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吸波材料 谢惺 1 目录 概况 1 吸波材料的吸波原理 2 吸波材料的分类 3 发展趋势 4 2 背景 隐形飞机 防辐射手机壳 防辐射键盘 3 什么是吸波材料 吸波材料是指可吸收 衰减空间入射的电磁波能量 并减少或消除反射的电磁波的一类功能材料 一般由基体材料和损耗介质复合而成 研究目标 薄 轻 宽 强 环境稳定性好 4 电磁波吸收原理 1 电磁损耗电阻损耗介电损耗磁损耗 2 阻抗匹配 5 电阻损耗 电磁波在材料里感应产生电流 电流在材料内部传输受阻而转化为内能 电导率越大载流子引起的宏观电流越大 电场引起的电流和磁场引起的涡流 有利于电磁能转变为热能 涡流 块状导体在变化的磁场中或在磁场中运动时产生的在导体内自成闭合回路的感应电流叫涡电流 简称涡流 6 介电损耗 电极化 在外电场的作用下 介质的质点 原子 分子 离子 正负电荷重心分离 使其转变为偶极子的过程 电子极化 陶瓷离子极化 离子结构的物质取向计划 有机物质界面极化 结构不均匀的材料电介质分子的极化需要一定的时间 而在交变电场的作用下 当这种极化落后于外电场的频率时 便产生了极化的滞后 从而产生介电损耗 7 磁损耗 磁性材料在磁化过程和反磁化过程中有一部分能量不可逆地转变为热能所损耗的能量称为磁损耗 磁滞损耗 涡流损耗 剩余损耗 8 磁损耗 磁滞损耗 磁化过程中克服矫顽力所消耗的能量 矫顽力 如果要使材料的磁化强度回到零 就要加一个反向的磁场 其磁场强度Hc就成为矫顽力 磁化强度 磁化场 9 磁损耗 涡流损耗 同时兼具电阻损耗和磁损耗 剩余损耗 除了涡流和磁滞损耗以外的其他所有损耗 低频和弱磁场中 剩余损耗主要是磁后效损耗 且与频率无关 高频下 剩余损耗主要包括尺寸共振 畴壁共振 自然共振等引起的损耗 10 阻抗匹配 反射 材料 自由空间 自由空间 Zin 材料归一化阻抗 r 材料复介电常数 r i r 材料复磁导率 r i d 吸收层厚度 c 光速 f 电磁波在自由空间的频率 反射系数 当 0 即无反射时 则材料阻抗匹配最好 11 吸波性能的评价 主要参数 电阻率 复介电常数 材料在电场作用下极化程度的变量 在外电场作用时 材料电偶矩产生移动引起的损耗 复磁导率 材料在磁场作用下磁化程度的变量 在外加磁场的作用下 材料磁偶矩产生移动引起的损耗 介质损耗正切值 tan tan E tan M 反射损失 R 表征吸波材料对于金属平板反射的大小 12 2020 3 19 13 吸波材料有哪些 根据成型工艺涂敷型 吸收剂和粘合剂混合后涂敷于目标表面 铁氧体吸收材料 金属微粉吸收材料 多晶铁纤维吸收材料等 结构型 将吸收剂分散在特种纤维增强的结构材料中所形成的结构复合材料 承载 吸收电磁波常用纤维 玻纤 碳纤 碳化硅纤维等 根据研究时期传统吸波材料 金属微粉 石墨 钛酸钡等 新型吸波材料 纳米吸波材料 导电高聚物 多晶纤维 手性吸波材料等 14 金属微粉 主要通过磁滞损耗 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 抗氧化 抗酸碱能力差 介电常数大 而且密度大 石墨 密度低 电阻是衰减电磁能的主要方式 高温抗氧化性差 式铁氧体 具有吸收率高 涂层薄和频带宽等优点 密度大 饱和磁化强度低 高温稳定性差 传统吸波材料 15 粉体体积小比表面积大颗粒表面原子比例高 量子尺寸效应多重散射悬挂的化学键增多 具有良好的吸波性能界面极化 新型吸波材料 纳米材料 16 碳纳米管吸波材料 本征吸收性差导电性很好 属于电损耗型吸波材料 但磁导率小 磁损耗很小 限制了在微波吸收性能上的提高 目前研究重点 碳纳米管薄膜 碳纳米管 聚合物基复合吸波材料 碳纳米管 磁性物质复合吸波材料等 复合化越来越受到重视 17 碳纳米管薄膜 研究表明 在Si基底上定向生长的碳纳米管基本没有吸波性能 而在Cu基底上定向生长的管径30nm 长度5 m 间距150nm的碳纳米管薄膜对红光和红外激光的吸收高达98 对10GHz的微波有50 的吸收 该材料密度小 吸收强 对微波和红外激光均能吸收 主要应用于军事领域 18 碳纳米管薄膜 碳纳米管的纯化化学气相沉积法法制备的碳纳米管纯度不高 存在较多的缺陷或杂质 会影响碳纳米管的性能 因此通常要将制得的碳纳米管进行纯化处理 纯化后 介电损耗正切值tan E磁损耗正切值tan M 19 碳纳米管薄膜 碳纳米管的活化对碳纳米管进行活化处理可以提高碳纳米管的吸波性能 用氢氧化钾对碳纳米管进行活化处理后 吸收频带展宽 吸收加强 原因 活化碳纳米管具有丰富的孔结构 电磁波在这些孔结构中反复地被反射 散射 从而消耗电磁波能量 20 碳纳米管 聚合物基复合吸波材料 由于碳纳米管尺寸小 比表面积大 具有良好的导电性 在与聚合物混合物制备成复合材料能够形成导电网络 而且能够提高复合材料强度 是一种综合性能优良的电损耗型复合吸波材料 21 碳纳米管 磁性物质复合吸波材料 碳纳米管是具有中空结构的一维材料 可以利用其毛细现象将一些元素或物质填充到碳纳米管的内部 制备成具有特殊性能的一维材料 将Fe Co Ni等铁磁性金属或是铁氧体等磁体包覆或填充到碳