复合吸波材料（精选八篇）
复合吸波材料 篇1
理想的吸波材料应具有吸收频带宽、质轻、厚度薄、机械性能优异和使用方便等综合性能。为解决传统的吸波材料密度大、吸收频段窄的问题, 各国都在致力于研究新型吸波机制、开发高性能吸收剂等[1,2,3], 其中核壳型吸收剂成为高性能吸收剂研究热点之一。核壳型吸收剂是以一个球形颗粒为核, 在其表面包覆一层或数层壳而形成的复合多相结构[4], 核与壳之间常以化学键作用、库仑静电引力作用和吸附层媒介作用相结合[5], 形成可分为小颗粒包覆、层状薄膜包覆以及交联包覆等的包覆结构 (见图1) 。通过核壳材料多层设计、组成含量的调整, 调节、优化吸波材料的电磁参数, 实现阻抗匹配并提高吸波性。目前常见吸收剂主要有金属微粉、碳、铁氧体吸收剂等, 本研究针对以铁氧体、有机高分子导电聚合物、金属微粉、无机非金属氧化物或碳系材料为壳的核壳型复合吸收剂, 对其种类、制备方法、特点及微波吸收性能等进行了阐述。
1 核壳型吸波材料组成及制备
1.1 铁氧体壳
以铁氧体为壳的核壳型吸波粒子常见组成形式为铁氧体@铁氧体、金属微粉@铁氧体、空心微球@铁氧体[6,7,8], 钛酸盐@铁氧体[9]的类型相对少见。这类核壳材料利用铁氧体低介电常数、强吸收、抗氧化性强等特点[10]来弥补核材料不足, 优化阻抗匹配, 改善吸波性能。溶胶-凝胶法具有原料分子水平混合、反应温度低、生成物组成及粒子代换容易控制等特点[11], 是制备此类物质的常用方法之一。
铁氧体在微波频段的吸收机制主要是自然共振, 不同铁氧体的共振频段互有差异, 采用不同类型的铁氧体复合可以拓宽响应频率。陈映杉等[12]制备了M型SrFe12O19@尖晶石型NiFe2O4, 样品在8~18GHz范围内吸收逐渐增强。当核壳质量比为1∶2时, 最低反射系数为-9.7dB (12GHz) 。相比于SrFe12O19 (-8.3dB, 10.8GHz) 和NiFe2O4 (-8.2dB, 9.3GHz) , 微波吸收性能有效提高。将核壳材料互换进行比对实验, 证明核壳材料的性能与壳材料有密切的联系。
良好的匹配特性是制备高性能吸波涂层的基本条件之一。而作为核材料的金属微粉的介电常数通常较高。薛志等[13]的发现NiZn铁氧体包覆的FeSiAl合金材料由于铁氧体的作用会使得介电常数明显下降而复磁导率变化不大, 为实现良好的匹配特性提供了可能。哈日巴拉等[14]制备了Ni@Fe3O4的吸波性能 (6.3~12.3GHz吸收大于-6dB, 峰值-14dB) 在相同质量条件下明显优于纯Ni (8.1~9.7GHz吸收大于-2dB, 峰值-5.3dB) 和Fe3O4 (低频段几乎无吸收) 。吸收频率宽度比单纯Ni宽两倍以上, 且改变Ni含量可实现对不同频率微波的吸收。
作为重要铁磁材料的铁氧体与具有铁电性的钛酸钡制成核壳结构材料可以形成多铁性材料, 产生磁电效应[15]。关于此类核壳结构的研究多集中对制备材料的磁性能的考察。Yu M等[16]制备的多铁性BaTiO3@NixZn1-xFe2O4随着镍含量的减少, 其饱和磁化强度和矫顽力均呈现下降趋势。镍、锌摩尔比为7∶3时, 制得的粒子具有较好的磁性能, 饱和磁化强度和矫顽力分别为26.999A·m2/kg和902.787A/m。
以上几种以铁氧体为壳的核壳型吸波材料的突出问题是密度大, 难以达到质轻的要求。空心微球@铁氧体的吸波材料可以利用空心玻璃微珠低密度、化学稳定性和热稳定性好的特点来弥补铁氧体密度大的缺点。赵海涛等[17]在空心玻璃微珠表面上包覆了不同质量百分比镍铁氧体。复合材料的介电常数虚部比镍铁氧体介电虚部高, 介电性能好, 但磁性能降低。当空心玻璃微珠含量为25%时样品对电磁波反射率小于-10dB的频宽为2.1GHz, 最小反射率为-13.7dB。张晏清等[18]制备的空心微珠@钡铁氧体较原钡铁氧体吸波频段宽化, 在测试范围5~18GHz内出现多个磁损耗与电损耗正切峰值, 且数值高于钡铁氧体。
1.2 金属微粉壳
以金属微粉为壳的核壳型复合材料常见结构为金属微粉@金属微粉、铁氧体@金属微粉、空心微珠@金属微粉[19,20,21]。金属微粉是一类重要的电磁波吸收剂, 以其为壳可以充分发挥其居里温度高、温度稳定性好、微波磁导率较大和介电常数较大的优点。化学镀方法是制备金属微粉壳的常用技术, 该法可在粉体表面获得结构均匀、厚度可控的包覆层。
刘飚等[22]制备了微米级Fe粉@纳米Co粒子的复合材料。反射损耗低于-8dB的带宽达7GHz。但是上述反应副产物存在醛类, 对环境和人体健康不利。林俊峰等[23]进行了技术改进, 使用化学镀制备了Co/Fe核壳粉末, 并确定了最佳反应温度、pH值、联氨和柠檬酸及铁粉的用量。张晓宁[24]同样证实了核壳型结构的合金吸波材料比单纯原料Fe和Ni样品更具优异的电磁参数—较高的磁损耗角、较低的复介电常数。
潘喜峰[25]制备了新型钴基金属 (纯钴及钴合金) 包覆锶铁氧体复合吸波材料, 并对吸波机理进行了研究, 证实了核壳材料的互补性, 而复合方法对性能有着重要的影响。所获样品的Rmin为-43.46dB。核壳间界面处发生的界面极化和磁晶交换耦合作用增强了复合粉末对电磁波的吸收。
刘浩[26]采用化学镀法分别得到了球形结构和准膜状结构的铁镍合金包玻璃微珠核壳复合粒子。复合粒子磁导率相对较大, 为磁损耗为主的吸波介质。厚度2.5mm的球形玻璃微珠@铁镍合金材料Rmin=-49.28dB, 且R<-10dB的频宽约为9GHz;膜状的玻璃微珠/铁镍合金材料Rmin=-33.8dB, 且R<-10dB的频宽约为4GHz。
此外, 金属微粉也可包覆于有机物上, 但是这类以电损耗、磁损耗材料复合得到的核壳材料仍是以电损耗为主, 并未展现预期的吸波性能。如赵雯[27]在苯乙烯载体表面沉积一层磁性物质镍, 得到轻质磁性微球 (平均密度2.7g/cm3) , 其电磁参数为ε′r=57.54~63.26, ε″r=25.80~33.60, μ′r=0.65~0.70, μ″r=0.13~0.22, 磁导率较低的突出问题仍未得到改善。
1.3 导电聚合物膜
以导电聚合物如聚苯胺 (PANI) 、聚吡咯、聚吡啶、聚苯乙烯[28,29,30,31]等为壳的核壳型吸波材料的常见组成为铁氧体@导电聚合物[32]、金属微粉@导电聚合物[33]及碳材料@导电聚合物[34], 空心微球@导电聚合物[35]相对少见。Kazantseva N E等[36]分析了磁性物质与导电高聚物之间的相互作用机理。原位复合法是制备此类结构材料的主要方法之一[37]。
李貌等[38]采用原位复合技术用PANI包覆3种铁氧体。复合材料的损耗机理来自于PANI的介电损耗和铁氧体的磁损耗两部分, 其中Li0.45Zn0.1Fe2.45O4@PANI吸波性能最佳, -8dB带宽为5GHz, 峰值损耗为-26.1dB。景红霞等[39]制备的羰基铁@聚苯胺复合材料的磁导率和介电常数的实部和虚部较聚苯胺都有较大提高。6%聚苯胺吸波性能最佳, 峰值为-39.1dB。张君燕等[33]制备了Ni@PANI, 其电导率高于Ni和PANI的机械混合涂层电导率, 屏蔽效能也好于后者, 其中60%左右为吸收损耗。Yu[34]采用磁性物质结合PANI层包覆短碳纤维制备出导电导磁的短碳纤维, 改性后, 其介电性能下降, 磁损耗增大。
将导电高聚物和磁性粒子复合, 牺牲部分电损耗提高磁导率, 形成电磁复合损耗机制, 可以使电磁参数趋近最佳匹配, 减少反射、增加吸收, 是制备高性能纳米吸波材料的可行方案之一。
1.4 无机非金属氧化物、偶联剂壳
常见的以无机非金属氧化物或偶联剂为壳制备核壳型吸波材料的组成模式为金属微粉@SiO2、金属微粉@Al2O3、金属微粉@偶联剂[40,41,42]等。这种金属微粉表面包覆无机非金属氧化物的方法, 一方面改善了吸收剂在基体中分散性和均匀性, 增强了粒子间的多重散射和吸收;另一方面, 均匀致密的颗粒状纳米壳层能在保持磁导率不变的前提下降低样品的介电参数实部, 利于吸波涂层的阻抗匹配。而且氧化硅作为包覆层还能够起到抗氧化作用[43]。
王登科等[44]制备了尺寸为50nm, 壳的厚度为4~5nm的氧化硅包覆铁的核壳型纳米粒子。涂层厚度为1.79mm时, 在15.4GHz频率处峰值为-14.5dB, 反射损耗在8~18GHz低于-10dB。童国秀等[43]采用化学液相沉积法制备了羰基铁@Al2O3核壳复合粒子。与羰基铁相比, 复合粒子的抗氧化性能、电磁参数及其与基体的界面相容性明显改善, 磁导率虚部基本不变, 利于吸波涂层的阻抗匹配, 改善频散特新。谢建良等[45]采用溶胶-凝胶法制备了SiO2/金属核壳粒子, 测量结果显示SiO2包覆在磁粉表面形成高电阻率的包覆膜, 各个粒子被薄膜隔离开来, 减少了粒子作为电偶极子的极化强度。制备1mm涂层在8dB的吸收带宽由改性前的3.2GHz增加到7GHz。采用偶联剂[46]包覆制备1mm涂层在8dB的吸收带宽由改性前的4.3GHz增加到8.2GHz。
1.5 碳材料壳
碳材料属于电损耗材料, 具高温强度大、热膨胀系数小、耐蚀、质轻等特点[47], 但以碳材料为壳的研究相对较少, 通常情况是以碳系材料为基体在其上进行包覆。
陈晓东等[48]用溶胶-凝胶法制备了表面包覆有一定厚度的炭黑薄膜的钛酸钡复合粒子。结果表明包覆工艺显著改善了材料的导电性能并提高了介电常数, 而且随着炭黑粒子在吸波材料中含量的不同, 它对电磁波吸收性能的影响不同:当吸收材料中炭黑质量分数达到或超过20%时, 复合粒子的电磁波的吸收性能改善。此外, 袁霞等[49]制备了碳包覆Ni纳米材料, 电损耗角正切值在0.1~0.2之间, 磁损耗正切值在0.06~0.14之间。安玉良等[50]制备的碳包覆铁纳米材料电损耗角正切值在1.1~1.2之间, 磁损耗角正切值在0.45~0.70之间。虽然上述两种核壳材料既具电损耗, 又具磁损耗效应, 但是其磁性能仍有待进一步地提高。
2 总结及展望
核壳型吸收剂可以兼顾导电、磁性、吸收剂密度等多个因素, 在调整吸收剂电磁参数、制备高性能吸收剂中发挥了重要作用。其中, 铁氧体@导电高分子复合时在保证原有磁损耗的基础上增加了导电损耗, 且在制备中可以改善粒子的分散特性, 实现壳厚度可控, 又能在一定程度上降低材料的密度, 具有良好的发展前景。SiO2空心微珠在保证复合材料密度小的前提下, 可以适当增加壳层的数量, 为实现多层复合, 多材料复合, 多损耗复合提供了重要的发展空间。
未来核壳型吸收剂的发展主要体现在:
(1) 核壳结构吸收剂的设计与模拟、优化计算, 有利于理论指导实验合成实践。
(2) 多层核壳结构吸收剂研制, 以进一步提高吸收剂的阻抗匹配与吸收性能。
(3) 提高制备工艺实现核壳结构吸收剂的工业化生产, 实现吸波材料高吸收、宽频化等综合性能。
摘要：核壳型结构能提高微波吸收剂阻抗匹配特性、分散性等, 已成为高性能吸收剂研究热点之一。本文介绍了以铁氧体、有机高分子导电聚合物、金属微粉、无机非金属氧化物或碳材料为壳的核壳型复合吸收剂的种类、制备方法、特点及最新研究现状, 并对核壳型复合吸收剂发展趋势进行了展望。
吸波材料 篇2
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一、引言
将电磁波转换为其他形式的能量（如机械能、电能和热能）而消耗掉,可用于隐身目的的材料称为隐身吸波材料。隐身技术是指在一定探测环境中控制、降低各种武器装备的特征信号，使其在一定范围内难以被发现、识别和攻击的技术。由于隐身技术能极大地提高武器的生存能力和作战效果，受到许多国家的高度重视，成为集陆、海、空、天四位一体的立体化现代战争中最重要、最有效的突防战术技术手段，成为现代军事研究的关键技术。
随着电子对抗技术的不断发展，未来战争的各种武器将面临巨大的威胁，提高武器系统的生存能力及突防能力是现代武器研制的重点。隐身技术作为提高 武器作战效能的一种有效手段，与激光、巡航导弹并称为当今军事技术的三大革命。隐身技术自从问世以来，在战斗机、导弹和舰船等主要作战武器系统上的应用都得到了较大的发展。短短几年的时间，隐身技术的研究及其应用又获得了突破性进展。它的应用范围又得到很大扩展，已波及到水雷、机车、工事、战车等领域。
美国的飞机隐身技术处于世界领先地位，其杰出代表是F-117A隐身攻击战斗机、B-2隐身战略轰炸机和F-22先进战术战斗机。其中F-117A隐身攻击战斗机是美国空军第1种服役的隐身战斗机。在海湾战争中，F-117A隐身战斗攻击机的出色表现和令人吃惊的战果，使得隐身技术更进一步受到世界军事强国的重视，成为引人注目的高技术武器系统。F-117A 曾被称为“黑色喷气机”，原因是机体表面几乎全部涂覆了黑色的雷达吸波材料。
B-2隐身战略轰炸机外表面涂覆有一种具有不同厚度的韧性隐身涂层。这种涂层是导电的，每5年要更换一次，在B-2轰炸机的整个寿命期内，将这种涂层剥除并重新涂覆大约要进行4次，以保证它的隐身特性。B-2轰炸机大量采用了吸波复合材料，如机身表面的大部分由吸波的碳纤维蜂窝夹层结构制成。外翼的蒙皮及梁大多采用碳纤维/环氧复合材料。
F-22是是美国洛克希德.马丁与波音公司为美国空军研制的21世纪初主力重型战斗机，在美国空军武器装备发展中占有最优先的地位。F-22的隐身性能是 采用了更先进、更成熟的隐身材料技术：大量采用了复合材料结构，复合材料占整个结构重量的26%。
在当前战争中，雷达仍是探测目标的最可靠方法之一。目前，针对雷达的隐身技术途径主要是利用雷达吸波材料对雷达波进行吸收或是减少对它的反射。所以各国普遍重视对吸波材料的研究与开发，它的发展及使用对未来战争的胜败将具有很大的意义。
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二、吸波原理
雷达吸波材料简称为吸波材料，吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量，并通过材料的介质损耗使电磁波能量转化为热能或其它形式的能量而耗 散掉的一类材料。它的工作原理与材料的电磁特性有关。良好的吸波材料必须具备两个条件，一是雷达波射入到吸波材料内，其能量损耗尽可能大：二是吸波 材料的阻抗与雷达波的阻抗相匹配，此时满足无反射。实用上常要求吸波材料在一定频宽范围内(如8~18GHz)对电磁波强烈地吸收，理想的情况是全吸收，即反射系数为零。
要想对电磁波进行有效的吸收：
(1)使电磁波最大限度进入到材料内部，以减少电磁波的直接反射。介质对电磁波的反射系数为：
Z和Z0分别是介质的特性阻抗和自由空间的波阻抗。
(2)电磁波进入材料内部后，要设法对入射的电磁波进行有效的吸收和衰减。
能量损耗: tanD= tanDE + tanDM = Ed/Ec+ Ld/Lc DL为感应电场D相对于外加电场的滞后相位； DM为感应磁场B相对于外加磁场的滞后相位；
Ed为在外加电场下，材料的电偶极矩产生重拍引起的损耗的量度； Ld为在外加磁场下，材料的磁偶极矩产生重拍引起的损耗量度； Ec和Lc分别为材料在电场和磁场作用下产生极化和磁化的程度。
三、研究现状与分类
吸波材料的种类发展至今已有十多种。它有多种分类方法，主要有下列几种：（1）按类型可分为功能吸波材料和结构吸波材料；（2）按材料成型工艺和承载能力，可分为涂敷型吸波材料和结构型吸波材料，前者是将吸收剂与粘结剂混合后涂敷于目标表面形成吸波涂层。后者具有承载和吸收雷达波的双重功能，通常是将吸收剂分散在层状结构材料中，或是透波性能好、强度高的高聚物复合材料(如玻璃钢，芳纶纤维复合材料)作面板，夹芯采用蜂窝状、波纹体或角锥体的夹芯结构；（3）按材料损耗机制，吸波材料可分为电阻型、电介质型和磁介质型三大类。碳化硅、石墨等属于电阻型吸波材料，电磁能主要衰减在材料电阻上。钛酸钡之类属于电介质型吸波材料，其机制为介质极化驰豫损耗。磁介质型吸波材料的损耗机制，主要归结为铁磁共振吸收，这类材料有铁氧体、羰基铁等；（4）按吸收原理，吸波材料又可分为吸收型和干涉型两类。吸收型吸波材料主要是材料本身对雷达波损耗吸收，干涉型是利用吸波层表面反射波和底层反射波的振幅
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相等相位相反进行干涉抵消，它的缺点是吸收频带很窄。吸波材料的吸波性能取决于吸收剂的损耗吸收能力，因此吸收剂的研究一直是吸波材料研究的重点。
铁氧体、金属微粉、钛酸钡、碳化硅、石墨、导电纤维等均为传统吸波材料，它们通常都存在吸收频带窄、密度大等缺点。新型吸波材料包括纳米材料、多晶铁纤维、“手征”材料、导电高聚物及电路模拟吸波材料等，它们具有不同于传统吸波材料的新型吸波机制。传统吸波材料以强吸收为主要目标，新型吸波材料则要求满足“薄、宽、轻、强”。即1）在工作频带中，使入射到材料内部的电磁波在尽量薄的厚度被快速损耗吸收。2）在足够宽的工作频带中，要求材料与空气有良好的匹配，使空气与材料界面间的总反射很小，这就要求材料有较好的频率特性，再通过合理的设计，充分利用材料的性能。3）要求吸波涂层材料的面密度小、重量轻．其中对隐身飞行器尤为关键。4）有高的力学性能及良好的环境适应性和理化性能，就是要求材料具有粘结强度高，耐一定的温度和不同环境变化的要求在传统吸波材料中，铁氧体吸波材料和金属微粉吸波材料是两种研究得最多并已得到较广泛应用的吸波材料。而纳米材料和多晶铁纤维则是目前众多新型吸波材料中性能最好的两种。而未来的吸波材料则应满足多频谱隐身、环境自适应、耐高温、耐海洋气候、抗核辐射等更高要求，以适应日趋恶劣的未来战场。铁氧体吸波材料
铁氧体系列吸波材料，包括镍锌铁氧体、锰锌铁氧体和钡系铁氧体等。由于强烈的铁磁共振吸收和磁导率的频散效应，铁氧体是一种较好的材料。这种材料的优点是涂层厚度薄、重量轻、稳定性好，具有吸收强、频带较宽及成本低的特点。因而被广泛应用于隐身领域。自然共振是铁氧体吸收电磁波的主要机制。按微观结构的不同，铁氧体可分为尖晶石型、石榴石型和磁铅石型，它们均可作吸波材料。研究表明，3种铁氧体中六角晶系磁铅石型吸波材料的性能最好，具有较高的自然共振频率。
铁氧体吸波材料已广泛应用于隐身技术，如B-2隐身轰炸机的机身和机翼蒙皮最外层涂敷有镍钴铁氧体吸波材料，TR-l高空侦察机上也使用了铁氧体吸波涂层。当面密度约5 kg/m2、厚度约2 mm时，铁氧体吸波材料在8～l8 GHz频带内吸收率可低于－10dB。但铁氧体吸波材料存在密度大、高温性能差等缺点。研究表明，当温度由25 ℃变化至100 ℃时，铁氧体吸波材料的吸波性能呈明显下降趋势。而高速飞行器(如米格25)，要求吸波材料在600 ℃以上工作，这必将无法满足未来武器系统需要。2 金属微粉吸波材料
金属微粉吸波材料主要以磁性金属微粉为主，包括羰基铁粉、羰基镍粉、钴镍合金粉等。金属微粉不仅具有良好的电磁参数，而且可以通过调节微粉粒度来调节电磁参数，这个特点有利于达到匹配和展宽频带。金属微粉吸收剂对雷达波具有强损耗吸收，其损耗机制主要归于铁磁共振吸收和涡流损耗。其中羰基铁微粉是最为常用的一种，如美国F/A-18C/D“大黄蜂”隐身飞机使用了这种吸波材料。金属微粉吸波材料具有微波磁导率较高、温度稳定性好(居里温度高达770K)
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等特点，它通过磁滞损耗、涡流损耗等吸收损耗电磁波。它们的电磁参数与组分和粒度密切相关。
目前，虽然金属微粉吸波材料已广泛应用于隐身技术，但金属微粉抗氧化、耐酸碱能力差，远不如铁氧体；介电常数较大且频谱特性差，低频段吸收性能较差；密度大，其吸收剂体积占空比一般大于50%。3 多晶铁纤维吸波材料
多晶铁纤维吸波材料的研究始于20世纪80年代中期，是一种新型轻质的磁性雷达波吸收剂。这种多晶铁纤维包括：羰基铁、镍纤维、钴纤维及其合金纤维。由于纤维密度低，结构为各向同性或各向异性。最新研究表明，纤维状(或针状)吸波材料的吸波能力明显优于球状吸波材料，多晶铁纤维不仅具有纤维形状特别而且具有复合损耗(磁损耗和介电损耗)能力，因而具有重量轻的优点。因此，这种吸收剂可在很宽的频带内实现高吸收率，质量减轻40%～60%，克服了大多数磁性吸收剂存在的严重缺点。
据报道，吸收剂体积占空比为25%，厚度为1 mm的多晶铁纤维吸波涂层．在2～5 GHz频率范围内吸收率大于5 dB，在5～20 GHz宽频带内吸收率可达10 dB。通过改变纤维的长度、直径、含量及排列方式，可调节吸波材料的电磁参数。1992年，美国3M公司研制出微米级多晶铁纤维吸波涂层，长径比约为25，吸波涂层厚度为10 mm。涂层中多晶铁纤维的体积占空比为35%时，涂层在4～6GHz频带内反射率低于－5 dB，在6～20 GHz频带内反射率低于－10 dB，在10.5～13.5 GHz频带内反射率低于－20 dB；涂层中多晶铁纤维的体积占空比为25%时，涂层在4～5 GHz频带内反射率低于－5 dB，在5～16 GHz频带内反射率低于－10 dB，在9～12.5 GHz频带内反射率可低于-30dB。欧洲GAMMA公司采用羰基铁纤维作吸收剂，丝径1～5μm，长度50～500μm，纤维密度低，结构呈各向同性或各向异性。该公司称，这种纤维是通过磁损耗和涡流损耗的双重作用来吸收电磁波能量，因而可以在很宽的频带内实现高吸收效果，且质量可减轻40%～60%。该技术已用于法国国家战略防御部队服役的导弹和载人飞行器，同时正验证用于法国下一代战略导弹弹头的可能性。
多晶铁纤维的形状特征决定了多晶铁纤维具有较高的磁导率，而电阻率却较小, 在外界交变电场的作用下，纤维内的自由电子发生振荡运动，产生振荡电流，将电磁波的能量部分地转变为热能，因而将有很强的涡流损耗。此外，多晶铁纤维还具有较强的介电损耗吸收。纳米吸波材料
纳米材料是指材料特征尺寸在0.1～100 nm的材料。纳米材料的研究处于现代材料科学的前沿。由于纳米材料的特殊结构引起的表面效应、粒子尺寸效应及隧道效应等，导致它产生许多不同于常规材料的特异性能。因此，它具有常规材料所不具有的特殊电磁波耗散机制，有望制成具有频带宽、兼容性好、质量小和厚度薄等特点的吸波材料，是一种非常有发展前途的雷达吸波材料。磁性纳米颗粒、纳米颗粒膜和多层膜是纳米材料用作隐身材料的主要形式。
纳米磁性粒子在10～l00 nm时，多磁畴结构转变为单磁畴结构，具有极大的矫顽力，可引起较大的磁滞损耗。又由于纳米粒子尺寸小，表面原子比例高，悬挂键增多，从而引起界面极化和多重散射。目前，纳米雷达波吸收剂主要有：
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纳米金属和合金、纳米铁氧体、纳米碳化硅、纳米金属膜、纳米氮化铁等。对于磁性纳米粉，其粒径与吸波性能有密切关系，因10～25 nm的铁磁性金属比常规材料的矫顽力大1000倍，磁化率大约20倍，此时具有良好的吸波性能。而当尺寸小于10 nm时，表现为超顺磁性而失去优异的吸收性。美、俄、法、德、日等国都把纳米材料作为新一代雷达吸波材料进行探索、研究。美国已研制出一种称作“超黑粉”的纳米吸波材料，该材料对雷达波的吸收率高达99%，目前正在研究覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料。法国最近研制 成功一种宽频吸波调制周期纳米薄膜涂层，该纳米涂层磁导率的实部和虚部在0.1～10 GHz宽频带内均大于6。与粘结剂复合制备的吸波涂层在50 MHz～50GHz频率范围内具有良好的吸波性能。纳米薄膜或纳米多层膜具有优异电磁性能，适合于隐身材料宽带优化设计。但其吸收机制尚待进一步研究。
四、结 语
随着电子技术的飞速发展，未来战场上的各种武器系统面临着严重的威胁，隐身技术作为提高武器系统生存能力和突防能力的有效手段，受到世界各军事 强国的高度重视。材料技术的发展和应用是隐身技术发展的关键因素之一。因此，具有前瞻性和创新性的新一代隐身吸波材料，是我国国防现代化的急需的关键材料。其经济和社会意义是显而易见的。我们必须密切注视国外该领域研究动态，同时积极开展我国隐身材料的研究，对于提高我国的国防实力具有十分重要的意义。
纳米复合吸波材料制备及性能研究 篇3
1.1制备钡铁氧体轻质复合粉末/空心陶瓷微球,并研究其性能
为了制备钡铁氧体轻质复合粉末/空心陶瓷微球,需要结合使用自蔓延燃烧技术和溶胶-凝胶法。自蔓延燃烧技术指的是通过外部提供一定的热量诱发自身的高放热反应体系中的局部形成前沿燃烧波,产生化学反应,然后利用化学反应中提供的热量下继续诱发产生反应,就这样持续不断的反应,形成蔓延状态的燃烧波[3]。在燃烧波的推进下,原有的混合料物经过充分的化学反应后转化为产物,随着燃烧波的不断蔓延,最终会将这些化学产物转化为复合粉末。而使用溶胶-凝胶法是为了提高溶液的均匀度,达到分子的级别[4]。
1.2空心微球/二氧化钛/钡铁氧体复合粉末的制备及性能研究
首先是采用钛酸四丁酯及有机溶剂配置二氧化钛溶胶,利用溶胶-凝胶法将二氧化钛包覆在空心微球表面。然后将经二氧化钛包覆后的空心陶瓷微球加入到配置好的钡铁氧体前驱物溶液中,通过超声搅拌、干燥脱水处理后,得到空心微球/二氧化钛/钡铁氧体复合粉末。最后将通过化学反应产生的复合粉末与石蜡充分的混合,然后利用相关机械将混合均匀的粉末制成环状的样品,通过同轴传输/反射法来测试样品中的复合粉末,在2-18GHz频段内,所反映出的电磁波性能。
1.3在空心陶瓷微球的表面制备二氧化钛包覆的外壳
如果想在空心陶瓷微球的表面制备出一层由二氧化钛包覆的外壳,就需要利用溶胶-凝胶法。二氧化钛溶胶制备的原料是钛酸四丁酯,这种物质非常容易水解,因此所使用的溶剂是有机溶剂,而不是水。在制作二氧化钛外壳的同时,还要根据严格的处理步骤来处理空心微球,处理好之后留作备用。
取空心微球分散于无水乙醇与乙腈的3:1的混合溶液中,要利用超声波对混合溶液进行20min分散,使之充分的混合。在搅拌的过程中,加入一定量的氨水,其质量分数为27%。按照比例混合20ml无水乙醇、0.2g三乙醇胺、钛酸四丁酯,混合溶液需要充分搅拌5min,使溶液呈现出澄清的状态,然后将搅拌好的溶液与之前的空心微球溶液混合,需要注意的是混合的方式需要逐滴的加入,并在混合后充分搅拌2h,搅拌之后再静置2h,再通过二氧化钛前驱体改变空心微球的性质。在两者反应之后,将沉淀离心分离出来,并经无水乙醇洗涤沉淀。将沉淀烘干研磨后经850℃下高温热处理一小时即得到二氧化钛包覆的空心陶瓷微球。
1.4氧化钛微球/钡铁氧体轻质复合粉末的制备
根据Ba Fe12O19的化学成份配比,进行钡铁氧体前驱物溶液的配制。为了让复合粉末同时达到强微波吸收和轻质的目的,空心陶瓷微球在复合粉末中的含量应该达到50wt%,并且含量要一直保持在这一水平上。在实验的过程中,通过改变复合粉末中二氧化钛的含量,研究在不同的含量下,复合粉末的微波吸收性能、磁性能以及晶体结构受到中间层影响的差异规律,比如二氧化钛的含量可以控制为0、10、20、25、30,也就是说二氧化钛在钡铁氧体总重量中的比重为0%(0/50)、25%(10/40)、66.7%(20/30)、100%(25/25)、150%(30/20)。
将钡铁氧体前驱物溶液与氧化钛陶瓷微球按照一定的比例混合,并利用超声波对混合溶液进行10min分散震荡,然后通过水浴加热混合溶液,其温度要达到80℃,蒸发混合溶液中多于的水分。蒸发的过程要抑制持续到溶液转变成为凝胶状态。由蒸发形成的具有一定湿度的凝胶,再放入干燥箱中加热,使之完全干燥,形成干凝胶。将完全干燥的干凝胶点燃,直至充分燃烧后形成粉末,并在研磨之后对干凝胶粉末高温处理(850℃下,持续1h),最终形成复合粉末。最后将通过化学反应产生的复合粉末与石蜡充分的混合,然后利用相关机械将混合均匀的粉末制成环状的样品,通过同轴传输/反射法来测试样品中的复合粉末,在2-18GHz频段内,所反映出的电磁波性能。
经过反复试验发现,空气中的电磁波如果想进入空心微球的内部,就需要依次穿过铁氧体层、二氧化钛中间层、空心陶瓷微球的壁。这样一来,每次电磁波在穿过层与成之间的时候,就会产生衍射和反射的现象,在电磁波进入空心微球内部的时候,就必须经过多次的衍射和反射。因此,通过添加二氧化钛层,组成多层结构,电磁波会增加入射的时间和传播路程,这也就是吸波介质的厚度增加了,因此增加了电磁波的损耗。
最后,层状结构的复合粉末是由铁磁性物质和非磁性物质共同构成的,两个层之间的距离在数纳米的时候,彼此之间会产生自选转移效应,这种效应也会对吸收电磁的复合粉末带来影响。
摘要：随着现代科学技术不断的发展,电子仪器使用范围的增加,导致电磁波辐射对环境的影响逐日增大,如果想提高国家的军事能力并解决电磁污染的问题,就必须要在这些领域广泛的运用吸波材料[1]。但是由于吸波材料对性能的损耗很大,所以要想提高吸波材料的性能,就需要不断的研究和探讨,并研制出其他性质的吸波材料,进一步提高材料的性能[2]。本文系统的研究了通过结合自蔓延燃烧技术和溶胶-凝胶法,制备出具有多层结构的符合粉末,该多层材料包括以铁氧体作为外壳并以空心微球作为核心,或者是在中间加入一层金红石型二氧化钛,并分析研究其吸波性能和结构。
关键词：铁氧体纳米,复合吸波材料,制备性能研究
参考文献
[1]黄涛,黄英,贺金瑞.吸波材料研究进展[J].玻璃钢/复合材料,2003(1):37-40.
[2]郭亚平,郭亚军,吕君英.聚苯胺/铁氧体复合颗粒的合成与表征[J].材料科学与工艺,2005,02:1005-1299.
[3]刘学清,刘继延,周芳.稻壳Si O2/聚氨酯纳米复合材料的制备及性能研究[J].广东化工,2010(2):9-10.
复合吸波材料 篇4
随着电子信息化的迅猛发展,电磁波作为信息传播的重要载体,已经渗入到生活的各个方面。电子产品已越来越广泛地应用于国民经济以及家庭生活的各个领域,尤其是近几年来普及的智能手机、智能家居、智能穿戴等终端产品,将电磁波的应用发挥到了前所未有的程度[1,2]。
然而,电子电气产品的应用构建了复杂的电磁环境,也带来了大量的负面影响,诸如电磁干扰(EMI)、电磁信息的安全性和电磁辐射对人体健康的危害等,因此研发电磁波吸收材料十分必要[3]。金属软磁材料由于具有优良的电磁性能,被广泛用于低频段电磁波吸收材料。冯永宝等[4]利用机械合金法对比了一步法和两步法制备的Fe85Si9.6Al5.4片状磁粉。研究表明,当厚度为5mm时,片状FeSiAl吸波材料输入阻抗为0.98,最小反射率和匹配频率分别为-30.97dB和1.47GHz,RL<-10dB的带宽为0.48GHz,可以应用于L和S波段。Luo X J等[5]利用沉降法在羟基丙烯酸甲酯中合成了定向排列的FeSiAl片状磁粉复合材料。结果表明,定向排列的FeSiAl片状磁粉在低频下有较高的磁导率,且有效各向异性场矫顽力He=0.008T,阻尼系数α=0.7,饱和磁化强度Ms=853000A/m,定向排列的复合材料磁导率明显高于随机排列的复合材料磁导率。除此之外,碳纤维作为电阻型吸波材料,亦被广泛应用于吸波材料领域,已成为现代工业不可或缺的一种新型材料。刘渊等[6]利用金属有机化学气相沉积法在碳纤维表面连续沉积了α-Fe膜。结果显示,α-Fe的存在可以明显改善碳纤维的电磁性能,从而改善其吸波性能,相比于未改性的碳纤维,其吸波频带增宽4.2GHz。由此可见,单一的吸波材料很难满足当今吸波材料“薄、轻、宽、强”的要求。只有通过各种形式的复合,才能获得性能良好的吸波材料。在众多的磁性金属中,片状铁硅铝磁性材料具有高饱和磁感应强度和高性价比等优点,有利于吸波材料的高效化。且片状外形结构使其具有强的形状各向异性,有利于提高微波磁导率和自然共振频率。但由于其介电常数相比磁导率较高,且只存在磁损耗,难以满足吸波材料高吸收、宽频化、轻量化的发展要求。而碳纤维材料属于电损耗材料,具有质量轻、强度高、耐高温、耐磨擦、导热、导电及热膨胀系数小等优点。因此本实验将碳纤维与片状铁硅铝磁粉复合,通过控制其质量分数、几何尺寸、排列取向来调节复合材料的电磁参数,从而达到最佳的阻抗匹配和最大的电磁损耗,以获得片状结构和纤维状结构复合、电损耗和磁损耗兼具的吸波性能优良的复合吸波材料。
1 实验
1.1 原材料及仪器设备
实验所用FeSiAl磁粉各组分含量为Fe 85%(质量分数)、Si 9.6%(质量分数)、Al 5.4%(质量分数);碳纤维为经活化的黏胶基碳纤维布,基体材料为石蜡。实验所用X射线衍射仪(XRD)(Cu靶,Kα)为日本理学(Rigaku)生产,型号为D/MAX-2400;扫描电子显微镜(SEM)型号为JSM-6700F,日本电子株式会社生产;实验所用激光粒度分析仪为日本堀场(Horiba)公司生产,型号为LA-950a;超声波震荡仪型号为LBD-L1006,深圳市立波达科技有限公司生产;矢量网络分析仪为美国安捷伦(Agilent)公司生产,型号为E4991A;电子天平型号为FA1004A,上海精天电子仪器有限公司提供。
1.2 实验过程
先将碳纤维进行人工短切,用丙酮预处理,用去离子水反复清洗,在无水乙醇中超声分散30min,去离子水清洗待用。按照比例,称取65%(质量分数)的FeSiAl片状磁粉与35%(质量分数)石蜡,将石蜡进行水浴熔化,将短切碳纤维与磁粉进行机械混合,然后倒入熔化的石蜡中,机械搅拌30min,确保混合均匀。最后,将混合好的原材料倒入预先准备好的模具中,在设定好的压力下模压成型。
1.3 原料表征及性能测试
采用激光粒度分析仪对原料粒度进行分析;用SEM对原料进行微观形貌表征;用X射线衍射仪对原料进行晶型分析表征;用矢量网络分析仪对样品电磁性能进行表征,并基于所测量的电磁参数(εr=ε′-jε″,μr=μ′-jμ″),采用式(1)、式(2)计算反射率R[7,8]。
式中:Zin是吸波材料的输入阻抗;εr是吸波材料的复介电常数;μr是吸波材料的复磁导率;d是吸波材料的厚度;c是光在真空中的传播速率;f是频率。
2 结果与讨论
2.1 粒度分析
图1为FeSiAl粒度频率及累积密度分布曲线。从图1可以看出,FeSiAl的粒径为数十微米到几百微米;300μm以上累积分布密度达到100%。经分析得知,FeSiAl的平均粒径为98.11μm,D50为86.50μm,D90达到161.60μm,粒度离散度((D90-D10)/D50)为1.27,说明粒度分布较集中。
2.2 微观形貌表征
图2为FeSiAl片状粉体的SEM微观形貌图。从图2可以看出,片状磁粉呈无规则随机排列,从比例尺可以看出,磁粉粒径与粒度分析结果一致。
图3为碳纤维的扫描电子显微镜照片,图3(a)为表面形貌,图3(b)为横截面形貌。从图3(a)可以清楚地看到,碳纤维表面原纤沿轴向排列且表面存在沟槽,表面缺陷较少,有沉积物存在;从图3(b)可以看出,碳纤维具有不明显的皮芯结构,直径大约为5μm。碳纤维由于电导率较高,对电磁波有强烈的反射作用,故在实验前需进行表面处理,其目的主要是提高化学键合力。通过表面处理可以引入含氧、含氮官能团,提高偶极力,从而提高表面活性,增强与树脂的浸润性,使其由憎液性转变为亲液性[9,10]。
片状磁粉的排列状况如图4所示。图4(a)为未加磁场的情况下,片状磁粉呈自然随机排布状态;图4(b)为施加外磁场使片状磁粉平行于样品表面规则排列的状态;图4(c)为施加外磁场使片状磁粉垂直于样品表面规则排列的状态。由于片状磁粉具有形状各向异性,可通过改变外磁场的方向,使片状磁粉磁化且发生转动,形成不同方向的规则排列。
2.3 XRD分析
图5为原料FeSiAl磁粉的X射线衍射图谱。FeSiAl合金的相结构一般认为有两种,一种是Fe、Si和Al三种原子在晶格中的占位是任意的,称为bcc结构的无序相;另一种是Si和Al占据体心位置的有序状态而形成的D03超点阵结构。如图5所示,可以看到明显的bcc结构的FeSiAl合金,在2θ=45.2°时,出现最强的衍射峰,半高宽较宽,且在2θ=65°和83°附近时,出现2个较弱的衍射峰。图5中看不到D03超点阵结构,是因为磁粉在机械合金化过程中进行了扁平化处理,即让球形颗粒通过球磨、热处理等工艺转变成片状,球磨过程中会破坏Fe的晶体结构,导致晶格畸变,造成衍射峰宽化,且向高角度方向偏移[11]。
2.4 材料性能
2.4.1 FeSiAl含量对材料吸波性能的影响
图6为选用FeSiAl作为吸波剂,石蜡为基体的吸波材料的反射率曲线。由图6可以看出,随FeSiAl含量的不同,吸波材料在1~3GHz内均呈现一反射率峰值。随着石蜡含量的增加,反射率的峰值向高频移动,吸收频带增宽,当石蜡含量为35%(质量分数),FeSiAl相对含量为65%(质量分数)时,在频率为2.12GHz处反射率最小,为-37.01dB,吸波性能最佳,此配比下反射率小于-10dB的频带宽度为0.48GHz。低频下,FeSiAl磁粉与电磁波作用主要通过自然共振损耗,随着频率的增加,FeSiAl磁粉的涡流损耗增加,故反射率减小。随着石蜡含量的增加,材料的电阻率升高,反射率增大[12]。
2.4.2 碳纤维含量对复合材料吸波性能的影响
从图7可以看出,碳纤维和FeSiAl片状磁粉复合后,复合材料的反射率在碳纤维含量为0.4%(质量分数)时达到了-49.6dB,吸收频带由加入碳纤维之前的0.48GHz增加到1.0GHz,吸波性能显著增强。这是由于FeSiAl磁粉属于磁损耗型吸波剂,碳纤维是一种导电纤维,将两者复合后,一方面碳纤维的加入相当于增加了复合材料的导电通道;另一方面,磁粉存在于短切碳纤维周围,改善了碳纤维周围的电磁环境,使本身易于极化的碳纤维能更好地与电磁波作用,将电磁能转化成热能。因此将两种吸波剂复合后,材料的吸波性能得到增强[13]。
2.4.3 碳纤维长度对材料吸波性能的影响
图8为选用不同长度的碳纤维与片状FeSiAl磁粉复合的反射率曲线。如图8所示,不同长度的碳纤维复合材料均在2.0GHz附近出现反射率峰值。当碳纤维长度为4mm时,反射率最小达到-36.8dB,此时对应的频率为2.09GHz。而长度为2mm及6mm的材料吸波性能均低于长度为4mm的吸波材料。这是因为碳纤维为电阻型吸波剂,短切碳纤维可以看作半波谐振子,在短切碳纤维附近存在似稳感应场,此感应场激起耗散电流,在周围石蜡基体的作用下,耗散电流衰减,从而将电磁能转化成热能而消耗掉[14,15]。碳纤维长度太大,会造成连续传导电流,对电磁波的反射加大,从而损耗减小;而长度太小,感应场强太弱,对电磁波的损耗较弱。因此碳纤维长度为4mm时,复合材料的吸波性能最强。
2.4.4 片状磁粉排列方向对复合材料吸波性能的影响
从图9可以看出,施加磁场使FeSiAl片状磁粉取向排列后,吸波材料的反射率峰值向低频方向移动,且当片状磁粉平行于样品表面时,材料的反射率最小达到-44.2dB,此时反射率小于-10dB的频带宽度为0.5GHz,较无磁场取向时有所增加;而当片状磁粉垂直于样品表面时,材料反射率数值增大,吸波性能减弱。这是由于当片状磁粉方向平行于样品表面时,平面内各向异性场可以突破Snoek极限所带来的影响,而片状粉厚度小于趋肤深度,且具有大的纵横比,对涡流效应的抑制及闭合磁畴的消除是有效的,可减小涡流对材料磁导率的影响,提高磁粉的磁导率,因此其吸波性能良好[16]。
3 结论
(1)FeSiAl与石蜡复合体系中,随着片状FeSiAl磁粉相对量的增加,反射率的峰值和吸收频带向高频移动,当FeSiAl含量为65%(质量分数)时,反射率最小可达-40.7dB,材料吸波性能最佳,且此时反射率小于-10dB的频带宽度为0.48GHz。
(2)碳纤维的加入会增强复合材料吸波性能,增宽吸收频带。当短切碳纤维含量为0.4%时,吸波性能最好。
(3)碳纤维的长度不宜过长或过短,太短造成传导电流太弱;太长会造成强反射,均影响材料的吸波能力。当碳纤维长度为4mm时,吸波性能最强。
复合吸波材料 篇5
将电路模拟结构(电路屏)引入到吸波材料中可以在材料质量增加很小的情况下实现对特定频带电磁波的吸收。该方法适应复合材料的一体化成型技术,是实现轻质、高效多功能吸波材料的一种有效技术途径[1,2,3]。传统的电路屏由金属箔制成,其存在以下缺点[4,5]:(1)金属材料对电磁波全反射,金属屏的加入在一定程度上使吸波体的反射增强,进入吸波体内部衰减的电磁波减少;(2)金属屏虽然可以改变电磁波的反射、传输特性,但自身不具备电磁损耗能力,不能作为吸收剂单独使用;(3)电路屏具有谐振效应,仅在特定频率附近对电磁波有强烈的反射或透过,对电磁波的作用频带较窄。目前,克服上述缺点的主要方法之一是改变电路屏的材料,调整其电磁特性从而扩宽其对电磁波的响应频带,此方法的难点在于材料的选择[6,7]。本研究以既有一定导电能力又对电磁波有较强损耗的活性碳纤维毡为原料,制备了同轴线电路屏,研究了电路屏阵列单元的尺寸和间距对吸波性能的影响,并初步探讨了它的电磁损耗机制,以求开发一种工艺简单、性能优异的新型电路模拟吸波材料。
1 实验
1.1 材料
采用的碳纤维毡为经过活化处理的粘胶基碳纤维毡(天津大学材料学院自制,厚度约为1.2mm);基体为环氧树脂,型号E-44(无锡树脂厂生产);固化剂为低分子聚酰胺,型号203#(天津延安化工厂生产),并在电磁波入射方向上辅以玻璃纤维布以实现材料与自由空间的阻抗匹配[8]。
1.2 试样的制备工艺
试样的制备采用复合材料成型压缩模塑工艺,在四柱式手动油压机上热压成型。在自制的模具上制备碳纤维毡电路屏,同时将预先准备好的成型模具预热。先加入一定量的环氧树脂,再逐一放入玻璃纤维布、电路屏,充分浸润后继续加入环氧树脂,随后开始缓慢加压,在加压过程中不断减压放气,在60℃、10MPa 条件下固化2h,保持一定压力冷却至室温,开模获得试样。根据测试标准,试样尺寸为180mm×180mm×4mm。试样剖面图如图1 所示。
1.3 性能测试
按照GJB2038-94的规定,采用弓形测试法测量复合材料的电磁波反射率,测试时材料被置于金属反射板之上。按照GJB2038-94的规定,采用微波矢量网络分析法测定活性碳纤维毡的复介电常数,测试仪器为8757-E矢量网络分析仪。反射率和复介电常数的测量范围为2～18GHz。
2 结果与讨论
2.1 实验结果
图2是同轴线活性碳毡电路屏的结构示意图。以其作为吸收体,制备了同轴线碳毡电路屏/环氧树脂复合吸波材料,研究了电路屏的尺寸参数(同轴线内半径a、外半径b和间距c)对吸波性能的影响。
2.1.1 内半径a对吸波性能的影响
图3为不同同轴线内半径对吸波性能的影响。由图3可见,含同轴线碳毡电路屏的复合材料具有良好的吸波性能,在a值变化的范围内(3～9mm),材料的有效带宽变化很小,均在10.5GHz左右。随a值的增大,材料的最大吸收峰值逐渐减小(a=3mm、5mm、7mm、9mm时,最大吸收峰值分别为-24dB、-21.9dB、-21.2dB、-17.9dB),吸波性能降低。当a=3mm(1#试样)时,材料的吸波性能最佳,有效带宽为10.4GHz,频率为12.5GHz时取得最大反射衰减-24dB。
2.1.2 b、a值按比例同时变化对吸波性能的影响
图4为1#、5#和6#试样的吸收曲线。由图4可知,3个试样所含电路屏中同轴线的外半径b和内半径a的比值固定为常数5,内半径依次递增,分别为3mm、4mm和5mm。当b、a值按比例同时增大时,复合材料的有效带宽和最大反射衰减均逐渐减小,吸波性能降低。由图4还可以看到,相对于1#试样(a=3mm),5#试样(a=4mm)、6#试样(a=5mm)-10dB以下频带的起始频率点分别向低频移动了0.8GHz和1.3GHz,说明外半径和内半径按比例同时增大时吸收频带有向低频方向移动的趋势。
2.1.3 间距c对吸波性能的影响
图5为电路屏中同轴线尺寸相同、间距不同试样吸波性能的比较。
由图5可见,随c值的增大,材料的吸波性能先提高后降低,具体表现为有效带宽和最大反射衰减均先增大后减小。显然,c存在最佳值,在该值下材料的吸收率最大。本实验中,当c=7mm时(8#试样)得到了最佳吸波性能,材料自7GHz以后有-10dB以下的衰减,10.5GHz时达到最大值-25dB,有效带宽达11GHz。
2.2 吸波机理分析
根据电磁学理论[9],在导电媒质中,沿媒质厚度方向(Z方向)传播的均匀平面电磁波解为:
E(z,t)=E0e-j(β-jα)z=E0e-αze-jβz (1)
波在媒质中的穿透深度为:
undefined
式中:undefined为衰减常数,ε、β为相位常数,ε、μ和σ分别为媒质的介电常数、磁导率和电导率,ω为入射波的角频率。图6为活性碳毡的介电常数,μ=1.0。利用式(2)计算可得2～18GHz频带内,电磁波在碳毡中的穿透深度为0.25～0.1mm,远小于试验所用碳毡的厚度(1.2mm)。因此,当入射波到达电路屏时,并不能直接穿透它,而只能依靠屏中的同轴线圆环通过它。电路屏中圆环的尺寸与入射波的波长相近,入射波到达电路屏时会发生衍射现象[10],即透射波将偏离原来的传播方向(垂直于吸波材料板平面的方向),在反射板和电路屏之间经多次反射后逐渐被电路屏中的碳毡吸收(见图7)。
电磁波在电路屏和反射板之间多次反射、衰减所引起的入射波损耗量主要与以下2个因素有关:(1)电路屏对入射波的透过率;(2)电路屏中碳毡所占的面积比(碳毡的面积/电路屏的面积)。除电路屏中碳毡面积比很小的情况外(此时透过电路屏的电磁波经反射板反射,大部分可以再次通过电路屏传播出试样,而未进行衰减),可以近似地认为透过电路屏的电磁波愈多,衰减愈大,即吸波性能与电路屏的透过率呈正比关系。电路屏中规律性排列的同轴线圆环具有频率特性,即对入射波有选择透过性,存在谐振频率,在此频率附近对电磁波有大的透过率,而在其它频率透过率很小[11,12]。由此可知,在电路屏的谐振频率附近,含电路屏复合材料对入射波剧烈的吸收及材料反射衰减曲线上的吸收峰(吸收频带)正是由这种原因形成。谐振频率受电路屏中阵列单元的尺寸、间距影响很大,导致不同同轴线碳毡电路屏吸波性能出现较大差异。
同轴线电路屏的谐振频率主要由同轴线的外半径决定,受内半径影响很小,因此,随内半径a的增大,含电路屏复合材料的吸收频带不会发生明显移动。但a值的增大在一定程度上降低了电磁波的透过率(极限情况a=b,透过率为0),削弱了电磁波在电路屏和反射板之间的多次反射、衰减,使复合材料对电磁波的损耗下降。当外半径b和内半径a按固定比例同时增加时,同轴线的圆环尺寸增大,致使电路屏的谐振频率减小[13],复合材料的吸收频带向低频方向移动,同时,电路屏中活性碳毡的比例迅速减少,材料对电磁波的吸收率下降。当同轴线电路屏中阵列单元的尺寸固定、阵列单元间距太小时,含电路屏复合材料中电磁波的吸收介质(活性碳毡)太少,削弱了材料对电磁波的衰减;当阵列单元间距太大时,试样中碳毡的含量(即电路屏中碳毡面积比)太大,反射特征增强,吸波性能下降,因此,电路屏中阵列单元间距对吸波性能的影响存在最佳值。
3 结论
超材料吸波体吸波特性研究 篇6
关键词：吸波体,超材料,电谐振器,磁导率,介电常数
0 引言
要实现良好的吸波必须具备2个条件:(1)入射的电磁波要尽可能多地进入吸波材料而不被反射;(2)材料要能将电磁波损耗吸收掉[1]。新近提出的电磁超材料由于表现出非常奇妙的电磁效应而成为吸波材料领域研究的热点[2,3]。根据有效媒质理论[4],对超材料的有效电磁参数,可以通过复合介电常数ε(ω)=ε1+iε2和磁导率μ(ω)=μ1+iμ2来描述[5]。大多数研究者的工作主要集中在实现介电常数和磁导率的实部ε1、μ1同时为负(构造负折射率材料)[6],或者构建渐变电磁参数(1.08
本研究提出的环形ERR与短导线组合成的超材料结构,经仿真分析,在窄带范围内同样能完成对垂直入射电磁波的高吸收,其优良的吸波性能及电磁参数的易调节性将在特殊目标隐身或热成像仪设备方面具有潜在的应用。
1 模型设计
实验采用的谐振单元是由短导线(图1(a))与环形电谐振器(图1(b))连接而成的组合结构(图1(c))。经过大量的仿真实验和参数优化设计,得到了最理想的尺寸参数,其中ERR的尺寸参数为:外环半径R=2.0mm、内环半径r=1.2mm、开口g=0.2mm、中间短杆宽t=0.4mm、短导线高H=11.8mm、宽e=0.7mm。ERR和短导线按照如图1(c)所示的方式排列在高L=12mm、宽a=4.2mm、厚度为0.72mm的FR4板(εb=4,σb=0.022S/m)的正反两面。电谐振环与短导线是厚度均为0.017mm的铜材料,其电导率σm=5.88×107S/m。
2 仿真结果及数据分析
数字仿真实验采用基于有限差分法来测算金属-电介质结构的透射参数与反射参数的CST Microwave Studio软件。在8~12GHz频段,对图1(c)中的一个单元的超材料模型进行仿真研究。在垂直入射电磁波激励下仿真提取了一个单元吸波体的散射参数,如图2所示。s11为反射参数,s21为透射参数。
从理论上讲,通过对特殊结构模型的优化设计,实现ε和μ的完美匹配,使吸波体与自由空间达到良好的阻抗匹配,以降低电磁波的反射;另外,激励ε和μ的谐振,使电磁波的透射很低,这样,超材料结构可实现对电磁波的高吸收。通过仿真提取的数据(见图2)可以对一些现象进行合理的解释。反射参数s11在10.2GHz处出现了一个反射波谷,达到最小值为s11=0.112,反射率undefined约为1.25%,说明超材料吸波体与自由空间达到了良好的阻抗匹配,绝大部分电磁波进入了吸波体的内部。在此条件下若折射参数的虚部n2极大[11],则进入吸波体内部的电磁波将很快被损耗吸收。此外,s21在整个仿真频段经历了2个透射波谷,透射幅度在9.6GHz、11.2GHz处均趋近于0。然而,由于磁谐振与电谐振未能同步进行,致使反射参数与透射参数的波谷未能在相同的频点重合,对吸波体的吸波性能产生了消极的影响,在后文中将进一步对调控电谐振及磁谐振作进一步的研究。另一个值得注意的现象是,透射率undefined在整个仿真频段均小于 7.5%,实现了全频段低透射率。根据吸波率公式undefined计算可知,该超材料吸波体在10.2GHz处达到吸收峰,吸波率达到91.3%,且在窄频带内具有良好的吸波效果。同时,也进一步分析了损耗的来源,主要有金属的欧姆损耗及大电场作用下的电介质损耗。其中,在使用无损耗基板替代FR-4基板的情况下,通过仿真研究发现,吸波性能被极大地削弱,这一现象充分说明电介质损耗是该超材料吸波损耗的主要来源。
电磁超材料的一个显著特点是能容易、方便地实现对磁谐振和电谐振的调控,并且,通过对磁导率和介电常数的合理匹配(ε=μ)是实现对入射电磁波高吸收的关键。经研究发现,在不改变ERR的情况下,通过调节短导线的宽度,即可实现对磁谐振和电谐振的微小调节,进而达到优化阻抗匹配,提高吸波性能的目的。磁谐振和电谐振的微小改变使阻抗匹配更加完美,随着短导线宽度的减小,超材料吸波体在较宽频段内实现与自由空间的完美阻抗匹配,电磁波的反射率随着短导线宽度的减小而微弱减小。并且,在强谐振频段,短导线宽度的增加将对透射参数产生较大的影响,在吸波频段,透射率随着短导线宽度e的增加而明显减小,并且透射峰没有频移。因此,通过适度增加导线的宽度,可以明显改善超材料的吸波性能。由于短导线仅有电反应而无磁反应[12],因此,磁谐振的调节是相当复杂的,在垂直入射电磁波的激励下,只有通过环形ERR与短导线的耦合作用,利用ERR中间短杆与短导线形成的反平行电流的激励效应,才能有效驱动磁谐振。从理论上讲,调节ERR中间短杆的宽度将能实现对磁谐振的调节,进而完成对吸波带的调节。
仿真研究与预测一致,图3为提取中间短杆宽度分别为t=0.4mm、0.5mm、0.6mm的超材料结构的反射参数s11和透射参数s21。从图3中可以发现,随着ERR中间短杆宽度t从0.4mm增加到0.6mm,透射参数与反射参数同步向高频方向移动,因此,吸波带也随t的增加而向高频方向移动。此外,另一个值得注意的现象是,中间短杆宽度t的改变不会明显改变阻抗匹配,但会对折射参数虚部n2产生极大影响,n2随着t的增加而减小,因此会削弱该超材料的吸波性能。研究发现,随着中间短杆宽度的增加,磁谐振变化,由于电磁谐振的变化,谐振频率位置也向高频方向移动。从以上分析可以得出结论:通过增加短导线宽度e或者减小ERR中间短杆宽度t,均能在微弱影响阻抗匹配的情况下增强透射率,进而达到优化吸波性能的目的。
3 拓宽吸波频带的研究
目前所研究的超材料吸波体都仅能在窄带范围内实现对入射电磁波的高吸收,因此极大地限制了其潜在的应用。利用有效的方法实现吸波频带的拓展是当前待解决的问题。根据前面的理论,设想利用不同吸波体吸波频段的叠加效应来实现吸波频带的拓宽。设计由中间短杆宽度递变的ERR与短导线组合而成的多层结构(在其它尺寸不变的条件下,将ERR中间短杆宽度分别为t1=0.4mm、t2=0.5mm、t3=0.6mm的单层结构,以板间距0.3mm,顺序组合在一起)。经仿真研究并提取s参数,如图(4)所示。对比图4(a)和图4(b)发现了2种层叠结构的一些共同点:(1)在整个仿真频带电磁波均近0透射;(2)与单层结构相比,组合结构在谐振频段阻抗匹配更加完美,极好地改善了吸波性能;(3)反射参数与透射参数在同频点处达到最小值,说明磁谐振和电谐振达到同步。分析这些现象产生的原因,认为主要是由各层间耦合效应引起的,并且层间耦合作用对调控吸波体的电磁谐振产生了积极的影响,优化了吸波性能。
此外,还发现了它们之间的一些不同之处。经过测算发现,中间短杆宽度递变的多层组合结构,吸波率超过99%的频段达到25.6MHz,而中间短杆宽度均为0.6mm的多层结构,没有吸波率超过99%的频段。这一现象充分说明,基于中间短杆宽度递变的多层组合结构,利用不同吸波频段叠加效应,具有拓宽完美吸波频带的作用,同时能极大地改善超材料吸波体的吸波性能。另一个值得注意的现象是,与单层结构相比,ERR中间短杆梯度递变的多层组合结构电磁谐振频率有明显的降低,引起吸波带向低频方向移动。这些实验数据的获得将为低频,高吸波率超材料的研究提供一个方向。
4 结论
(1)本研究设计的吸波体在窄频带内具有良好的吸波性能,单层结构峰值吸波率达到91.3%,而多层结构能近100%吸收入射电磁波;同时还兼具了薄和轻的优点;
(2)电介质损耗是该超材料吸波损耗的主要来源;
(3)电磁谐振可调节,通过对ERR中间短杆宽度或者短导线宽度的调节,即可容易地实现对电磁谐振的调节,进而达到调控阻抗匹配,完成高吸波率的目的;
(4)通过对不同尺寸结构的组合,利用不同吸波带的层叠效应,不仅能拓宽吸波频带,而且能在宽频段实现近0透射率。
吸波材料的设计有赖于基础理论的研究和新材料的开发,本实验研究的超材料吸波体所表现出的良好性能以及拓宽频带的方法将对其它吸波超材料的研究有一定的指导意义。
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复合吸波材料 篇7
1 实验原料及设备
实验原料:吸波涂料所用的填料为44μm的Ni-Zn铁氧体, 所选的稀土氧化物为纳米级的La2O3, 黏结剂6101环氧树脂, 分散剂是963, B401、CH-13、CH-10S, 固化剂是聚酰胺, 稀释剂正丁醇、二甲苯、丙二醇甲醚等。
实验设备:图像颗粒分析仪, 喷枪 (口径1.5mm) ;通风橱;真空泵, 真空干燥炉;QFZ型漆膜附着力试验仪;高剪切分散乳化机, KQ—100型超声波清洗器, 工作频率40 kHz, 空气压缩机。
2 实验过程
涂料由成膜物质、挥发分、填料、助剂4部分组成, 同样复合吸波涂料也是由这4部分组成, 填料的需用具有一定的功能性, 即吸波性能。
2.1 吸波涂料助剂的选用
2.1.1 稀释剂的配制
在涂料配制过程中溶剂是一个重要因素;溶剂的选择标准是溶剂溶解力, 根据溶解度相似原理, 溶解性是由溶剂与树脂的溶度参数δ之差的绝对值来判定:
当|δ溶剂-δ树脂|<3.3时, 溶剂可部分或全部溶解成膜物质[10,11]。根据查询:本实验所选取的二甲苯氢键力为0.3, 正丁醇的氢键力为1.7[10,11]。将50%二甲苯和30%正丁醇混合后, 其混合溶剂氢键力的平均值为:
通过计算表明混合溶剂的氢键力接近中等氢键力平均值1.0[10], 与6101环氧树脂的中等氢键力的溶度参数δm比较差值。已知中等氢键力的6101环氧树脂的溶度参数δr为18.2[10], 而二甲苯的溶度参数δs为18.0, 正丁醇的溶度参数δs为23.3, 则混合溶剂溶度参数δmix:
则有
故实验所用6101环氧树脂可溶于二甲苯∶正丁醇=5∶4的混合溶剂。加入少量的丙二醇甲醚为了防止涂膜有花纹产生, 因此实验最终采用的混合溶剂各组分为正丁醇∶二甲苯∶丙二醇甲醚=5∶4∶1。
2.1.2 分散剂的筛选
分散剂的选用在涂料中起着至关重要的作用, 有利于填料的分散是否均匀, 进一步发挥涂料的功能性。然而不同的填料对应着不同种类的分散剂, 本实验采用体积沉降法选取分散助剂。首先称量20 g的Ni-Zn铁氧体, 分散剂B401、CH-13、CH-10S、963各0.2 g, 分别将Ni-Zn铁氧体和分散剂混合后溶于40 m L稀释剂 (正丁醇∶二甲苯∶丙二醇甲醚=5∶4∶1) 中, 震荡使其混合均匀, 静置存放, 观察NiZn铁氧体的沉降情况。显然, 在相同时间内Ni-Zn铁氧体在二甲苯中的沉降量越少, 说明该分散剂在Ni-Zn铁氧体的分散效果越好。其中B401中的NiZn铁氧体粉在20 min内完全沉淀;而CH-13和CH-10S体系约在2 h后有20 m L红色底层, 24 h后, 完全沉淀;而963体系中的铁氧体粉在24 h后, 沉降体积仅为整个体系的20%左右, 大约10 m L左右的底层, 所以实验最终选用963作为铁氧体粉的分散剂。
2.1.3 偶联剂的筛选
偶联剂的加入比例一定要适量, 偶联剂的调配比例不足, 会导致Ni-Zn铁氧体的包覆不完整, 而降低与树脂的结合力, 偶联剂调配比例过量, 导致NiZn铁氧体厚度增加, 粒度变大, 降低Ni-Zn铁氧体的电磁性能。本实验采用预处理的方法加入偶联剂, 首先将Ni-Zn铁氧体在60℃进行烘干2 h, 偶联剂用量为吸波剂Ni-Zn铁氧体粉末量的3%, 以少量稀释剂溶解偶联剂, 加入到待处理的Ni-Zn铁氧体粉中, 在高剪切力分散乳化机中以10 000 r/min的速度搅拌30 min。而同样不同体系的吸波剂偶联剂的种类也不一样, 与选取分散剂的方法相似, 对NiZn铁氧体的偶联剂进行了筛选, 将Ni-Zn铁氧体用偶联剂预处理后加入分散剂进行沉降, 对KH-560, JN-115, JN-114, JN-108, JN-644偶联剂进行筛选, 最终选取JN-115。
2.1.4 成膜物质的制备
将黏结剂环氧树脂 (占填料与黏结剂总质量的30%质量百分比) 与固化剂聚酰胺按质量比2∶1的比例混合。
2.2 吸波涂料配制工艺流程
(1) 铁氧体在真空电阻炉中烧结4 h, 温度为1 100℃。其目的是恢复铁氧体的磁性能, 之后用球磨机进行干混球磨150 h后, 筛网过筛, 可得细腻、均匀的颗粒。
(2) Ni-Zn铁氧体和La2O3进行掺杂, 首先对铁氧体进行了偶联剂预处理, 加入3%的偶联剂, 以稀释剂为介质, 球磨湿混1 h, 然后分别加入不2%的La2O3, 将复合粉球磨湿混5 h, 烘干后干混5 h, 即获得实验用复合吸波剂。
(3) 把分散剂963 (总体吸波剂填料的2%) 添加到经预处理的吸波剂填料中在玻璃研钵中混合研磨5 min;
(4) 成膜物质是由将6101环氧树脂 (吸波涂料的30wt%) 和固化剂聚酰胺组成, 混合比例为2∶1 (按质量比) 。
(5) 把配制好的 (3) 和 (4) 混合后研磨5 min, 用高剪切分散乳化机搅拌10 min, 速度为10 000 r/min, 超声波振荡分散20 min, 频率为40 k Hz, 继续高速搅拌10 min进行分散。
(6) 最后将涂料用筛网过筛, 得到无杂质, 少气泡, 非常细腻的Ni-Zn铁氧体复合吸波涂料。
3 实验结果与讨论
3.1 偶联预处理
对Ni-Zn铁氧体预处理前后的分散效果进行了比较分析。利用BT—1600型图像颗粒分析仪在进行观察 (×400倍) , 如图1所示, 图1为未经处理的Ni-Zn铁氧体, 以稀释剂为介质超声波分散20 min后的处理结果, 可以看到Ni-Zn铁氧体产生了团聚, 不利于填料与有机溶剂的聚合, 影响涂料的质量。图1 (b) 为Ni-Zn铁氧体粉先经偶联剂JN-115预处理, 然后加入963分散剂超声分散的结果, 可以看出经过处理后的Ni-Zn铁氧体分散有了一定的效果, 有利于涂料的均匀性和稳定性。
3.2 扫描电镜表征分析
图2 (a) 铁氧体颗粒呈片状, 粒度分布不是很均匀, 大颗粒表面有小颗粒附着, 团聚现象十分, 这也是必须进行偶联预处理的原因。图2 (b) 为掺杂质量分数为2%La2O3的Ni-Zn铁氧体, 复合材料可以用样品“修饰”模型来描述, “基体”指的是铁氧体粉末, “修饰物”是依附在铁氧体上面的La2O3。经过了偶联预处理后, 复合吸波剂各组分混合分散得比较均匀, 为获得良好的吸波涂层提供了前提条件。
从图2看出, Ni-Zn铁氧体呈尖晶石结构, 片状, 这种形状对提高吸波性能是十分有利的, 加入La2O3后, 并没有改变其形状, 只是物理依附, 说明了稀土氧化物不能改变其性质, 而是改进了其吸波性能。
3.3 吸波剂的电磁参数
采用波导法在26.5~40 GHz频段对Ni-Zn铁氧体和复合吸波剂电磁参数进行了测试, 试样大小3.56 mm×7.12 mm×1.00 mm, 测试工作在中国航天科工集团第二研究院207所进行。
电磁学参数包括材料的复介电常数εγ和复磁导率μγ, 可表征材料对电磁波的电损耗和磁损耗。εγ, μγ可表示为:
式中, ε'和μ'分别代表复介电常数和复磁导率的实部, 表示材料对电磁能量的存储能力, ε″和μ″分别代表复介电常数和复磁导率的虚部, 表示材料对电磁能量的消减能力。损耗大小可由介电损耗角正切值tanδε, 和磁损耗角正切值:
复介电常数虚部ε″和复磁导率μ″虚部越大, 损耗越大, 越利于电磁波的吸收。要提高介质吸波性能, 必须提高ε″和μ″的值, 同时要使阻抗尽量匹配。基本途径是提高介质电导率和磁损耗, 增加极化“摩擦”和磁化“摩擦”[12]。
测试结果如表1所示, 测试结果表明磁介质型Ni-Zn铁氧体在Ka频段内, 介电常数虚部与磁导率虚部相对较高, 损耗正切角值也相对较高, 且随着微波频率增加呈现下降的趋势, 其电磁特性较佳。加入La2O3后, 电导率和磁导率有了一定的增加, 从介质对电磁波吸收的角度来考虑, ε'和ε'足够大的基础上, μ'和μ'越大越好[12], 添加La2O3后并没有改变电磁参数的变化规律, 介电和磁性的损耗正切角值同样随着微波频率增加呈现下降的趋势。
4 结论
(1) 结合Ni-Zn铁氧体自身的特点, 根据沉降法选用了分散剂、偶联剂种类, 实验结果表明经过偶联处理后的Ni-Zn铁氧体粉分散效果良好, 有利于吸波涂料的均匀性和稳定性。
(2) 经过添加了La2O3, 复合吸波剂的电磁参数有了一定的改善, 与单一的Ni-Zn铁氧体磁导率和电导率相比, 有了一定的提高, 进一步改善了其吸波性能。
(3) 采用喷涂的方式, 漆膜附着力测试为一级, 结果表明涂料配置选用工艺合理以及喷涂方式可以在基体表面获得具有良好附着力的涂层。
摘要：对Ni-Zn铁氧体复合吸波涂料制备工艺进行了研究, 采用沉降法对偶联剂和分散剂进行筛选;利用波导法对复合吸波剂电磁参数进行了测量;扫描电镜 (SEM) 对吸波剂的形貌进行了分析。结果表明:经过偶联预处理后的Ni-Zn铁氧体粉分散效果良好, 有利于吸波涂料的均匀性和稳定性。添加La2O3后与单一的Ni-Zn铁氧体相比, 磁导率和电导率得到了的改善, 进一步提高了其吸波性能。
关键词：Ni-Zn铁氧体,吸波涂料,复合吸波剂,La2O3
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吸波材料的研究进展 篇8
进入21世纪,信息化战争作为一种新的战争形态开始登上历史舞台。战争中武器平台的隐身化成为提高其生存能力及战斗能力的关键,对整个战争取胜起着举足轻重的作用。1991年的海湾战争,表面涂覆黑色吸波材料的高隐身性能战斗机F-117A投入实战。F-22是美国空军的第四代主力战斗机,采用了更先进、更成熟的隐身材料,其雷达反射截面积(Radar cross-section, RCS)为0.01~0.1m2。战斧式巡航导弹RCS仅有0.05m2,具有很好的生存性能[1]。就近几年隐身材料的发展现状,本文重点介绍了碳纳米管吸波材料、碳纤维吸波材料、SiC纤维吸波材料以及等离子体吸波材料。
1 吸波材料的研究现状
1.1 碳纳米管吸波材料
碳纳米管(CNTs)自1991年被Sumio Iijima[2]发现以来,其由于独特的物理化学性质和潜在的应用前景受到普遍关注。碳纳米管是由类似石墨结构的六边形网格卷曲而成中空的“微管”,其管径范围分别为0.4~3nm和1.4~100nm,多层管由若干层间距为0.34nm的呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管组成。由于纳米材料具有量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和界面效应,同时纳米颗粒表面原子比例高,悬挂的化学键多,导致其具有极高的表面活性,使碳纳米管具有很好的吸波性能[3]。
Zhuangjun Fan等[4]研究了碳纳米管/聚合物(PET、PP、PE等)的吸波性能,发现随着加入碳纳米管的增加,波峰向低频移动,损耗率增大;当CNTs为4%(质量分数)以上时,损耗率急剧增加。孙晓刚等采用化学气相沉积制备阵列式碳纳米管薄膜,其在2~18GHz较高频段表现出良好的吸波性能,厚度为0.2mm时,吸波性能最佳[5]。改变多壁碳纳米管高温碱处理浓度,可使碳纳米管/环氧树脂复合材料的最大波峰向高频移动。同时,吸收峰强度和吸收频宽也有所提高[6]。Donglin Zhao等[7]将铁纳米微粉通过湿化学方法加入到碳纳米管。复磁导率实部(μ′),复磁导率虚部(μ″)以及磁损耗角正切(tanδμ)均比碳纳米管大。波峰向高频移动,峰值-31.71dB,出现在13.2GHz。用湿化学方法将Sm2O3纳米微粒填充到多壁碳纳米管腔体内,可提高磁损耗率,且随着厚度的增加,波峰向低频移动,出现双波峰[8]。用湿化学方法将Co纳米粒子加入到多壁碳纳米管中,能提高复合材料的介电常数和磁导率[9]。将碳纳米管掺杂稀土并与环氧树脂复合,可使峰值提高到-29.10dB,反射衰减小于-10dB的带宽增加到7.68GHz,波峰向高频段移动[10]。Tianchun Zou[11]以Ni/Al2O3为催化剂,用化学气相沉积制备出Ni纳米线填充的多壁碳纳米管。随着Ni纳米线的增多,复介电常数的实部(ε′)、虚部(ε″)及复磁导率的实部(μ′)及虚部(μ″)都有所提高并且带宽增大。
碳纳米管也具有一定的高温红外隐身特性。王志锋[12]研究了环氧树脂基碳纳米管涂层的红外平均发射率,结果表明,随着温度升高,碳纳米管的红外发射率降低;80℃时随着碳纳米管浓度的增加,涂层的红外发射率随之降低;碳纳米管在短波2~5.6μm有更加明显的负温度系数效应。
1.2 碳纤维吸波材料
碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化而得到的微晶石墨材料。改性后的碳纤维可以实现对电磁波的吸收[13]。改变碳纤维横截面的形状和大小,可精确控制电导率。对碳纤维进行表面改性,在碳纤维表面沉积一层有微小孔穴的碳粒或喷涂一层金属镍等,均可改变其电磁性能[14]。
碳纤维主要包括连续碳纤维、短切碳纤维、手征碳纤维、掺杂改性碳纤维等。连续碳纤维是雷达波的强反射体,一般作为吸波复合材料和吸波结构的底板/基板层。短切碳纤维比连续碳纤维吸波性能好,但其力学性能受到限制。经过掺杂改性的碳纤维能够提高磁损耗,但力学性能也会下降,而异形截面碳纤维不仅力学性能优异且吸波性能出色。手征碳纤维引入了手性参数(ξ),增加了设计吸波材料的灵活性。因此异型截面碳纤维和手性碳纤维很有发展前景。
1.2.1 异型截面碳纤维
异型截面碳纤维具有特殊截面形状,可制备具有承载/吸波双重性能的复合材料,主要有角锥形、三角形、U形、W形、Y形、剑形、中空三角形等[15]。
美国Clementon大学研究发现异型截面碳纤维可以承受较大的压应力和纤维特有的转动惯量。北京化工大学碳纤维及复合材料研究所采用氮压式纺丝机制备了中空截面沥青基碳纤维。当炭化温度为900℃时,中空碳纤维具有最大电磁损耗。纤维单向平行铺层设计的复合材料具有很明显的各向异性[16]。在双层结构设计中,以中空多孔碳纤维为主体,分别添加炭黑、碳纤维和羰基铁粉,制备出双层轻质雷达吸波材料。以羰基铁粉作为吸收剂的匹配层比以炭黑和碳纤维作为吸收剂的匹配层对中空多孔碳纤维的吸波性能影响更为显著[17]。异型截面聚丙烯腈基碳纤维不仅力学性能优异,而且在波段8~18GHz频率范围内的吸波性能较好[18]。
1.2.2 手征碳纤维
手性材料具有两大优势:(1)手性参数的调整更容易;(2)手性材料的频率敏感性比介电参数和磁导率小,易可拓宽频带。螺旋形碳纤维是手性材料的典型代表。吸波机理为特殊的螺旋几何结构引起的电磁波的交叉极化,产生电与磁的耦合衰减作用,从而使手征介质具有额外的吸收机制[19]。
安玉良等[20]采用化学气相沉积生长出螺旋纳米碳纤维,并以Ni为催化剂热解乙炔制备出纯净、规则的单、双螺旋形碳纤维。由于单螺旋碳纤维有一定的手性特征,其电损耗正切值随电磁波频率升高而降低,在波频为11.5GHz后又有所升高。而双螺旋碳纳米管具有左手螺旋和右手螺旋的两种特征,故其手性特征不明显,因此其电损耗角先随电磁波频率升高而降低。
1.3 SiC纤维吸波材料
SiC不仅耐高温、相对密度小、韧性好、强度大、电阻率高,而且吸波性能好。常规制作出的SiC一般不能直接作为吸收剂使用,必须对其作进一步的处理,以便使其获得一定的吸波性能。
在SiC表面涂覆含介电损耗树脂或沉积导电层,可以改变其电磁参数。中南大学的黄小忠等[21]采用溶胶-凝胶法在连续碳化硅纤维表面镀覆钡铁氧体材料,实现碳化硅纤维的电磁改性。以丙烯和氨气为反应气,用低压化学气相沉积法在SiC纤维表面沉积热解碳层。沉积100nm厚碳层后,ε′、ε″都有所增加。碳层厚度增加到200nm后,介电常数增加的不多。乙烯的体积分数由0.6降到0.45时,碳层结构有序化程度降低,ε′、ε″都有所下降[22]。用热压烧结法制备出致密的短切SiCf增强LAS玻璃陶瓷复合材料,与基体或纤维相比,ε′与ε″以及tanδ均大幅增加。ε′与ε″随着频率的升高而降低,显示出良好的频散效应[23]。非圆形截面SiC纤维与基体的复合性能与一般的圆形SiC纤维相比有很大的提高[24]。经过熔融纺丝制备出三折叶形聚碳硅烷原纤维,与环氧树脂复合,制备出有规排列长纤维及无规排列短切纤维复合材料。无规则排列短切纤维有更高的介电损耗和更好的频散效应[25]。使用异形喷丝板通过熔融纺丝制备出条形聚碳硅烷原纤维,经不熔化及高温烧结可以得到条形碳化硅纤维。这种纤维拉伸强度为0.8~2.4GPa,ε′为6.2~6.8,ε″为2.5~3.3。这种特殊截面形状的碳化硅纤维可以作为结构吸波材料[26]。在SiC内掺杂一些异质元素,可以调节SiC的介电损耗和吸波性能。以六甲基二硅氮烷为原料通过激光诱导气相反应,使得SiC纳米颗粒掺杂氮元素。ε′、ε″以及tanδ随着氮的填充因子的增加而增加。对于2.96mm厚,加入氮含量为7%(质量分数)的SiC复合材料,在9.8~15.8GHz的频率范围内,反射率损耗小于-10dB(吸收率为90%),并且峰值在12.17GHz达到-63.41dB[27]。
1.4 等离子体吸波材料
等离子体吸波材料具有吸波频带宽、吸收率高、使用简便、使用时间长、价格便宜、无需改变飞机外形、不影响飞机飞行性能、维护费用低等优点。隐身机理研究较多的是折射隐身和吸收隐身。折射隐身是通过非均匀等离子体对入射电磁波的折射,使电磁波传播轨迹发生弯曲,雷达回波偏离了雷达的接受方向,从而使目标雷达回波信号减少,以此来达到隐身目的。吸收隐身是当雷达频率大于等离子体频率时,电磁波入射到等离子体内部,此时等离子体中带电粒子在传播过程中必然会遇到各种形式的碰撞,等离子体通过碰撞吸收大部分入射波的能量[28,29,30]。
等离子体的产生方法主要有3种:(1)利用高压气体放电;(2)利用喷流式等离子体发生器;(3)在飞行器特定部位涂一层放射性同位素,放射性同位素在衰变过程中产生的射线会使周围空气产生电离,从而形成等离子体。近年来,俄罗斯的三代等离子体隐身技术均采用喷流式等离子体发生器。将第一代等离子体发生器放在飞机的强散射部位,就可使周围空气产生等离子体。第二代发生器在产生等离子体的基础上,向敌人发出假信号,诱导敌方做出错误判断。据推测,俄罗斯目前正在研制的第三代等离子体发生器,可能是利用飞行器周围的静电能量来减少RCS。但是,从俄罗斯最新研制的第五代战机T-50来看,没有采用等离子体隐身。所以虽然等离子体隐身取代外形隐身可能是未来的一个发展方向,但由于生成等离子体需要大量的能耗,使得该技术无法立即应用于战斗机设计中[31]。
1.5 其它吸波材料
同济大学的张晏清[32]通过柠檬酸盐溶胶-凝胶法,在空心微珠表面形成铁氧体颗粒紧密聚集的薄膜,形成包覆铁氧体的功能性复合微粒。这种包覆铁氧体空心微珠吸收电磁波性能优于单一的铁氧体纳米材料。使用氧化物固相反应法制备组分为BaZn11Co0.9Fe16O27的Co2W型六角晶系铁氧体材料。升高烧结温度有助于提高W型铁氧体材料的饱和磁化强度,减小矫顽力,从而提高其磁导率[33]。通过柠檬酸溶胶-凝胶自蔓延的方法制备Ba(Zn1-xCox)2Fe16O27(x=0.35,0.4)样品。Co的替代有利于W型六角铁氧体相的形成。Co摩尔分数x=0.4的样品在9GHz附近有明显的自然共振吸收峰,1mm厚样品的最大反射功率损耗达35.6dB[34]。在BaFe12O19铁氧体中掺杂Sr,在高频范围内的吸收量有显著提高,能够改善钡铁氧体的吸波性能[35]。
饱和磁化强度、各向异性场、电导率和阻尼系数均对纳米颗粒膜的微波吸收特性产生显著影响,可以通过调控纳米颗粒膜的电磁特性来提高吸波性能[36]。采用羰基铁为吸收剂、环氧改性有机硅树脂为基体,制备羰基铁/树脂基涂层。经过润湿分散剂处理后的羰基铁,粉体与树脂间的相容性得到改善,提高了界面结合力,吸波涂层整体的力学性能得到了提高。吸波涂层的最大吸收峰随吸收剂含量的增加向低频移动。涂层厚度为2mm,羰基铁含量为75%,在3.53GHz的反射率达到最大值-36.02dB[37]。多层电路屏、掺杂电损耗介质、组合磁损耗介质层、磁电损耗组合的方法能够拓展电路模拟吸波材料的有效吸波带宽,并不同程度地提高材料的吸波效率。其中组合磁损耗介质层与电损耗介质的多层电路屏反射率小于等于-5dB的带宽达到10GHz[38]。用化学镀以及热氧化法制得夹层结构的Cu/Co/碳纤维复合材料。2mm厚的Cu/Co/碳纤维复合材料的最大反射率在10.8GHz处达到-42.7dB(吸收率大于99.9%)[39]。
2 新型吸波材料的发展趋势