（测试计量技术及仪器专业论文）多层纳米吸波涂层的阻抗匹配及优化设计.pdf

英 文 摘 要 abs t r 8 c t t he app l i c a ti on o f s t eal thi nth efi e l do f m i l i t a r y i s i n 1 p o rt ant t on ationa l d e fe n s eal l o v e r the wo ri d ， t he r e s e a r c 】 1 a 1 l dd e v e 1 o p me nto f hi g h-p erfo rmanc e mi c ro 丫 v a v e abs o rbi n g mat eria l h a s bec o m eth e五 e 1 do f v ario u s c o u nt r i e sm i l i t a ryt echi2o l o g yi nam aj o r t opi c . n ano . ma t e ri al sb e c aus eo fth e i re x c e i l e nt abs o rbi n gc h ara c t e ri s t i c s ，h a sb e c o m et h e a b s o rbi ng m at erialh o t are a o f res e a r c h and d e v e l o p m e nt. i nthis the s i s ， a c c o rdi n gto th eb a s i c the o r yo f e i e c tr o ma g n e t i cfi e l di nth e1 a y e r e d m e d i um ， t he b asi s o f abs o r b i ng m o d e l ， theo p t i mi z e ddes i 助 o f r ams w i th t h i n 一 l a y e r ， 1 1 9 ll t 一 w e l g 】 i t ， b r o ad一 b an dands tron g 一 ab s o r b in gi savai l abl e ， g e ner al i z e da p p l i c at i o n m a t c h i n g rul e s tom e etth e m u l t i 一 abs o r b i n g mat e r i aic o at i n gt he p o wer r e fi e c t i v ityformu l a was p re s e n 记 db y u s i n g g ene r a l m at c hin g l a w( c ml ) . the c o l ll b i n at i o no f a c 奴 l a l n um e ri c al c al c ul atio n ， u s i n g tr ack i n gal gor i t h n 1 o ptimi zat i o na 幻 dft e q uencyo f t h e p re fer r ed met ll o d o fn ano 一 abs o rbi n gc o atin gm ateri a i sre l ate dto t h ce l e c t r o ma g net i cp aramet e r so fth e 1 n l p e d anc e m atch i n g and t h e o pt i m i z at i o no f the ird e s i gn. t h r o u g he x p e ri m e nt so nn ano m at e r i al sf e 3 0 4j s i ct he c o m p l ex p e rme abi l i t yr at e ， c o n 1 p l ex p e rmitti v i t y ，m agn eticl o s st ang e n ta n d d i e l e c tricl o s st ang e l 1 ti nd i ffer e i1 t fr e que n c yr a n g e s for th et e st . there s u l tsare s h ow e df e 3 0 ; s a m p l e s i nth ev i c in ity o f 1 4 g h z h asa s t ro n g ma g n e t i c l o s s ， b uti nth e v i c i n i tyo f l z g h z a n dl 4 石 g h z h as a s t rong d i e l e c t ti cl o s s . s i cs a m p l e s i nthe v i c i n i t yo f l 0 g h z 叨d1 5 g h z h as a st r o n gd i e l e c 廿 i c 1 0 5 5 . b y me et i 1 1 g c e r t a i nc o n d i t i ons s i n g l e andd o u b 】 e 一 abs o r b i n gm a t e 的 ali n t 】l e c o l l l e x t o f freq u enc y s 一 l 8 g h z a b s o rb i llgp e r fo rmanc e o pt i m i z at i o n d e s i g n s i m u i atio n 0 p t i m alc 附 e f e 3 0 ; d 1 a r a c t e ri z e db y the abs o r b 1 n g p e rform anc e mai n l yn 1 a n i fe stedi nt he ku 七a ll da n d s i cm a i n l y m ani fes te di n the 芜b and， t h e l o wests i n g l e 一 l aye r refl e c t i v e l o s s t oabo u t 2 5 db， refl e ct i llg thel o s so fl o w 一 1 0 d b n e ar l y5 g h zb and w i d th.d o ubl ep e ak r e fl e ct i v i t y mi n i l l l u 们 n l o s s o f abo ut一 5 3 d b ， refi e c t i n g the l o s s o f l o w 一 1 0 d bb and wid t h o f abo ut4 g h z . to o p t i m i z e re s ul t swith e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sp rod u c e d thes i n g l e ，d o u bl e n ano 一 abs o rbi n gc o at i n g ， a i 1 dthee x p e ri m e nt al u s eo fd a r k r o o m c o at in gs am p 1 e s、 v e r e a b s o r b i n ge ffec tme a s u r e me nt.ther e s u i t sd e m o n s t r a t e d t h at thed o u b l e 一 a b s o rb i n g m at e r i al sh aveb e tt e rabs o rbi n gp r o p e rtie s . me a n 认 七 i l ev e ri fy theo pti mi zati o no fth e c o m p u t e rs i mu l at i o ndes i gn fe a s i b i l it y n ano 一 a b s o rbi n gmu l t i l盯e rc o at i ng i l l l p e d anc e m at c hi ng ando 如mi z at i o no fthe des i g ns t u d y .s te al th mater i a l sfort he d e s i gn and p r e p ar at i o no f th ec o at i n gm at e r i a l l a i dt h e fou n d atio no f g r e atthe o r e t i c aland p rac t i c al s i gni fi c anc e k e y w o r d s : n ano n l e t e r a b s o rb in g m a t e r i al ; i n 1 p e d ancem at c h ;p o wer re fl e c t i o n l o s s o p ti mu md e s i gn 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在本 学 位论文中，除了加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发表或 公 布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。 与我一同 工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 : ，习 看 成 初7 年 勺 月 10 日 学位论文使用授权 声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电 子和纸质文档，可以 借阅或 上网 公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网 公布本学位论文的 全部或部分内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 :/匀 郁气 词 年 7 月 脚 日 硕士论文多层纳米吸波涂层的阻抗匹配及优化设计 1 绪论 1 . 1 课题背景 l l i 险身技术与隐身材料研究背景及意义 随着现代科学技术尤其是电子工业技术的高速发展， 不同频率的电磁波充斥着人 们的生活空间， 破坏了 人类良 好的生态环境， 造成严重的电 磁污染， 引起世界各国的 关注。 不少科学家早就预言: 在21世纪， 电磁波污染将成为生态环境首屈一指的物理 污染川 。 因此解决电磁污染的吸波材料的研究和应用成为人们研究的热点， 吸波材料 在隐身技术、 保温节能以及人体防护方面已 有广泛应用， 如: 美国最早将吸波材料用 于f-1 9a、 f-n 7 a 等型号的隐身战斗机， 其中f-ll 7a隐身战斗机在海湾战争、 科索沃 战争中所起的重要作用， 推动了世界各国政府对隐身技术的研究与开发121。 由于吸波 材料制成的太空膜可透过8 0 %的可见光，吸收8 0 %的红外线，能起到保温作用，已经 被广泛应用于制作各种车辆的挡风玻璃及大型机场、体育馆等公共场所的门窗玻璃。 涂敷了吸波材料的织物对微波具有较强的吸收能力， 可对人体起到更有效的保护作用 151。 现在， 吸波材料已 经被各国广泛的 应用于微波暗室、电 磁屏蔽、 降低光学器件反 射、 避免 通讯设备 干扰、 建 筑防辐、 消除电 影重影等方面141。 在未来战争中， 雷达仍是探测目 标的最可靠手段， 所以雷达隐身技术依然是最有 效的 措施， 其核心是降 低雷达散射截面( rc s ， rad arc m sss ec t i o n) ， 提高其隐身作战能 力， 其技术途径主要包括外形技术和雷达吸波材料技术1”1 : 外形改造难度大， 耗费 较高，因而不易实现: 相对而言，吸波材料设计制造难度较小， 耗费较低， 故而受到 各国的重视。 纳米吸波材料就是在此情况下涌现出来的一类高科技、 高性能的纳米功 能材料， 它不仅具有极好的吸波性能， 而且具有频带宽、兼容性好、质量小和厚度薄 等特点19- 川 。 随着 现代高新技术的发展和 立体化战争的 需要， 将纳米技术引 入隐 身材 料的研究受到世界各军事大国的高度重视并取得了 一定进展。 雷达吸波材料 ( 简称吸波材料) 是指能吸收、衰减投射到它表面的电磁波， 并将其 电磁波能转化成热能耗散掉或使电磁波因干涉而消失的一类材料112)。吸波材料有许 多分类方法，目 前没有权威的定论， 按不同 研究时期， 吸波材料可分为传统吸波材料 和新型吸波材料11，1。铁氧体、金属微粉、钦酸钡、碳化硅、石墨、导电 纤维等均为 传统吸波材料， 它们通常都具有吸收频带窄、密度大等缺点。而新型吸波材料则包括 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 硕士论文 多层纳米吸波涂层的阻抗匹配及优化设计 有不同于传统吸波材料的新吸波机理。 其中纳米材料因其自 身的 特殊结构具有极好的 吸波特性，是一种很有发展前途的新型电磁波吸波材料。 当材料粒子尺寸在纳米量级时， 量子效应使纳米粒子的电子能级发生分裂， 分裂 能级间隔正处于与 微波对应的能量范围 ( 10-2 1 0 刁 e 哟内lll，从而导致新的吸波效 应。由于纳米颗粒尺寸小，比表面积大， 表面原子比例高， 悬挂键增多，因此界面极 化和多重散射成为重要的吸波机制。 当金属或金属氧化物粒子的尺寸下降至纳米范围 内某一值时， 金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级， 并且纳米半导体 微粒存在不连续的最高被占 据的分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级， 使得能隙 变宽。当纳米粒子的尺寸与光波波长、 德布罗意波波长、 超导态的相干长度或磁场穿 透深度相等或较小时， 晶体周期性边界条件将被破坏， 非晶态纳米微粒的颗粒表面层 附近的原子密度减小，导致材料的声、光、电、 磁、 热力学等特性出 现异常，如光吸 收增加、 磁性能增强等， 这就使得研制多波段兼容的电磁波吸收材料成为可能。 另外， 磁性纳米粒子具有较高的矫顽力，可引起大的磁滞损耗11，1，在电磁场的辐射下，材 料中的原子、电子运动加剧， 促使磁化， 使电磁能转化为热能， 增加了对电磁波的吸 收i j 刃 。 l z 纳米吸波材料及其计算机辅助设计的国内外研究现状 1 么1纳米吸波材料新型吸波机制研究状况 研究吸波材料的目的是为了改变微波的辐射分布， 使雷达接收到的反射波大幅度 地减少。传统的吸波材料实现对电磁波的吸收主要通过三种途径即: 材料损耗、相位 对 消 和 扩 散 1161。 材料损耗是指电磁波进入吸波材料内部， 其能量被材料有效吸收转化为热能或其 他形式能量而耗散掉。设计这种类型的吸波材料一般需要考虑两个方面: 阻抗匹配设 计和衰减设计。 阻抗匹配设计是指创造特殊的边界条件使入射电磁波在材料介质表面 的反射系数r 最小( 理想情况r =() ， 从而使电磁波最大程度地进入材料内部。根据电 磁场理论， 秦柏、 秦汝虎等人提出一种更容易让人接受的阻抗匹配公式，即 “ 广义匹 配 定 律 ” 1171:e /e 一万 / 厂 ， 并 且 指 出 该 公 式 可以 作 为 有 效 地 选 择 材 料 和 材 料厚 度的 判 据， 利用该公式容易获得展宽、减轻、减薄的吸收剂 。衰减设计是指合理选用或设 计损耗介质( 吸收剂) ， 并精心设计材料结构特征，以 便使进入材料内 部的电磁波迅速 地最大限 度地衰 减 掉。 损耗 介质 对电 磁波的 衰 减能力 常 用电 损 耗 角正 切 tan占 ， 二 e / s 和磁损耗角正切tan占 。 二 声/ 声来表示 . 其 值越大 ， 衰减能力 越强。 从这一点来看， 似乎 意味着介质的厂或犷 越大吸波能力越强。 损耗介质的 选用和 材料的 结构设计往往是 硕士论文 多层纳米吸波涂层的阻抗匹配及优化设计 紧密联系在一起的 ， 因此实际工作中 ， 常常根据不同的结构设计方案来选用具有合适 电磁参数的损耗介质。对于单一组元的吸收体， 阻抗匹配设计和衰减设计往往是矛盾 的， 不能同时满足。 通常需要进行材料的多元复合 以 便调节电磁参数在尽可能满足阻 抗匹配条件下 提高材料的吸波能力。 相位对消型吸波材料是按照电磁波相干涉原理设计的。 是入射电磁波和反射电磁 波互相干涉相消，从而达到吸收电磁波的作用。把吸波涂料涂覆在金属基体上 当涂 层厚度满足d= 瑞 ” d 为涂层的厚度;兄为电磁波在真空中的波长;5 为涂层 的相对介电常数;p 为涂层的相对磁导率。 这时涂层与金属基体的界面和涂层表面反 射的两列电磁波将发生干涉现象 从而使总的反射波衰减。由上式可知 ， 当涂层厚度 d 一定， 则能发生干涉的波长也一定， 当波长发生变化时， 涂层的总反射率就会急速 上升， 因 此这种涂层的 工作频带很窄。通常许多薄层吸波涂层以 该公式进行设计。 同样， 干涉原理也可以用于结构吸波材料的设计。 扩散的机理:当电磁波入射到这类微波吸波材料时， 反射波的方向偏离了接收机 的方向 ， 全发生了 扩散。 这些电磁波并未被吸收， 只是被改变方向 传到其他地方去了， 最近发展起来的等离子隐身技术就部分利用了这一原理， 当雷达波与等离子相互作用 时， 一部分被吸收， 一部分改变传播方向 ， 急剧降低了 雷达接收机的反射信号， 使得雷达 荧光屏的 信号消失， 从而达到隐身的目 的。 设计吸波材料时， 可以不同程度地综合运用以上三种途径， 以达到性能最优的设 计。纳米吸波材料除了具备上述的传统吸波机制，还存在着一系列新型的吸波机制， 目 前国内外学者在该方面的研究尚处于初步阶段， 还存在很多未知的内容急需深入的 探讨。 通过大量的文献查阅， 发现比较一致的观点是认为纳米材料具有以下四种新型 吸波机制: ( 1) 纳米粒子对电磁波的散射衰减 当纳米粒子的尺度远小于趋肤深度， 且小于电磁波的波长时， 可以认为纳米粒子 被外来的交变电磁场均匀磁化。 当 外来电 磁波作用于某一纳米粒子时， 一部分电磁波 将透过纳米粒子继续前进， 一部分电 磁波被纳米粒子散射， 纳米粒子可作为点源发射 球面波， 还有一部分电磁波能量被纳米粒子自 身损耗掉， 损耗部分与材料的能量、电 磁波的频率和纳米粒子尺寸有关。 这是单个纳米粒子的情况。 电磁波经过多个纳米粒 子作用后，衰减更大。粘合剂中纳米粒子的浓度愈大，则衰减电磁波的能量亦愈大。 ( 2 ) 纳米粒子表面效应的作用 金属、 金属氧化物和某些非金属材料的纳米级超微粉在细化过程中， 处于表面的 原子数越来越多，增大了纳米材料的活性，因此，在微波场的辐射下，原子、电子运 动加剧，促使磁化，使电磁能转化为热能，从而增加了对电磁波的吸收性能。 硕士论文 多层纳米吸波涂层的阻抗匹配及优化设计 ( 3 )共振吸收 共振吸收也是具有磁性的金属( 或合金) 纳米粒子吸收电磁波能量的一种方式。 具 有磁性的金属( 或合金) 纳米粒子由于受磁各向异性、 形状各向异性等的影响， 使纳米 粒子内部必然存在一个等效各向异性场， 磁矩绕这个等效场作有阻尼进动。 如果有交 变电磁场作用在此磁矩上， 在进动频率和交变场频率相同时， 将发生共振， 从而导致 对电磁波的强烈吸收。 (4 ) 小尺寸及量子尺寸效应 根据久保理论，得到相邻电子能级间距和颗粒大小的关系公式: 占 = ( 3 1 4 ) . ( 凡/ n)ac 犷 一 ，( 1 . 1 ) 式中n为 一 个 超微 粒的 总 导电电 子数，犷 为 纳 米 粒子的 体 积，凡为 费 米能 级: 凡= ( 3 汀 2 气 ) ， ， . ( h z 1 2 m )( 1 .2 ) 式中伪 为电 子密 度，m为电 子质量， h 为 普朗 克常 数. 假设纳米粒子的电 子数密 度气 为6 xlo 22 c m 夕 ， 纳米粒子为 球型， 直径为1 l o o ll m ，由 式 (l. 1) 和式 (l.2) 得: 占 / k ， = ( 5 .7 x l o 一 ， . ) i j 3( 1 .3 ) 式 中 礼为 玻 尔 兹 曼 常 数 。 经 计 算， 得 到电 子 能 级 的 间 距占 = 7. s xl犷 ， 一 7. 5x1 0 一 ev。 由电磁波的能量公式: e二h f( 1 4 ) 式中h 为普朗克常数， v 为电磁波的频率。 以厘米波的频率范围2 18 g h z 计算， 微波 的能量e = 7. 4 5 幻0 刁一 8. 2 8 xl0 硒 ev。由以 上推导可以 看出，由于量子尺寸效应引起 的纳米粒子， 尤其是直径较大的纳米粒子的电子能级分裂间距确实处于微波的能量范 围内，有利于纳米吸波材料对微波的吸收。 l z j纳米吸波材料的实验制备、侧试手段研究状况 一纳米材料的制备 材料的制备是材料科学研究的重要内容， 而材料科学的形成和发展是材料制备方 法由经验型的技艺向科学理论下的实践的转变。 目前纳米吸波材料主要可分为物理方 法和化学方法119 一 201， 物理方法采用光、电技术使材料在真空或惰性气氛环境下蒸发， 然后使原子或分子结合形成纳米颗粒。 但此法通常需要很高要求的制备条件， 且所用 仪器贵重并消耗大量能源， 因此不是理想的 选择。 化学方法大体可分为气相法、 液相 法和固相法三大类。目 前被采用最多的方法是液相法， 液相法制备纳米材料的共同特 点是以 均相的溶液为出 发点， 通过各种途径使溶质与溶剂分离， 溶质形成一定形状和 大小的颗粒，经一定的处理后得到纳米微粒。 液相法中最常用方法是溶胶一 凝胶法，溶胶一凝胶工艺所得材料成分高度均匀、 硕士论文多层纳米吸波涂层的阻抗匹配及优化设计 热处理温度低、 工艺简单、 成本低廉， 广泛用于超细粉的制备工艺中。 溶胶一凝胶法 的基本原理: 以液体的 化学试剂配制成金属无机盐或金属醇盐前驱物， 前驱物溶于溶 剂中形成均匀的溶液， 溶质与溶剂产生水解或醇解反应， 反应生成物经聚集后， 一般 生成i nm 左右的粒子并形成溶胶。 随着水解聚合反应的进行， 溶胶的结构逐渐向网状 发展。经过长时间放置或干燥处理，逐渐转变为凝胶. 最后凝胶经过干澡、热处理或 烧结，即 可制得微粉或块状材料。 若将溶胶进行甩膜、 浸涂或拉丝， 再经热处理，则 可制备得到薄膜、 涂层及纤维材料。 选择不同的原料和控制合成反应， 可以制备出具 有不同性质和满足广泛需要的有机一无机纳米复合材料。 溶胶一 凝胶法反应条件温和、产品成分均匀、纯度较高，易于工业化生产，因此 是 备受重 视 和广泛 采 用的 方法。 余家国 等1211用 溶胶 一 凝胶法 制备了 锐钦矿型纳米ti q 粉体。 杨勇等【 221制备了 聚酞亚胺/ 二氧化硅等纳米复合材料。 溶胶一 凝胶法在制备离 子导体、 非线性光学材料、 光电、 光色转换材料和探测等方面已表现出 广泛的应用前 景。 二、纳米吸波材料的吸波特性测试 吸波材料的吸波性能主要用反射率来表征， 目前来说主要的检测方法有r c s 法、 n r l弓 形法和空间样本平移法123-24 1 . 这类方法的主体思想都是测量吸波材料对微波 的反射率。目前国际上更多的采用远场 r c s法实现 r a m反射率的精确测量，能更 真实的表征 r a m 的性能。远场 r c s法测量需要在微波暗室中进行，其基本测量系 统如图1 一 1 所示泪前国内建立的rcs 法测量系统， 可进行2. 6 1 8 g h z ， 26.5 4 0 g f 比 频率范围内的 r 人 m反射率扫频测量。对反射率为一40db 的吸波材料的测量精度可 达 0. s d b. 厂 之 逐 习 厂 匀遂习 图卜i r 岛法侧量雷达吸波材料反射率系统示意图 硕士论文 多层纳米吸波涂层的阻抗匹配及优化设计 1 .2 3吸波材料计算机辅助设计的国内外研究 吸波材料在电视广播、 雷达技术、 微波暗室和电子器件等民用方面有着广泛的用 途， 特别是在军事技术方面，由于电子对抗技术和隐身技术的迅速发展， 更加推动了 吸波材料的研究和发展， 在材料科学技术研究己深入到原子尺度的今天， 单凭经验设 计材料、开发制备新材料是很困难的。必须借助计算机进行辅助设计和分析1 周。 在科研过程中 ， 人们找到了 材料参数与吸波性能之间的关系， 但实际的应用中 对于 诸如材料匹配、 参数控制等的复杂计算都必须求助于计算机， 这就是计算机辅助设计。 计算机辅助设计一般包括以下内容:由 材料的电 磁参数计算材料的吸波性能; 由 达到 设计要求的吸波性能 ( 带宽、吸收率等) 选择材料( 即 材料的电 磁参数与几何厚度等) : 限定材料参数与几何厚度时如何复合这些材料才能达到最佳效果等囚 。 对于多层吸波材料， 电磁波与之作用有着非常复杂的吸收与损耗机制。 在吸波材 料的设计过程中一方面要加大介质对电磁波的吸收， 另一方面还必须考虑到材料电磁 参量的匹配问题， 这对于多层吸波体尤为重要。 多层材料的吸波特性不仅与各层材料 的介电和磁性参数有关， 还与各层厚度以及各层的排列顺序有关， 因此通过实验的方 法是很难获得最佳的隐身涂层， 而有必要借助计算机进行辅助设计， 指导该涂层的研 究与开发，这样可以大大提高研究的效率和方向性，减少大量的实验摸索127书1 。 国内部分院校和科研院所相继开展了雷达波隐身材料计算机辅助设计研究工作， 相应的c a d 软件可以做到在己知电磁参数和涂层厚度的情况下计算反射率闽值的带 宽，分析涂层厚度变化对吸收性能的影响129 刁 01 。其中 具有代表性的研究成果有: 国防 科技大学的“ 电 磁参数优化设计”; 南京大学开发的“ 微波吸收材料的计算机辅助设 计” ; 7 03所研制的“ 薄壁型结构吸波材料的电结构设计系统气 华中理工大学研究的“ 双 层微波吸收涂层的计算机辅助设计”; 哈尔滨工业大学提出的“ 薄隐身涂层中的电磁 波传输特性及优化设计原则” ; 电 子科技大学的 “ 纤维布层板吸波材料的等效电 磁参 数”，北京理工大学开发的“ 多层吸波材料计算机辅助设计系统” 131 一 33。 l z .4纳米吸波材料的国内外研究状况及发展趋势 纳米雷达波吸收剂作为一种新型的吸波剂己成为各国 研究的热点， 将成为当前和 今后若干年吸波材料研究的方向。国内外研究的纳米雷达波吸收剂主要有以下几类 1 34- 3 7 。 ( 1)纳米金属与合金吸收剂 主要是纳米金属与纳米合金的复合粉体，以fe、co、n i 等纳米金属与纳米合金 粉体为主，采取多相复合的方式，吸收率大于10 db的带宽可达3 .2 g h z ， 谐振频率点的 硕士论文多层纳米吸波涂层的阻抗匹配及优化设计 吸收率均大于2 0 d b 。复合体中各组元的比例、粒径、合金粉的显微结构是其吸波性 能的主要影响因素。 (2 ) 纳米氧化物吸收剂 纳米氧化物吸收剂主要有单一氧化物和复合氧化物两类. 单一氧化物纳米吸收剂 主要有f e z 伪、f e 3 氏、z n o 、 co刃、 t i oz、nio 、 m 0 0 2 、 w伪等纳米微粉， 吸收 频带宽， 吸收率较高. 复合氧化物纳米吸收剂主要有l a f eo3 、 lal-x s rx f e o 3 等复合氧化 物纳米微粉，不仅吸波性能优异，而且还兼具抑制红外辐射等多种功能。 (3 ) 纳米si c 吸波剂 si c 纤维作为吸波剂已 经进行了 较多的研究。 s ic不仅吸波性能好， 能减弱发动机 红外信号，而且具有耐高温、 相对密度小、韧性好、 强度大、电阻率高等优点，是国 内外发展很快的吸收剂之一【川。 纳米si c 和磁性纳米吸收剂复合后， 吸波效果还能大 幅度提高，纳米量级的s ic晶体须加入到纳米碳化硅等吸收剂中，会大大提高吸波效 果。 (4) 纳米铁氧体吸 收剂闪 铁氧体纳米颗粒与聚合物制成的复合材料， 能吸收和衰减电磁波及声波， 减小反 射和散射，被认为是一种好的隐身材料。铁氧体纳米复合材料多层膜在7 一 1 7 g f 比 频 率的吸收峰是一 odb ，小于一 1 0 d b 的频宽为2 0 1 比 。铁氧体纳米颗粒与聚合物复合材料 在国外国防领域己进入实际应用阶段。 (5 ) 纳米氮化物吸收剂 纳米氮化物吸收剂 主要有氮化硅、 氮化铁等， 纳米氮化硅在 1 护一 1 0 比有比 较大 的介电损耗。 纳米氮化硅的这种强介电 损耗是由于界面极化引起的， 界面极化是由于 悬挂键而形成的电偶极矩产生的【侧。纳米氮化铁具有很高的饱和磁感应强度，而且 有很高的饱和磁流密度，有可能成为性能优良的纳米雷达波吸收剂。 (6) 纳米5 创 c /n和5 砂 c 州 r/0 吸收剂 纳米 5 讹加吸 收 剂的 主 要成 分是 si c 、 5 殆 城和自 由 碳， 还可能 存在s i c l 龙 砂ixi4 、 si c 件 x 卿 们 等 物 质阅， 即 在 s ic中 有 n 替 代了 c 的 位 置， 这 样使 s ic 中 的 载 流 子 浓度 明 显 增大， 5 汀 c 八纳 米吸 收 剂 主 要 依 靠si c 、自 由 碳， si c 件 x 州 n 成、 si c 归妇 们 等吸收 和 衰 减雷达波，而氮化硅的含量可以调节整体电阻率。5 创 c /n/ 0 纳米吸收剂的主要成分为 si c ， s i 3 n 抽 、s i zn2 0 ， 5 心和自由 碳.最近的研究表明，5 刃 c /n和5 洲 c 加10 纳米吸收剂不 仅在厘米波段，而且在毫米波段也有很强的吸波性能。 ( 刀纳米铁电 陶瓷吸收剂 从六十年代起，人们己经开始研究通过熔融工艺制备得到b a t 1 0 3 、s rti 伪、 伊 b 卫 司 t 晓， 、 p b t i 伪等体系的 铁电 陶瓷t 42. 近年来， 溶胶一凝胶工艺、 共沉淀法、 水热法等湿化学方法在制备铁电陶瓷粉末及铁电薄膜方面取得了重大的进展。 它们在 7 硕士论文 多层纳米吸波涂层的阻抗匹配及优化设计 制备高纯、均一、超细的多组分粉体方面显示了令人振奋的前景1431。铁电陶瓷具有 高介电 常数， 具有优良的压电性、 介电性， 被广泛用于制作自 动温控发热元件、 多层 陶瓷电容器和电光器件等。 近年来， 关于铁电陶瓷微粉的介电性质、 损耗特性及其尺 寸效应出现了大量报道1川。并且纳米材料所具有不同于宏观物体的小尺寸效应使它 具有常规材料不具备的光学特性， 如光学非线性、 光吸收、 光反射、 光传输过程中的 能量损耗等都与纳米微粉的尺寸有很强的依赖关系， 这也为纳米铁电陶瓷作为吸波涂 层主相提供了可能。 纳米雷达波吸收剂作为一种新型吸波材料正处于研制阶段， 有潜力实现吸波剂研 究的更大突破。 磁性纳米微粒、 纳米颗粒膜和多层膜研究己成为近代国际科学前缘研 究课题。 针对吸波材料 “ 薄、 轻、宽、强” 等性能方面的更高要求， 纳米复合隐身材 料是吸波材料研究发展中的一个新领域， 从制粉工艺、 成型工艺、 烧结工艺、 复合方 式以及它们相应的制备科学、新型理论均是有待于研究的问 题。纳米复合隐身材料 ( 啊卜 r 闪 m s)将成为当前和若干年r a m s 研究的 方向14，1。 从国内外研究状况来看， 纳米吸波材料正在朝着多层、 复合以及涂敷型的方向发 展。 国外在理论和实验方面研究成果显著且发展迅速; 相对而言， 国内 存在明显的不 足， 即当前纳米吸波材料的技术水平尚不能满足应用系统的要求， 限制了隐身技术的 发展， 无论在材料的研制、 理论研究、 实际应用上都有许多工作需要探索研究。 为此， 本文选择从纳米吸波涂层阻抗匹配数值计算出发， 利用计算机辅助设计新型的纳米吸 波涂层材料，为新型纳米吸波涂层材料的制备提供理论依据。 为了从理论和微观结构上理解吸波材料的性能及其与各因素之间的关系， 必须利 用己 有物理、 化学、 计算机技术的最新成果，开展吸波材料的基础理论研究。因此隐 身材料设计应从以下几方面展开深入细致的研究: 1 .设计方法在物理模型上己经基本实现，但在材料的环境要求和应用性能要求 下， 涉及偏差较大， 这是材料设计机理研究和设计技术的困难所在， 发展更有效的多 功能、智能化的设计一预报一评价系统是今后隐身材料设计的重要课题; 2. 为了进一步拓宽隐身材料的吸收带宽， 国外研究者们正积极致力于发展多种设 计理论与方法， 如匹配设计、 广义匹配设计， 强扰动模拟计算颗粒散射理论等， 这是 隐身材料设计深入发展的理论基础; 3 .多层吸波材料设计是隐身材料设计的一个非常有前途的研究领域， 从目 前的 研究结果看， 在非理想谐振匹配理论指导下， 利用多薄层体系是实现宽带超薄型吸波 材料新思路; 以上几方面是隐身材料涉及发展的整体框架， 也是本文研究的基本出发点。 因此， 本文工作属于隐身材料新设计理论的研究工作，体现了当代隐身材料的发展潮流。 硕士论文多层纳米吸波涂层的阻抗匹配及优化设计 1 .3 本论文的主要研究内容、方法及意义 本文工作属于国防科研基金项目 : 纳米电 磁屏蔽隐身材料研究， 本项目 主要研究 纳米s ic、 f e 3 伪等薄膜或粉体材料的制备及其计算机优化设计， 并测试其对雷达电磁 波的吸收效能，为新型纳米隐身材料的研制提供理论及实验依据。 1 . 主要研究内容: (l ) 在满足广义匹 配规律的 条件下通过结合实际 材料的 数值计算， 研究了 单层材 料 在 入 射 波 长 s mm 的 电 磁 波 下 ， 功 率 反 射 率 凡与 涂 层 厚 度d 、 广 义 匹 配 常 数m、 相 对介电 常数尽、 相对磁导率p.的 关系。 (2) 根据本实 验室 近来研制的吸波材料， 建立了 吸波材料的相关数据库; 构造了能 真实体现 “ 薄、轻、 宽、强” 优化目 标的目 标函数， 对纳米材料的复磁导率和复介电 常数在频率7-1 9 g hz进行了测试，以及对磁损耗正切和电损耗正切在频率8 一 18g hz进 行了测试，给出了图形及相应的分析。 (3 ) 对所选取的 涂层纳米材料测试电 磁参量数据进行了 不同 条件下的吸波效能计 算机仿真模拟， 结合频点频带优化法进行了结果优化， 寻找出吸波效果较好的涂层材 料; 制备了相应的单层、 双层纳米吸波涂层材料， 对试验样品进行吸波效果测试，验 证计算机仿真优化的可行性。 2 . 主要研究方法: 沙 “ ( 1)理论上， 主要是以电 磁波与介质相互作用的理 论为基础， 从最基本的电 磁运 动的宏观规律麦克斯韦方程入手，给出了吸波材料的基本表征参量及相关电磁参量， 讨论电 磁波在平面分层介质中的反射、 折射等传播规律问题， 进而最后给出了计算机 辅助设计吸波材料的理论公式。 (2) 实 验手段上， 纳米吸 波材料制备主 要采用溶胶一凝胶法， 纳米吸波材料吸波 性能测试采用远场r c s 法实现r a m反射率。 (3 ) 计算机优化上， 根据计 算反 射系数的 跟踪计算法结合频点 和频带 优化法采用 m at lab和 v c 升语言 进行 编程， 最 后应用ori咖软 件进行作图处理。 3 . 本项目 研究的意义 本文结合当前隐身技术的研究发展要求和隐身材料应用环境的要求， 针对新型隐 身材料的主要技术指标、即“ 薄、 轻、宽、 强” 等项要求，对单层或多层纳米吸波涂 层材料的阻抗匹配及其有关性质进行数值计算， 结合一定的实验并进行相应的计算机 辅助设计， 从简化和有效设计出发提出了 优化后的跟踪计算发来计算多层介质的总反 射系数， 对宽频带吸收吸波材料的介质进行了相应组配， 并结合频带和频点优化设计 法大大提高了研究工作的效率。最后结合相关实验， 验证了设计方案的成功。因此， 本项研究具有重要的应用价值，对隐身材料设计及材料的制备具有重要的指导意义。 9 硕士论文 多层纳米吸波涂层的阻抗匹配及优化设计 2 多层介质中的电磁波传输理论基础 2. 1引言 本章主要介绍了设计吸波材料时所必须依赖的理论基础: 电磁波与介质相互作用 的理论。 首先从最基本的电磁运动的宏观规律麦克斯韦方程入手， 给出了吸波材料的 基本表征参量及相关电 磁参量， 讨论了电 磁波在平面分层介质中的反射、 折射等传播 规律问 题， 然后给出了计算机辅助设计吸波材料的理论公式【俗川。 2 .2 电磁运动的宏观规律 电 磁运动普遍规律可用麦克斯韦( m ax叭 母 1 1) 方程组来描述。 v.d=p v. b=0 v x e = 一 竺 次 (2. 1) v 、 h 一 j + 望 戒 万 其中，p 为自 由电荷密度，j 为传导电 流密度矢量， e 为电场强度矢量，h为磁 场强度矢量，d为电位移矢量， b 为磁感应强度矢量，t 为时间。 当空间存在的物质是各向同性时、 电位移矢量是电场在物质中引起的响应， 磁感 应强度矢量是磁场引起的响应，在线性近似条件下可将它们的关系写成 d = e =s r s 。 e，b=声h =产， 产。 h(2.2) e. 和从是 无 量 纲 数， 称为 相 对介电 常 数 和 相 对 磁导 率， 在国际 单 位 制中凡 为 真 空 介电 常 数 ， 八为 真 空 磁 导 率， 近 似 地 有50二 8. 85x10 一 12( f l in ) ， 巧叫方 、 10 -7 ( 川 m ) ， 在 真空中 无 量 纲的从， 和e.都 等于1 。 普 遍地 把气护 1 的 物质称为电 介质，阵笋 1 的 物质称为 磁 介质， 在一 般情 况 下 所 有物质均有凡 习。 事实上， 在麦克斯韦方 程(2 . 1) 中己 经将物质系统中 可能 存在的自 由 电 荷p 及其在电 场作用下的响 应j 分离出 来。 所以 研究束缚电 荷的电 位移响 应d 就是 将物质看成电介质，对于传导效应，在线性近似下也可描述为 j =口 e(2. 3) 硕士论文多层纳米吸波涂层的阻抗匹配及优化设计 对各向 同性物质口 为 标量， 称为电导率 ( c o n d u c t i v l ty ) 。 、少 和p都是表征物质 宏观性质的参数。 注 意到 真空中 有e. 月 而d = e0 e ，因 此在电 位 移d 中 可以 将纯粹因 存在电 介 质而 附加的贡献部分p分离出来，写为 d= e0 e + p(2.4) 称p 为 极 化强度( p o l 耐za t i o n ) 。 当无外场时多 数电 介质均 有p 司， 对于各向同性的中 性电介质，可以描述为 p = 盖e0 e(2.5) 称恙为 极 化率 ( s usce p t i b n ity) ， 由 公式( 2 2 ) 、( 2 . 3 ) 和( 2 . 5 ) 可以 得到 er=l+ 恙(2.句 和恙是 描述物 质电 极 化 性质的 两个等效 参数，盖也 是 无量纲的 量。由 磁介质的 有 关理论可知介质的磁化强度和相对磁导率分别为 材= 巧几h ，pr习十 x.(2.刀 称x.为 磁化率， 为无 量纲的量. 在均匀介质或在空间所有点都具有同一性质的 情况下，e 和产 是与坐标无关的 值，而 对于非均匀介质， 它将是坐标的函数，即5 二 e (r ) ， 在这类介质中p ， e 和d， 以及m， h和b的矢量是共线的( 平行的 ) 。在各向 异性介质中，电磁感应和电、磁强 度的矢量不是共线的。由于介质内某些方向容易极化，另一些方向较难极化，使得d 和e 一般具有不同 方向， 它们的关系就不再是 (2.2) 式而是复 杂的张量式。 在强场作用 下许多物质呈现非线性现象， 此时d不仅与e 的一次式有关， 而且与e的二次式、 三 次式等都有关系，本书所讨论的各种介质一般仅考虑其线性情况。 z j复磁导率和复介电常数 ( 1) 复磁导率 交变磁场作用于磁介质时， 介质也会产生磁损耗。 介质中由 各种驰豫机制所引起 的损耗作用，使介质的磁化过程落后于外场，磁感应强度b滞后于磁场强度h。当 介质从静态或准静态过渡到动态时， p 从实数变为复数就是由 于磁感应强度b 和磁场 h之间有了相位差的结果，即滞后于h的结果。 磁性介质的复磁导率为 产 = 洲一 ip “(2.8) 其中万二 bo/ h co s 尹 为 磁性介 质复 磁导 率的 实 数 ( 保守 ) 分 量 ; 声= bo/ h s in 尹 为 磁 性 介质复 磁导率的 虚数 ( 耗损) 分量，少 称为 损耗角， 在一 般文献里 通常将尹 写 成凡， 可 硕士论文多层纳米吸波涂层的阻抗匹配及优化设计 以写成 心 凡= 厂 / 杯 考虑相对磁导率 p.= 产 / 巧= 伽 一 加 . )/ 八= 对一 城 由 ( 2. 刀 式得 八= 1+瓜= 从一 城 (2. 9) ( 2 . 1 0 a) (2. 1 0 b ) 几= 两一 卜城二 石一 呱=从 一刀 从(2. 1 1 ) 式中蕊= 对一 1 为 磁 化率 实 部， 云= 仄为 虚 部。 复 磁 导 率 的 物 理 意 义 是 表 示 磁 性 材料既有磁能的 储存( 万 或x ) ， 又有磁能的损耗( 厂或x) 。 这 种磁损耗既非一般的 涡 流损耗， 也不是磁滞损耗， 而是由 于磁化过程中元磁矩运动的阻尼( 弛豫机制) 产生的， 称为磁吸收， 这种阻尼使磁化( 即元磁矩的重新取向 ) 对于磁场有一时间上的滞后。 ( 2 )复介电常数 对于真实的电介质， 在正负束缚电荷作相对位移而改变其中的极化强度时， 总存 在某种内摩擦而形成损耗，损耗掉的那部