wěn)的發(fā)展期。值得注意的是，申請(qǐng)日為2015-2016年的專(zhuān)利申請(qǐng)量與平穩(wěn)發(fā)展期相比呈現(xiàn)一定的上升趨勢(shì)，說(shuō)明該領(lǐng)域在近些年來(lái)的研究又有了升溫的趨勢(shì)。

（二）國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利申請(qǐng)量趨勢(shì)對(duì)比

國(guó)外的專(zhuān)利申請(qǐng)從1974年開(kāi)始，逐漸步入快速發(fā)展期，直到2004年年申請(qǐng)量達(dá)到頂峰，并在之后的幾年一直維持在年申請(qǐng)量10-15件的水平上，說(shuō)明發(fā)展進(jìn)入了平穩(wěn)期，2014年開(kāi)始，國(guó)外在該領(lǐng)域的研究呈現(xiàn)減退的趨勢(shì)，這與他們開(kāi)始著力在碳系、導(dǎo)電高分子等材料作為吸波劑的研究有關(guān)。與國(guó)外技術(shù)的發(fā)展所不同的是，中國(guó)直到1993年才出現(xiàn)了該領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)，而且每年的申請(qǐng)量并不大，可見(jiàn)我國(guó)在樹(shù)脂基陶瓷吸波材料領(lǐng)域的研究與國(guó)外相比起步較晚，但是自2004年開(kāi)始，我國(guó)的專(zhuān)利呈現(xiàn)直線(xiàn)上升趨勢(shì)，說(shuō)明我國(guó)在該領(lǐng)域也有了較大的投入。

（三）樹(shù)脂基陶瓷吸波劑分析

陶瓷基吸波材料的吸波劑研究主要有碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁、鈦酸鋇、粘土、陶瓷粉等種類(lèi)，一般可根據(jù)吸波材料的應(yīng)用條件和吸波性能的要求，選擇不同的吸波劑。

在樹(shù)脂基陶瓷吸波材料領(lǐng)域中，吸波劑的研究熱點(diǎn)主要在氮化硅上，其占比達(dá)到28.9%，這是因?yàn)橄鄬?duì)其他氧化物陶瓷基體，氮化硅化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性高，高溫穩(wěn)定性好，可確保吸波材料性能在高溫下的溫度性，是較為理想的高溫吸波材料。且將碳化硅做成特定結(jié)構(gòu)，諸如泡沫型碳化硅，還具有相互貫通的網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)可以在陶瓷骨架表面產(chǎn)生電流，電流轉(zhuǎn)變?yōu)闊峄螂娮钃p失，該泡沫碳化硅陶瓷具有像人造磁鐵一樣吸收、利用電磁波的性能，對(duì)電磁波、微波輻射具有明顯的反射、散射及干涉，具有良好的吸收特性。如CN101174720A專(zhuān)利申請(qǐng)中，申請(qǐng)人利用10-40%的碳化硅纖維和60-90%樹(shù)脂的樹(shù)脂制備的共振和反共振電磁復(fù)合材料具有較好的微波吸收性能。其次，是陶瓷粉的研究占比23.2%，然后依次是鈦酸鋇、粘土、氧化鋁、氮化鋁等。

陶瓷基樹(shù)脂吸波材料中三種重要的吸波劑SiC、陶瓷粉、鈦酸鋇的專(zhuān)利申請(qǐng)量趨勢(shì)類(lèi)似，其中SiC和陶瓷粉一直是研究的熱點(diǎn)，在2013-2016年間的專(zhuān)利申請(qǐng)量保持在9-10件，而陶瓷粉的申請(qǐng)量也保持在2-7件之間。

（四）樹(shù)脂基陶瓷吸波材料樹(shù)脂基質(zhì)分析

將陶瓷類(lèi)吸波劑做成一定的形狀或者涂覆在基體上達(dá)到吸波的目的，需要用到具有粘合性能的基質(zhì)作為載體，最常用的樹(shù)脂類(lèi)基體主要包括以下幾種：環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)、聚氨酯類(lèi)、丙烯酸類(lèi)、酚醛樹(shù)脂類(lèi)、聚乙烯類(lèi)等。在指明了需要具體樹(shù)脂作為吸波劑的基質(zhì)的專(zhuān)利申請(qǐng)中，環(huán)氧樹(shù)脂的使用頻率最高達(dá)到32.4%，主要是由于環(huán)氧樹(shù)脂的加工性能和金屬或?qū)Ψ墙饘俦砻娴恼辰訌?qiáng)度較好，且加工成型后的硬度高，柔韌性較好，粘附成型性能相對(duì)其他樹(shù)脂而言也是更優(yōu)異的。其次應(yīng)用較多的樹(shù)脂是聚氨酯樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等，也有一部分專(zhuān)利申請(qǐng)中使用其他種類(lèi)的，如ABS樹(shù)脂、醇酸樹(shù)脂、己內(nèi)胺樹(shù)脂等，但相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)相對(duì)而言還是偏少。

（五）樹(shù)脂基陶瓷吸波材料應(yīng)用領(lǐng)域分析

吸波材料的應(yīng)用領(lǐng)域包括軍用領(lǐng)域，如主要涉及武器裝備，為消除武器裝備的暴露癥候，實(shí)現(xiàn)其隱身性能;民用領(lǐng)域主要涉及對(duì)人體有傷害的電磁波、微波等輻射的吸收，具體涉及手機(jī)輻射、電器微波輻射等，以及抑制電子器件之間的電磁干擾。還有一部分專(zhuān)利申請(qǐng)主要基于理論研究實(shí)現(xiàn)電磁波的屏蔽以及電磁波的吸收。

樹(shù)脂基陶瓷吸波材料的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在民用領(lǐng)域，其占比達(dá)到36.2%，該應(yīng)用領(lǐng)域的申請(qǐng)人較多，很多企業(yè)和高校均有涉及。而軍用領(lǐng)域的申請(qǐng)人主要為一些高校和一些大型企業(yè)和研究所，申請(qǐng)量占比19%。未指明具體的應(yīng)用領(lǐng)域，只是制備出一種吸收性能較好的吸波材料申請(qǐng)量較大，達(dá)到28.9%。還有一部分專(zhuān)利申請(qǐng)的吸波材料既可以應(yīng)用在軍用領(lǐng)域也可以應(yīng)用在民用領(lǐng)域。

民用領(lǐng)域中，臨沂中瑞防輻射科技有限公司申請(qǐng)的專(zhuān)利CN205368865U，公開(kāi)了一種電磁屏蔽防輻射布，該防輻射布包括基底層、吸波層和金屬離子膜層;吸波層位于基底層上方，金屬離子膜層設(shè)于吸波層的上方，基底層的下方還設(shè)有透明耐磨層，金屬離子膜層的上方還設(shè)有復(fù)合納米抗菌層，吸波層為聚氨酯、納米碳化硅、玄武巖纖維，按照1：0.2：0.05的比例混合制成的涂料，涂料厚度為0.05-0.2mm。該電磁屏蔽防輻射布在金屬離子膜層和吸波層雙重作用下，屏蔽效能高，在10MHz-40GHz范圍內(nèi)擁有較高的屏蔽效能，屏蔽效能可以達(dá)到80dB以上，同時(shí)由于該布還設(shè)有透明耐磨層和復(fù)合納米抗菌層，其耐磨性好，抗菌效果好，安全系數(shù)更高，該電磁屏蔽布廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、微波、防靜電、防爆等專(zhuān)業(yè)人員勞動(dòng)保護(hù)服裝、孕婦服裝，可以避免電磁波對(duì)人體造成傷害，對(duì)人體進(jìn)行有效的保護(hù)。

在軍用領(lǐng)域，如中物功能材料研究院有限公司申請(qǐng)的專(zhuān)利CNl05643997A，公開(kāi)了一種具有雷達(dá)隱身功能的方艙及其制備方法中，公開(kāi)了利用將纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基材料和吸波材料碳化硅復(fù)合纖維制備成片材，再將片材制備成蜂窩芯，然后再將吸波材料中與其他板材進(jìn)行加壓定型得到具有雷達(dá)隱身功能的方艙大板，可以有效降低其雷達(dá)散射截面積，提高武器裝備的隱身性能，減少裝備被發(fā)現(xiàn)、被識(shí)別的概率，增強(qiáng)武器裝備的生存能力。

理論研究領(lǐng)域，如上海硅酸鹽研究所的專(zhuān)利申請(qǐng)CNl793039A公開(kāi)了一種碳化硅一碳微波吸收復(fù)合材料及其制備方法，利用SiC為吸波劑再加入酚醛樹(shù)脂作為粘結(jié)劑，烘干后研磨，最后在Ar保護(hù)下進(jìn)行燒結(jié)后，獲得復(fù)合粉料，22.86×10.16×12mm³的該吸波材料在x波段內(nèi)的采用波導(dǎo)法測(cè)定的最大微波衰減值達(dá)到-40db（分貝），該復(fù)合吸波陶瓷材料在微波使用領(lǐng)域最為廣泛的x波段（8-12GHz）內(nèi)具有良好吸波性能。

三、結(jié)語(yǔ)

樹(shù)脂基陶瓷吸波材料作為抵御或減少電磁輻射的材料，已成為當(dāng)今科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，樹(shù)脂基陶瓷吸波材料的專(zhuān)利申請(qǐng)主要涉及將吸波劑與樹(shù)脂基體進(jìn)行混合制備吸波材料，以及對(duì)于結(jié)構(gòu)造型的改進(jìn)以增強(qiáng)吸收電磁波、微波的能力。