吸波材料简介.pdf

1 目 录 绪论 2 1 吸波材料的吸波原理 2 1 1 RC与RL电路及损耗因子 2 1 2 材料的复介电常数与复磁导率 4 1 2 1 复介电常数 4 1 2 2 复磁导率 5 2 当前吸波材料的分类 5 2 1 按材料成型工艺和承载能力 6 2 2 按吸波原理 6 2 3 按材料的损耗机理 6 2 4 按研究时期 6 3 无机吸波剂简介 6 3 1 铁系吸波剂 6 3 1 1 金属铁微粉 6 3 1 2 多晶铁纤维 6 3 1 3 铁氧体 6 3 2 碳系吸波剂 7 3 2 1 石墨 乙炔炭黑 7 3 2 2 碳纤维 7 3 2 3 碳纳米管 7 3 3 陶瓷系吸波剂 7 3 3 1 碳化硅 7 3 3 2 碳化硅复合材料 8 4 有机物为主体吸波剂简介 8 4 1 导电高分子类吸波材料 8 4 2 视黄基席夫碱类吸波材料 8 5 其他吸波材料简介 8 5 1 等离子体吸波材料 8 5 2 手性吸波材料 9 5 3 智能化吸波材料 9 6 展 望 9 2 绪论 随着现代科学技术的发展 电磁波辐射对环境的影响日益增大 在机场 飞机航班因电磁波干 扰无法起飞而误点 在医院 移动电话常会干扰各种电子诊疗仪器的正常工作 因此 治理电磁污 染 寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料 吸波材料 已成为材料科学的一大课题 此外 在未来高技术 立体化战争中 武器装备随时面临着探测与反探测的严峻挑战 提高军事装备的战 术技能 隐身技术已经成为未来高技术战争的重要研究课题 吸波材料是隐身技术中的关键环节 将吸波材料引入隐身技术的研究受到世界各国的高度重视 本文以吸波材料的吸波原理为主线来阐 述吸波剂的研究进展 1吸波材料的吸波原理 1 1 1 RC与RL电路及损耗因子 吸波材料的物理机制是材料对电磁波实现有效吸收 电磁波能量入射到介质中被迅速衰减变成 其他形式的能其损耗机制在宏观上可通过简单的RC RL等效电路予以解释 对二端无源网络 复电 压U 复电流I 复阻抗Z 分别为 0 0 0 0 令阻抗 0 0 电压与电流相位差 二端无源电路的电流 电压的矢量分解示意图如图1所示 复阻抗与电压 电流的相位关系如 表1 所示 二端电路的瞬时功率P t 平均功率P分别为 0 0 1 3 1 0 1 2 0 0 1 4 对纯电阻 0 2 2 对纯电容或电感 2 0 不吸收功率 式 1 4 可写为 或 1 5 其中 I 为有功电流 损耗电流 U 为有功电压 为无功 电流 为无功电压 仅 I 或 U 对 P 有贡献 式 1 5 中的 叫无功功率 P无 有 功功率为 图图 1 电流 电压分解示意图 1 1 1 2 3 有 或 有 1 6 二端电路复阻抗Z可写为 1 7 令 2 其中 为损耗角 则由式 1 5 1 6 1 7 得 1 有 无 1 8 其中tan 为损耗因子 表表 1 二端无源电路的复阻抗 电流 电压相位关系 二端无源网络 复阻抗 U与I相位差正切tan 电压与电流相位关系图 0 0 1 2 2 1 1 1 1 1 1 R 4 1 2 材料的复介电常数与复磁导率 评价吸波损耗特性的主要参数是材料的复介电常数和复磁导率 电磁波与介质的宏观相互作用 可以用RC RL电路等效 由等效电路可以说明复介电常数和复磁导率的物理实质 1 2 1 复介电常数 以充满电介质的电容器为例引入复介电常数理想电容器在交变电压下 电流比电压的相位超前 2 电容器不吸收功率 即无损耗 实际上 介质的损耗可用RC并联或串联电路 来等效 见图2 此时电流超前电压的相位为 值见表1 设电容器上电量Q Qejwf 则 0 其中令 r r j r 称为复相对介电常数 则 0 0 1 9 若等效为RC并联 见图2 b 则 1 1 10 其中 为并联等效电阻和等效电容 比较式 1 9 1 10 得 1 0 0 1 11 其中 为相对复介电常数 的实部和虚部由式 1 8 1 9 1 11 损耗因子为 有 无 1 1 12 若等效于RC 串联 见图2 c 则 0 1 0 1 13 由上两式得 0 0 1 14 如果仅考虑介质有一定电导作用 可将电容器等效于1个有分流作用的并联电路 由式 1 12 知 若 小 导电性大 则 大 大 引起的损耗也大 如果仅考虑介质极化作用 极化有改变电容器电压的作用 可等效于1个有分压作用的RC串联电 路 反复极化如同某种 摩擦 由式 14 可知 大 大 大 则损耗大 反映了反复 极化引起的损耗 体现了 摩擦 程度 可见 RC并 串联电路反映了2种损耗机制 并联电路反映 介质有电导作用 漏电 的损耗 串联电路反映反复极化的损耗 实际上2种损耗机制同时存在 都对 有贡献 引入复电导率 可以进一步理解介质损耗机制 以平板电容器为例 加上交变电压 复 图图 2 有介质电容器等效电路 5 场强 0 0 当充满介质后 结合式 1 9 复电流密度为 0 1 15 再由 可得 0 0 1 16 称为复电导率 其实部即为一般的交流电导率 所以 0 1 17 0 1 18 可见 越大 越大 则损耗越大 与 对应 故介质的电导率是影响复介电常数虚部或损 耗因子的重要因素 对于无损耗 0 的各向同性电介质 介质中电位移 D 与电场强度 E 相位相同 0 若介质有损耗 则 0 对各向异性介质则为复张量 D与E有相位 差 D的相位滞后 即存在电滞现象 该相位差 即电损耗角 越大 电滞越大 则损耗越大 1 2 2 复磁导率 以充满介质的螺线管为例 0 理想线圈在交变电压下 电压相位比电流超前 2 不吸 收功率 无损耗 实际上 功率有损耗 可用RL串 并联电路等效 见图3 设线圈交变电流 0 0 复相对磁导率 则 0 0 1 19 将RC电路视为并联等效电路时 1 1 1 1 1 1 2 1 2 1 20 比较式 1 19 1 20 式 得 1 21 将RC电路视为串联等效电路时 1 22 比较式 1 19 1 22 有 1 23 RL串 并联等效电路也反映了2种损耗机制 由式 1 21 1 23 可知 并联等效时损耗因子 1 即与介质电导率成正比 实际上 是变化的磁场产生涡旋电场作用于介质中载流子引 起涡流损耗 导电率越高 涡流损耗越大 导电率不仅影响 的数值 而且是影响 的重要因 素 串联等效时 R 等效于一种 摩擦 作用 反映动态磁化过程中的阻尼 实际上 2 种损耗同时存在 都对有 贡献 由磁感应强度B与磁场强度H的关系 0 可知 磁损耗角 也正是相对于落后的位相 即磁滞现象 位相滞后越大 磁滞越大 损耗越大 对上述RC RL交流等效电路 介质中存在交变电磁场 与电磁波 交变电磁场 入射到介质中的 损耗情况类似 介质对电磁波的吸收同样可用损耗因子 复介电常数 复磁导率进行描述 的 数值体现了电磁损耗的大小 其次 损耗还与电磁波频率有关 在多种损耗机制并存时 材料对电 磁波的吸收作用可依具体情况选用合适的复杂电路模型等效 进而得到电磁波频率与损耗因子的具 体关系 2 当前吸波材料的分类 2 目前吸波材料分类较多 现大致分成下面 4 种 图图 3 3 有介质的线圈等效电路 6 2 1 按材料成型工艺和承载能力 可分为涂覆型吸波材料和结构型吸波材料 前者是将吸收剂 金属或合金粉末 铁氧体 导电纤 维等 与粘合剂混合后 涂覆于目标表面形成吸波涂层 后者是具有承载和吸波的双重功能 通常是 将吸收剂分散在层状结构材料中 或是采用强度高 透波性能好的高聚物复合材料 如玻璃钢 芳纶 纤维复合材料等 为面板 蜂窝状 波纹体或角锥体为夹芯的复合结构 2 2 按吸波原理 吸波材料又可分为吸收型和干涉型两类 吸收型吸波材料本身对雷达波进行吸收损耗 基本类 型有复磁导率与复介电常数基本相等的吸收体 阻抗渐变 宽频 吸收体和衰减表面电流的薄层吸 收体 干涉型则是利用吸波层表面和底层两列反射波的振幅相等相位相反进行干涉相消 如 1 4 波 长 谐振 吸收体 这类材料的缺点是吸收频带较窄 2 3 按材料的损耗机理 吸波材料可分为电阻型 电介质型和磁介质型 3 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 其机理为介质极化驰豫损耗 磁介质型吸波材料的损耗机理主要归结为铁磁共振吸收 如铁氧体 羟基铁等 2 4 按研究时期 可分为传统吸波材料和新型吸波材料 铁氧体 钛酸钡 金属微粉 石墨 碳化硅 导电纤维 等属于传统吸波材料 它们通常都具有吸收频带窄 密度大等缺点 其中铁氧体吸波材料和金属微 粉吸波材料研究较多 性能也较好 新型吸波材料包括纳米材料 手性材料 导电高聚物 多晶铁 纤维及电路模拟吸波材料等 它们具有不同于传统吸波材料的吸波机理 其中纳米材料和多晶铁纤 维是众多新型吸波材料中性能最好的 2 种 3无机吸波剂简介 3 1 铁系吸波剂 3 3 1 1 金属铁微粉 金属铁微粉吸波剂主要是通过磁滞损耗 涡流损耗等吸收衰减电磁波 主要包括金属铁粉 铁 合金粉 羰基铁粉等 金属铁微粉吸收剂具有较高的微波磁导率 温度稳定性好等优点 但是其抗 氧化 抗酸碱能力差 介电常数大 频谱特性差 低频吸收性能较差 而且密度大 3 1 2 多晶铁纤维 多晶铁纤维具有很好的磁滞损耗 涡流损耗及较强的介电损耗 并且是良好的导体 在外界电场作 用下 其内部自由电子发生振荡运动 产生振荡电流 将电磁波的能量转化成热能 从而削弱电磁 波 目前国内制得轴径比为20 35的多晶铁纤维 在8 5 14 6 GHz范围内反射损耗小于 l0dB 在11 3 GHz处最大损耗为 21 8dB Nie等应用羰基热解的方式成功合成了直径为3 10 m的磁性铁纤维 并通过表 面修饰后 用传输 反射同轴方法测其在2 18 GHz范围内的电磁参数 结果显示在2 GHz时其 可达3 6 和3 5 而且通过磷化处理之后 其介电参数明显下降 而在2 GHz时的 达5 2 磁损耗将明显增加 在2 10 GHz 内 其 保持在1 0以上 而 则下降后又出现回升 这种磁性铁纤维有望作为轻质的雷达吸波材料 3 1 3 铁氧体 铁氧体吸波材料是研究较多也较成熟的吸波材料 它的优点是吸收效率高 涂层薄 频带宽 不足之处是相对密度大 使部件增重 以至影响部件的整体性能 高频效应也不太理想 在研制铁 氧体方面日本处于世界领先地位 研制出一种由阻抗变换层和低阻抗谐振层组成的双层结构高效宽 频吸波涂料 可吸收 1 2 GHz 的雷达波 反射率为 20 dB 是目前最好的吸波吸收剂 另外 同时 掺入几种不同类型的吸收介质 也会产生部分的累积效果 其吸收频带也明显增加 而且最大反射 损耗也明显增加 对展宽材料的有效吸收带宽非常有利 7 3 2 碳系吸波剂 4 3 2 1 石墨 乙炔炭黑 据报道乙炔炭黑属介电型吸收剂 由于其粒径为纳米级 不仅能吸收电磁波 还能有效抑制红 外辐射 石墨在二战期间就被用来充填在飞机蒙皮的夹层中吸收雷达波 由于其密度低 也常被用 来充填在蜂窝夹层结构中 导电炭黑还被用来与高分子材料复合 调节高分子复合材料的导电率 达到吸波效果 但石墨 乙炔炭黑作为高温吸收剂的缺点是高温抗氧化性差 美国在石墨 热塑性树脂基复合材料和石墨 环氧树脂基复合材料的研究方面取得了可喜的成 绩 这些复合材料在低温下 53 仍保持韧性 只是对高温和高湿度环境比金属稍微敏感 波音公 司和洛克希德公司正在推动石墨 热塑性树脂基复合材料的应用 与石墨 环氧树脂基复合材料相比 这种材料具有高的韧性和损伤裕度 另外石墨和炭黑也被用在掺杂高损耗物吸波涂料中 这类吸波 涂料由导电纤维与高损耗物 如炭黑 陶瓷和粘土等 和树脂组成 其中导电纤维的长度是雷达波波 长的 1 2 高损物的厚度最好是雷达波波长 1 4 的奇数倍 3 2 2 碳纤维 碳纤维是由有机纤维或低分子烃气体原料加热所形成的纤维状碳材料 它是不完全的石墨结晶 沿纤维轴向排列的物质 其碳含量为 90 以上 随碳化温度的升高 碳纤维结构由乱层结构向三维 石墨结构转化 层间距减小 电导率逐步增大 易形成雷达波的强反射体 如高温处理的石墨纤维 低温处理的碳纤维 结构疏松散乱 是电磁波的吸收体 是良导电性的电损耗材料 因此 只有经 过特殊处理的碳纤维才能吸收雷达波 3 2 3 碳纳米管 在1991年发现碳纳米管 CNTS 以来 众多研究者对它的纳米和微型器件的研究更加重视 碳纳 米管作为导电物质 其特殊的物理和化学性能使得它广泛的被用作吸波材料 在用适量稀土氧化物 改性 并与环氧树脂充分混和制成复合吸波材料后 碳纳米管的吸波性能可大幅提高 5 3 3 陶瓷系吸波剂 用于高速飞行器组件上的雷达吸波材料要承受长时间高温工作的特点 而陶瓷材料具有优良的 力学性能和热物理性能 特别是耐高温 强度高 蠕变低 膨胀系数小 耐腐蚀性强和化学稳定性 好 同时又具有吸波功能 能满足隐身的要求 因此已被广泛用作吸收剂 陶瓷吸波材料主要代表 有碳化硅吸波材料 碳化硅复合吸波材料 法国 Alcole 公司采用陶瓷复合纤维制造出了无人驾驶隐 身飞机 这种陶瓷复合纤维由玻璃纤维 碳纤维和芳酰胺纤维组成 加入 TiO2 后可耐 1200 高温 Sung Soo Kima 等用化学镀工艺在空心陶瓷基体上沉积 Co Co Fe 薄膜 制备的吸波剂具有低的密 度和强的吸波能力 通过调整薄膜中 Co 的含量可以改变吸波剂的吸收峰和频谱效应 当涂层的厚度 为 1 5mm 时 其吸收能力可达 20dB 厚度为 2 5mm 时 吸收能力可在达 25dB 3 3 1 碳化硅 在陶瓷吸波材料中 碳化硅是制作多波段吸波材料的主要组分 有实现轻质 薄层 宽频带和 多频段吸收的可能 应用前景广阔 王军等运用超声将平均粒径 30nm 的超细金属钴粉均匀分散到聚碳硅烷中 通过熔融纺丝 烧 结等处理 制备出具有良好力学性能 电阻率连续可调的掺混型磁性碳化硅陶瓷纤维 将这种纤维 正交铺排 与环氧树脂复合制备的 3 层结构吸波材料具有良好的微波吸收特性 在 8 0 12 4GHz 范 围内其反射衰减达 12dB 以上 最大可达 16 3dB 其中小于 15 dB 的带宽约 1 2 GHz 孙晶晶等研 究了 Al 的掺杂量对纳米 SiC 粉末介电性能的影响 在 8 2 12 4 GHz 范围内 SiC 未掺杂 A1 的相对介电常数 r 50 和介电损耗正切值 tg 0 9 高于掺铝样品 且这两个参数随铝含量的增 加而降低 8 3 3 2 碳化硅复合材料 碳化硅 碳纤维材料综合了 SiC 耐高温氧化和碳纤维的高强度与导电优点而成为一类新型陶瓷 纤维材料 它的损耗效应综合了介电损耗和磁损耗 这是由于该纤维是以 SiC 型微晶与自由状态 的 x x 可以是 C N Pe Ni Co Zr 单独一种或同时多种元素 成混晶状态 通过聚碳硅烷与沥青 共混纺丝 然后将其硫化使之成为热不熔化体 在 N2气流下以 200 250 h的升温速度加热至 1000 1200 烧结一定时间 转化为 SiC C 纤维 这种纤维具有吸收雷达波的功能 经过与环氧 树脂复合制成平板 衰减 10 dB 的频带宽度超过 10 GHz 高文等利用 SiC 涂层和 SiC C 共沉积涂层 改性碳纤维表面 通过化学气相沉积 CVD 法 改变涂层或沉积层的厚度及其中的碳含量来改变材料 的复介电常数 从而降低材料对电磁波的反射特性 国外高温吸波材料的研制主要集中在陶瓷基复合材料 较早报道的耐高温吸波材料是 SiC 与 Si3N4等的复合体 日本研制的 SiC Si3N4 BN 耐高温陶瓷吸波材料 在耐高温的同时具有较好的吸 波性能 此外 据 Colomban 报道 能作为高温吸波材料的还有 Co Aluminate glass Nasicon SiCwf Zirconosi1icophosphate SiCwf GeO2 ZrO2 A12O3 2SiO2 mullite 等 4 有机物为主体吸波剂简介 4 1 导电高分子类吸波材料 导电高分子是由具有共轭 键的高分子通过电化学或化学 掺杂 使其由绝缘体转变为导体的 一类高分子材料 其导电机理一般认为是掺杂导电高分子的载流子是孤子 极化子和双极化子等 导电高聚物的吸波性能与其电磁参数如介电常数 电导率等因素有关 其对电磁波的吸收主要 是依靠电损耗和介电损耗 导电高聚物在雷达波的作用下 一方面材料被反复极化 分子电偶极子 力图跟上场的振荡而受到分子摩擦 另一方面由于材料导电率不为零 在材料中形成感应电流而产 生焦耳热 从而使得电磁波能量被耗散 将导电高聚物与无机磁损耗物质复合可以提高导电高聚物 的磁损耗性能 使其兼具电损耗与磁损耗的性能 展宽吸收频带 目前 导电聚合物型吸波涂层尚处于实验室研究阶段 单一的导电聚合物的吸波频率较窄 其 吸波性能依赖于导电聚合物的主链结构 室温电导率 掺杂剂性质 微观形貌 涂层厚度 涂层结 构等因素 提高材料的吸收率和展宽频带是导电高聚物吸波材料的研究与发展重点 4 2 视黄基席夫碱类吸波材料 视黄基席夫碱盐具有吸收无线电波的特异性能 在国防建设和军事领域都有非常重要的意义 1987年美国研制出一种非铁氧体基吸波材料 它就是由多种视黄基席夫碱盐组成的含双键的聚合物 其吸波性能良好 质量仅为铁氧体的 1 10 对雷达波的衰减可达 80 以上 特定类型的视黄基席夫 碱盐可吸收特定的雷达波波长 因此通过对这些特定的视黄基席夫碱盐进行搭配 组合 从而达到 宽频的吸波效果 这一报道引起了人们对席夫碱研究的重视 为视黄基席夫碱的研究开辟了新的领 域 6 5 其他吸波材料简介 5 1 等离子体吸波材料 等离子体隐身技术是 20 世纪 60 年代就开始探索 近几年才有新发展的新兴隐身技术 是利用 等离子体回避探测系统的两种技术 目前产生隐身等离子体的方法主要有两种 一种是在飞机的特 定部位 如强散射区 涂一层放射性同位素 对雷达波进行吸收 另一种是在低温下 通过电源以高 频和高压的形式提供的高能量产生间隙放电 沿面放电等形式 将气体介质激活 电离形成等离子 体 等离子隐形主要有两种形式 一种是等离子隐形涂料 以放射性同位素 210 钋 90 锶为原料 在 高速飞行状态下 使飞行器表面在空气层电离时 形成一层等离子来吸收微波 红外线等其吸收性 9 能在 1 20GHz 范围内反射率可达 17dB 该技术可用于战斗机以及巡航导弹 第二种是采用等离子 发生器 即使用等离子发生器在飞机 舰船 卫星等物体表面产生等离子层 由于等离子层对电磁 波所特有的吸收和折射性能 反射回雷达接收器的电磁波的能量就会非常少 据报道 美国军方实 验表明 F 35 战机应用等离子技术后 其雷达信号特征由原来的 10 减少到原来的 1 俄国在等离 子体方面的研究已经取得巨大成绩 并且已经开始应用于其新一代战机 7 5 2 手性吸波材料 手性材料是指与其镜像不存在几何对称性 且不能使用任何方法使其与镜像重合的材料 研究 表明 具有手性结构的材料能够减少入射电磁波的反射并能吸收电磁波 手性吸波材料是近年来开 发的新型吸波材料 20 世纪 90 年代初国内将手性吸波材料附于金属表面的试验结果表明 它与一般 吸波材料相比 具有吸波频率高 吸收频带宽的优点 并可通过调节旋波参量来改善吸波特性 在 提高吸收性能 扩展吸波带宽方面具有很大潜能 美国 法国和俄罗斯非常重视手性材料的研究 在微观机理研究方面取得较大进展 国内用手性吸收剂与环氧树脂制成厚度为 1 4 mm 的样板 吸收 剂质量比为 20 在 8 12 8 GHz 频段内的反射率均低于 7 dB 最高为 l0 15 dB 5 3 智能化吸波材料 智能材料是近年来发展起来的新型的高科技材料 它是将驱动件和传感件紧密融合在结构中 同时也将控制电路 逻辑电路 信号处理器 功率放大器等集成在结构中 通过机械 热 光 化 学 电 磁等激励和控制 使智能材料不仅具有承受载荷的能力 还具有识别 分析 处理及控制 等多种功能 并能进行数据的传输和多种参数的检测 而且还能动作 具有改变结构的应力分布 形状 电磁场 光学性能 化学性能等多种功能 从而使结构材料本身具有自诊断 自适应 自学 习 自修复 自增值 自衰减等能力 智能材料这种能够根据外界环境变化调节自身的结构和性能 并对环境做出最佳响应为隐身材料的设计提供了一种全新的思路和方法 使智能隐身目标的实现成 为可能 美国是最早研究智能隐身材料的国家之一 西屋公司从事智能飞机蒙皮的研究是用嵌入蒙 皮的共形系统来代替天线和黑箱 与常规的飞机雷达天线相比 共形系统的优点是它可以安装在飞 机上像翼尖这样通常难以安装的部位 通过定向操作达到隐身的目的 目前美国空军正研究在光纤 灵巧蒙皮内嵌入保型雷达 导航设备 目标搜索和各种传感器件 使光纤数字电路遍布飞机机翼内 这种战斗机不仅可以隐身 而且灵敏度高 易操作 智能隐身材料的应用降低了电子系统本身的质 量和成本 用智能纤维增强的聚合物作隐身的结构材料 不仅起到了雷达隐身的作用 同时把飞机 的质量也减轻 50 另据报道美国陆军 Natick 研究发展工作中心在装甲车上涂敷的改性电致发光聚 苯乙烯薄膜 Lockheed Martin 公司用于飞行器的电致变色聚合物蒙皮等 英国研制的一种新型化 学伪装材料 能在 20 1O00 条件下使用 具有色彩的全光谱变化 8 6 结 论 随着吸波材料的快速发展 吸波材料已广泛应用于发达国家的武器系统中 并已成为军事领域 战略竞争 的基本要素 目前对吸波材料的研究方