电磁波吸波材料的研究现状

作者:来源:日期:2019-8-19 14:55:33人气:150
        1.1 电磁波吸收材料

        电磁波吸波材料的研究涉及材料科学、电磁场理论、电磁波吸收材料和吸收体理论、计算数学等,随着材料设计理论和方法的逐渐受到重视,电磁波吸收材料的研究逐渐成为EMC和材料科学中的一个重要分支。从理论上来讲EMC技术对电磁波吸收材料的基本要求有两点:

        (1)无反射(既完全吸收);

        (2)吸收频带尽可能的宽。


        寻找无反射吸收材料的新设计方法一直是人们寻求的目的,但吸收材料也同屏蔽材料一样存在着对电磁波的反射问题。虽然到目前为止人们已经研究了不少的电磁波吸收材料,但是还无法做到无反射吸收。但在实际应用中,电子与电气设备要求的电磁波吸收材料大都是低反射率的的电磁波吸收材料。

        目前国外正在研制和已经实用化的吸波材料和吸波体主要有以下几种:

        (1) 铁氧体系列吸波材料(镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、钡铁氧体等):由于铁磁材料的共振吸收和磁导率的频散效应,铁氧体材料具有吸收强、频带宽的优点,被广泛地应用于各种隐身技术领域。日本NEC公司研究的铁氧体吸波材料厚度为3.8mm和0.9mm的两层构成,单位面积质量8kg/m2,衰减-20dB的带宽为8.5~12.2GHz,衰减-10dB时带宽为6~13GHz。

        (2) 微粉吸波材料:微粉材料(尤其纳米吸波材料)由于其奇特的物理化学性质而受到各方面的重视,对电磁波的反射小、吸收高,是一种值得重视的新材料,在超微粉材料的颗粒中表面原子占整个颗粒原子的较大比例,表面原子由于悬挂键、空键较多,其活性大大增加。当电磁波入射到这类粒子上时,分子、电子的运动加剧,电磁能转化为热能的效率高,电磁损耗大,其透射和吸收性能取决于粒度大小,利用这个特点可以实现层间匝配和展宽频带的目的。例如,由纳米碳化硅纤维为基材制成的电磁波吸收体在8~12GHz的频率范围内,达到-15dB吸收的带宽大于1GHz,经特殊处理过的碳纤维在雷达波段具有较好的应用价值。对于金属粉如羟基Fe粉、Ni粉、Co粉,其粒径一般在10~50nm之间,也受到了广泛的研究,但由于抗氧化等性能较差其应用性受到限制。


        (3) 多晶铁磁性金属纤维:多晶铁磁性金属纤维具有独特的形状特征和复合损耗机理(磁损耗和介电损耗),具有重量轻(密度<2kg/m2)、频带宽(4~18GHz)和斜入射性能好的优点,以及可通过调节纤维的长度、直径及排列方式调节吸波体的电磁参数,是一种值得研究的吸波材料。


        (4) 希克夫盐基视黄脂:像石墨一样呈黑色,吸波性能优于其它材料,而重量只有铁球吸波材料的1/10。这种材料的吸波频带宽,从长波到8mm波段都有效,通过离子位移方式它将电磁波能量全部转换成热能,但材料本身的温升并不明显。


        (5) 电介质陶瓷吸波材料:PZT(锆钛酸铅)、BaTiO3 等电介质材料也具有良好的吸波效果,但吸收带宽小。


        (6) 导电高分子材料:与其它吸波材料相比具有密度小(只有铁氧体的1/5)的特点,通过掺杂调节电导率来控制其吸波性能,国外报道在毫米波段具有-10dB和12GHz的带宽。


        (7) 手性吸波材料:它与普通材料相比最大的特点具有手性参数,在其中传播的电磁波只能是左旋或右旋的圆偏振波,其优势在于调节手性参数就可以调节阻抗匹配,并且比调节μ、ε容易得多;另外,它的频率敏感性低,易于实现宽频吸收。该材料实用的技术一旦有所突破,将对EMC技术产生重大影响。

        1.2 电磁波吸收体

        上述几类材料是目前所研究和开发的主要吸收体用材料,然而就目前的研究和生产水平而言,采用单一材料做成吸收体实现宽频带的吸收是不现实的,并且无法解决无反射问题。实际应用中一般较少采用单一的材料和直接使用,而是采用电磁波吸收体的形式。

        电磁波吸收体是为了取得最佳电磁波吸收效果而结构化的电磁波吸收材料,它可以以商品的形式出现。国际上多采用复合化和结构设计方法来解决某一频段的吸收问题,并在军用上最先取得应用,像B-2、YF-22、YF-23等隐形飞机都采用了结构化吸收体。

        电磁波吸收体的研究是以吸收材料的研究为基础,目前已获得实用化的吸收体结构有:

        (1)单层结构:表现为复合材料的单涂层和单层吸收体。

        (2)多层结构:由透波层、阻抗匹配层、吸收层以及反射背衬等组成。设计中经常要用到入射波与反射波相互抵消技术,此时虽然会出现相应的吸收峰但其吸收带宽受到影响。

        目前美、日、西欧国家在电磁波吸收体的研究上处于世界领先地位,它们已分别研究出了毫米厚度的民用电磁波吸收体。最先进的吸收体结构是美国用在军用隐身飞机上的电磁波吸收体结构,这种结构可以在较宽的频带内使雷达波的反射降低7~10dB。


        我国的吸波材料和电磁波吸收体的实验室研究开始于80年代,90年代中后期进入较全面的研究阶段。相对于国外来讲,无论是材料研究和电磁波吸收体的研究方面整体上处于跟踪和探索阶段,但在某些方面上取得了很好的进展,并形成了一些自己的特色。其研究重点大多是某种吸波材料的研究,对于吸收体的设计方法研究相对较少。对于吸收体设计方法的研究主要集中于单层和多层结构的设计上。但是由于材料本身的吸收频带宽度、阻抗匹配、粘合剂加入造成吸波特性降低等影响。

        总体上来讲吸波材料和电磁波吸收体的理论研究和应用研究仍在发展之中,还没有形成成熟的理论。电磁波吸收体用于不同的电器产品时,其EMC所需要的频带和带宽可以通过材料改进来实现,最大的问题是阻抗匹配问题。但值得欣慰的是我国不少电器生产厂家已对产品EMC问题日渐关注,并投入力量研究,但是作为商品化的电子产品用电磁波吸波材料的研究尚需加强。
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