吸波材料吸波机制及吸波剂性能优劣评价方法_王涛

磁性材料和设备2016年11月7日专家论坛吸收材料的机制和吸收剂性能优缺点评价方法王涛、张俊、王鹏、赵亮、唐韵、舒德胜、李巴延(兰州大学物理技术学院兰州大学磁材料教育部核心实验室，甘肃兰州73000)采摘吸收材料：民间领域的电磁干扰吸收剂一般由吸收剂和粘合剂合成，吸收力由复合材料的电磁参数和吸收材料的厚度决定。近年来，广泛研究了包括磁性铁氧体粒子、磁性金属粒子、碳材料、磁性粒子/碳复合材料在内的多种类型的吸收剂，但吸收材料在实现“薄、轻、宽、强”综合目标方面没有太大进展的主要原因是在吸收材料的吸收机制及吸收剂性能的优缺点的评价标准上没有达成科学协议。本文介绍了基于厚度的吸收材料的吸波特性，阐述了基于最近实验和计算结果的吸收材料吸波机理，并提出了基于吸收机制评价吸波材料性能优缺点的方法。通过对吸收剂的特性评价方法及吸收材料吸收机制的讨论，预计吸收材料的研究和应用将取得实质性进展。关键词：吸收材料；投资率；遗传常数；厚度；厚度。一致；一致。性能评估的图片分类编号：TM25文档标识代码：a文档编号：1001-3830(06)-0007-07 the absorption mechanism of radar absorber and performance evaluaalthe absorbing material is usually composed of absorbent and adahesive . its absorbing performance is determined By its electric parameters and thicsin recent years、different types of absorbent s、such as magnetic ferrrite particles、Magnetic metal particles和carbon materialHowever，The progress for this goal is hardly achieved。the reasons are that the researchers have not reached an agreement on the absorption mechanism of radar Absorber and the performance evaluation critionThen，The absorption mechanism is descripd to results of our recent experiments and calculations . based on The absorbing mechanism，The crrthrough this work，We expect that the substanial progress of absorber research and application can be achieved in the future . key words : abssPermeabilityPermittivityThicknessMatchPerformance evaluation 1简介微波信息技术的快速发展和微波设备的广泛使用关闭电磁辐射和设备之间的电磁干扰问题的日期：2016-06-08恢复日期：2016-07-05基金项目：国家自然科学基金项目(1124115；(115774122)通讯作家：王涛电子邮件：wtao 越来越严重。为了解决这些问题，可以使用吸收材料吸收不需要的电磁波。不仅用于民用，还广泛用于飞机、坦克、军舰等防卫武器用雷达隐身涂层。吸收剂由吸收剂(粉末)和粘结剂(环氧等高分子材料、橡胶)组成。吸收材料的开发目标是“薄、轻、宽、强”，即要求：吸收涂层(或补丁)8 J Magn Mater Devices Vol 47 No 6薄、轻重量、吸收频率带宽、强吸收性能为目标的不断移动的关键是提高吸收材料的电磁特性和吸收材料的设计多年来，国内外多家研究小组用各种形式的微或粉末试验了磁性(金属/铁氧体)吸收剂、介质吸收剂、导电高分子材料吸收剂、碳基材料吸收剂1-5等各种电磁材料，甚至将燃烧的电子废弃物、矿渣粉变成吸收材料，并研究了其吸收特性6-9近年来，将复合吸收材料，即多层微/纳米大小的核壳微粉末10-14，混合吸收材料或机械混合在一起的研究小组相当多。各章使用正在研究的材料是好的吸收材料的具体资料来总结。与这些研究论文的乐观表现形式相反，吸收物质在“薄、轻、宽、强”的目标上长期没有什么进展。其中一个原因是：(1)对吸收电磁波的吸收物质的物理机制不理解。(2)到目前为止，还没有就“用什么材料参数表征吸收材料的优劣达成共识”。我们认为，对上述两个问题形成了正确的攻角，只有指导、规范和评价吸收剂开发及吸收剂设计，才能为实现吸收材料“薄、轻、宽、强”的目标打下坚实的基础。2微波吸收特性的特性及测量方法图1是电磁波垂直入射到具有金属背衬的波吸收涂层的示意图。对于这种吸收材料，要评价吸收特性，一般使用矢量网络分析仪测试材料的磁谱和介质谱，然后使用传输线理论公式计算吸收材料不同厚度下的反射损耗特性。具体公式为15-16:INR RR 0r 2 tanh zzzc(1)1(db)20 LG 1 Z rl Z(2)表达式的Z (=in0 /ZZ)是相对于自由空间的输入阻抗，r和除了计算，我们还可以在空气线上直接测量样品的反射损失曲线。利用空气线测量环形样品的电磁参数时，电磁波垂直入射到样品的表面，在样品后界面上添加金属背衬时，吸收材料的反射损失曲线可以通过直接测量短路时的反射系数(S11-short)得到17。图1电磁波垂直入射到具有金属背衬的吸收涂层的图3电磁损失机制的不合理性在表征吸收材料的吸波特性方面，研究人员首先准备环样品，使用矢量网络分析器测试样品的磁谱和功率谱，然后使用(1)和(2)表达式计算样品不同厚度下的反射损失曲线，这是很常见的。在某种厚度下，如果能更好地获得- 10 dB(相当于90%吸收)或- 20 dB(相当于99%吸收)的吸收峰，准备的样品是很好的吸收材料。讨论各种材料是否是好的吸收材料时使用的方法和公式是一致的，因此本文以磁性金属粒子复合物为例进行了讨论。图2是具有20%体积分数的偏型羰基铁/石蜡复合材料的磁谱和电谱，样品的磁谱具有弛豫特性，电谱在测量频率范围内基本上是：(a)磁谱和(b)介电谱磁性材料和装置2016年11月9度的3篇羰基铁/石蜡复合材料(Jan Vf)不变。通过比较整个测量范围的渗透率和介电常数，可以得出以下结论：(1)样品的介电常数远远高于磁导率。(2)磁损耗()；“/”是介电损失()；大于/)，磁损失在12 GHz时最大。图3是使用(1)和(2)表达式计算出的厚度不同的样品的吸波性能。样品在薄的情况下(0.65 mm)不吸收峰值。厚度足够大时，出现吸收峰，吸收峰的相应频率随着厚度的增加而移动到低频。厚度为2.30 mm时，-35db (100%吸收)吸收效果在4.2 GHz时获得。厚度从步骤1增加到6.40 mm，可能出现两个吸收峰。解释产生良好吸收效果的原因时，文献中涉及的更多观点是电磁波进入吸收材料内部，利用电损耗和磁损耗吸收电磁波，产生良好吸收效果的电磁损耗模型。通过比较分析样品的电磁参数和微波吸收性能曲线，(1)样品的介电常数大于磁导率，电磁波垂直入射到材料的前界面时，根据反射率公式r/=/1r (3)，部分电磁波反射回反射回，这也意味着电磁波不能完全进入吸收材料内部，因此材料内部的电磁损失不能达到100%的吸收效果。(2)如果吸收波来自材料内部的电磁损失，则最佳吸收的频率点应与电磁损失的最大频率点一致，但是根据图2和图3的结果以及现有文献数据，两者几乎没有关系。(3)如果吸收速度源于材料内部的电磁损耗，则吸收峰的发生和峰值频率位置与吸收材料厚度无关，但现实与吸收材料厚度密切相关；(4)在电磁损耗模型中，阻抗匹配的条件是r=r，现实实现了阻抗匹配，即使r比r大很多，这种阻抗匹配的物理图像也不能使用电磁损耗模型提供合理的解释。4接口反射模型使用4.1物理图像接口反射模型描述吸波涂层的吸波特性时，以上所有问题都解释得很好。图4是边界反射模型的示意图。此图中有两个接口：空气-吸收涂层接口。在这里称为前端界面。吸收涂层-金属背衬接口，此处称为背面接口。能量E0的电磁波是带金属背衬的吸收涂层，直射光，前面界面反射部分电磁波(EAA)。进入吸收涂层的电磁波到达界面后完全反射，然后进入前一个接口(EAM)。如果吸收材料的厚度满足介质的/4厚度及其奇数倍数，则两个梁的电磁波相位差为180，此干扰被消除，成为吸收峰。在这种吸收机制中，电磁波在涂层内部传输过程中的电磁损失是埃洛伦斯，研究结果表明埃洛西斯所占的比重是有限的18。图4界面反射模型图4.2吸收材料厚度和峰值频率匹配关系为了使两个电磁波消除干扰(产生吸收峰值)，吸收材料的厚度必须是介质的/4厚度及其奇数倍的倍数。例如：m mrr 4 NC t f (n=1，3，5，)(4)图5片状羰基铁/石蜡复合物(Vf=20%)吸收峰的厚度与介质/4、3/4厚度的对应关系。10 J Magn Mater Devices Vol 47 No 6图6 Co2Z粒子/石蜡复合物(Vf=60%)的(a)磁谱，(b)功率谱和(c)吸收峰的厚度和介质/4，3Tm是发生吸收峰时吸收材料的厚度，称为重合厚度。调频是吸收峰的峰值频率，称为匹配频率。图5上方是体积分数为20%的片状羰基铁/石蜡复合材料不同厚度下的吸波性能曲线，下方是介质的/4和3/4厚度(重合厚度)随频率变化的曲线，两个图的横坐标完全一致。在下面的图表中显示了与从任意厚度吸收峰值的峰值频率点相对应的吸收材料的厚度，表明厚度值位于介质的/4和3/4曲线上。结果表明，在确定吸收涂层厚度时，吸收峰的峰值频率和数量完全由(3)表达式确定。此外，/4，3/4曲线可获得的信息如下：在0.1 18 GHz频率范围内，厚度小于0.9 mm表示