吸波性能（精选8篇）
吸波性能 篇1
吸波材料要实现良好的吸波性能必须具备两个条件:(1)入射的电磁波要尽可能地进入吸波材料内部而不在其前表面被反射,即具有材料的阻抗匹配特性;(2)材料要能将进入的电磁波迅速地吸收衰减掉,即材料还要具有对电磁波强吸收的特性。对单一组元的吸收体,阻抗匹配和强吸收两个要求常常会相互矛盾[1]。目前吸波材料正朝着“薄、宽、轻、强”的方向发展。单层涂层吸波频带窄,无法满足隐身技术对涂层质轻、宽频的要求。采用多层结构设计可以使入射电磁波尽可能多地进入吸波涂层而被损耗吸收,以改善吸波效果和展宽频带[2]。总体看来,三层结构比双层的性能要好,四层以上性能改善较少,且工艺复杂[3]。
对于三层的吸波材料,目前在基础理论和计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)计算方面的研究比较多,而实测情况相对较少[4,5,6,7,8]。而且由于多基于理论研究,所制备吸波涂层的厚度一般都在几个毫米以上,不宜作为涂敷型吸波材料进行实际应用[9]。为了降低面密度、展宽吸波频带,本工作将电损耗介质和磁损耗介质相结合,研究了三层吸波涂层的吸波性能。根据涂层的厚度、面密度和反射率小于-10dB的带宽等条件,选择出三层吸波涂层的最佳组成。
1 多层吸波材料
有金属衬底的多层吸波涂层结构如图1所示,每层厚度为di(i=1,2,…,n)。ε′i与ε″i分别是第i层的相对复介电常数的实部和虚部;μ′i和μ″i分别是第i层的相对复磁导率的实部和虚部。
由传输线理论,各层的输入阻抗Z依次为:
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式中:ηi为第i(i=1,2,…,n)层的特性阻抗,且
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ki为通过第i层的波矢。当电磁波垂直入射时,ki为常数,可以表示为:
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式中:c为光速;ω为入射电磁波的角频率;εi=ε′i-jεi″;μi=μi′-jμi″ 。当电磁波入射到涂层时,在空气与涂层的分界面上,有部分电磁波被涂层反射,其反射系数R为:
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式中:Z0为空气的特性阻抗;Zn r=Zn/Z0为第n层的归一化输入阻抗。
从式(1)-(5)可以看出,对于特定波段(ω一定)的三层雷达吸波涂层,可以通过改变各层的厚度、相对复介电常数的实部和虚部及相对复磁导率的实部和虚部共15个参量调整涂层的输入阻抗,以获得良好的吸波性能。
2 实验
磁损耗吸收剂选择羰基铁粉A,电损耗吸收剂采用电介质材料B,粘结剂选用环氧树脂,固化剂为聚酰胺树脂。按表1中的组成在180mm×180mm×3mm的清洁铝板上采用喷涂工艺制备三层吸波涂层,至一定的厚度或面密度。表1中A1,A2,A3表示吸收剂羰基铁粉在涂层中的体积分数分别为43.9%,38.5%,23.9%;B表示吸收剂电介质材料在涂层中的体积分数为6.4%。
制备涂层中各吸收剂相应体积分数的同轴样品,采用同轴传输线法测量其电磁参数,仪器为HP8720ET矢量网络分析仪。用测量得到的电磁参数对单层吸波涂层(厚度为1.20mm)的反射率进行数值模拟。吸波涂层固化后,采用弓形法反射率测试系统测试其反射率。
3 结果与讨论
数值模拟的单层吸波涂层和制备的三层吸波涂层的反射率小于-10dB的带宽和起始频率、厚度及面密度如表2所示。其中单层吸波涂层以其组成(吸收剂种类及其含量)进行编号,三层吸波涂层的编号与表1一致。
图2为单层模拟吸波涂层的反射率曲线。四种单层吸波涂层中,只有A1和A2的反射率小于-10dB的带宽达到4～5GHz左右,但其面密度大,且在X波段(8～12GHz)的反射率都比较高。模拟结果表明:单一损耗机制的单层薄型吸波涂层的吸波性能较差,无法满足宽频隐身的要求。要得到“薄、宽、轻、强”的吸波材料,应该将电损耗型和磁损耗型介质材料进行多元复合。
图3为三层雷达吸波涂层的反射率曲线。可以看出,涂层在X波段和Ku波段(12～18GHz)的反射率随频率的变化趋于平缓,X波段的反射率降低。而且三层吸波涂层的面密度小,质量轻。与相同厚度的单层吸波涂层相比,三层雷达吸波涂层在X和Ku波段的整体吸波性能得到改善。可见,进行多层结构设计可以提高吸波涂层的吸波性能。
通过多层结构设计可以使得材料的表面输入阻抗和自由空间的波阻抗匹配起来,使入射电磁波能最大限度的进入材料内部被吸收掉。对于特定波段的多层雷达吸波涂层,其反射率取决于各层的厚度d、介电常数ε和磁导率μ等结构和性能参数。多层吸波材料中介质层序组合不同,对应的吸波性能变化明显,正如图3中1#,2#和3#样品的反射率曲线所示。3#样品的吸波性能波动最大,其吸收峰值达到-19.6dB,反射率小于-10dB的带宽为4.5GHz,说明羰基铁粉含量较高的吸波涂层更适于作为表层与自由空间进行阻抗匹配,这与从材料的电磁参数出发,根据广义匹配定律[10,11]计算得到的结果是一致的。与3#样品相比,4#样品将底层换为具有强磁损耗的羰基铁粉涂层。从图3可见,其吸收峰比较强,而且反射率曲线随频率的变化趋于平缓,X波段的反射率降低。可见,层间电磁参数匹配与否对材料整体吸波性能有很大影响。多层吸波涂层的结构对吸波性能影响很大,因此多层结构的设计是非常重要的。
电介质材料质量一般较轻,羰基铁粉等磁介质材料损耗较大,将两者复合构成的多层吸波涂层,具有面密度低,兼具电损耗与磁损耗的优点。采用电损耗介质和磁损耗介质相结合的三层涂层比单层涂层吸波性能明显提高。4#样品在8～18GHz频段范围内吸波性能较好,而且涂层厚度薄,面密度低。
4 结论
(1)制备了性能较好的吸波涂层,其在8～18GHz频段范围内反射率小于-10dB的带宽达6.0GHz,且涂层厚度为1.20mm,面密度为2.80kg/m2。
(2)电介质材料与磁介质材料复合构成的多层吸波材料,具有面密度低,兼具电损耗与磁损耗的优点。采用电损耗介质和磁损耗介质相结合的三层吸波涂层的吸波性能比单层薄型吸波涂层明显提高。
(3)多层结构设计对提高涂层的吸波性能起着重要作用。
参考文献
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[3]胡传炘.隐身涂层技术[M].北京:化学工业出版社,2004.
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吸波性能 篇2
一、引言
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。
在日益重要的隐身和电磁兼容（EMC）技术中，电磁波吸收材料的作用和地位十分突出，已成为现代军事中电子对抗的法宝和“秘密武器”，其工程应用主要在以下几个方面：隐身技术、改善整机性能、安全保护、微波暗室。此外，在手机外壳，微波行业也是应用非常广泛。
二、情况介绍
随着电子技术的飞速发展,电子产品正迅速向节能化、智能化、信息化、多系统、多功能及娱乐性等多元化方向发展。这些拥有各种个性化娱乐功能的电子产品的普及,在很大程度上丰富了人们的物质生活需要;但与此同时,也不可避免地带来了一些问题,尤其是电磁兼容(EMC)问题。电磁兼容问题的存在,往往使电子、电气设备或系统不能正常工作,性能降低,甚至受到损坏。为解决这些问题,全球各地区基本都设置了与电磁兼容相关的市场准入认证,用以保护本地区的电磁环境,如:北美的FCC、NEBC认证,欧盟的CE认证,日本的VCCEI认证,澳洲的C-TICK认证,台湾地区的BSMI认证,中国的3C认证等。
此外,由于消费类电子产品集成的功能越来越多,以手机为例,目前市场上一部智能手机,往往同时集成有GSM移动通信、蓝牙、Wi-Fi、摄像头等,另外还具有MP3、MP4等多媒体功能，这使得手机的工作频率越来越高，系统内部各个子模块之间的互相干扰也变得很突出。
另外，目前国内外吸波涂料民用频段的应用还是空白点，（军用频段吸波涂料的应用美国、法国有先例）利用吸波原理的民用系列产品我们是首创，胶板类的吸波材料可以加工卷材是国内首创，吸波材料、吸波涂料的核心技术是材料的配伍，生产工艺简单，加工设备都是通用设备，一次性投资少。
吸波材料在手机电磁兼容设计中的应用
手机在工作时,会不断往外发射电磁波,最大功率可以达到2w,这对周围环境的影响是很大的。比如,在手机通话的过程中,如果与固定电话距离较近,且固定电话也在通话,那么,我们经常会在固定电话的手柄中听到“滋滋滋”的声音,非常刺耳,这就是典型的手机对固定电话的干扰现象。因此,为避免手机在工作时对周围环境的干扰,必须对手机工作时的一些不必要的辐射(spurious emission)进行限制。
国外高温吸波材料的研制主要集中在陶瓷基复合材料方面，其中又以碳化硅和碳/碳两类复合材料为主。国外较早报道的耐高温吸波材料是SiC、Si3N4等的复合体，可以通过其各自混合比例调整电磁参数，制备出耐高温吸波材料。此外日本研制的一种SiC/Si3N4/C/BN耐高温陶瓷吸波材料，在耐受高温的同时具有较好的吸波性能。
另据报道，美国已经研究出了SiC纤维增强的玻璃陶瓷基复合材料，即使在高温下也具有吸波性能。美国洛克希德公司在F117隐身飞机的研制中，用陶瓷基材料研制了吸波材料和吸波结构，可以加在尾喷管后沿，能够承受1093℃的高温。据报道，美国F22飞机的发动机推力换向及反推力喷管也可能采用陶瓷基复合材料，以提高隐身能力。
美国威廉斯国际公司研制的碳/碳复合材料适用于高温部位，能很好地抑制红外辐射并吸收雷达波。在发动机部位用致密钽粒和超致密碳泡沫层来吸收发动机排气的热辐射，还可制成机翼前缘、机头和机尾。
耐高温吸波材料在国外巡航导弹上已经达到实际应用阶段。目前，国外巡航导弹的尾翼均采用陶瓷吸波材料。如法国的APTGD导弹的尾翼由小块六角形陶瓷吸波材料组成，具有较好的吸波效果，且质量轻。采用六角形是因为这种形状的陶瓷吸波材料可获得更好的吸波效果，美国三军通用的TSSAM隐身导弹也采用这种技术。法国马特拉防御公司研制了一种叫做Matrabsorb系列500的耐高温陶瓷吸波材料，工作温度可达1000℃，可制成砖块状，用于导弹喷管的隐身。美国研制的一种新型耐高温陶瓷吸波材料，密度为25kg/m3，对3GHz～30GHz的电磁波衰减-10dB，该材料可以直接嵌入火箭头部的隔热层中。
二、市场分析展望
科技的进步,使得电磁技术给人类创造了巨大的物质文明,但也把人们带进一个充满人造电磁辐射的环境里。电磁辐射污染已经成为继大气污染、水污染和噪声污染之后的第四污染源[1],且随着电子、电信技术快速发展而日趋严重。常规电磁屏蔽的方法会带来电磁波的高反射,因此寻找低反射高吸收的材料成为吸波材料的研究热点。
民用方面,大功率电磁波发射塔、电台等向外界不断发射的电磁波,常常会带来通讯干扰、电子迷雾等问题。更为严重的是,数以百万计的人们由于长期暴露在来自电缆和家庭电器的电磁辐射中,患癌症和退化性疾病的危险正在增加,高频电磁波对生物肌体细胞、人体神经系统、循环系统、免疫、生殖和新陈代谢功能具有极强的辐射伤害。
1．国内外行业发展趋势
海湾战争美国首先出现了隐形飞机，国内首先由国防科工委组织有关科研院校攻关吸波材料项目，在1993至1996年我们就率先在雷达波吸收频段已实现车载雷达40米军事目标、轰炸机雷达400米军事目标的隐形技术，民用方面的吸波胶板类的产品国内我们也是首家在3年前推出，吸波涂料、吸波材料民用防护系列目前只有我们一家在做。随着吸波材料的发现，各种各样的产品将面世，从而取代了目前传统、落后的以金属材料来防护电磁波污染的方法，随着信息量的增大，频率范围也在加宽，吸波材料的优势愈来愈显著它的特点。
2．国内外市场
吸波涂料的应用已远远超出军事隐形和反隐形、对抗和反对抗范围，更广泛地应用在人体安全防护、通讯及导航系统的抗电磁干扰、安全信息保密、改善整机性能、提高信噪比、电磁兼容等许多方面。
世界各国武器装备隐身化的发展趋势表明，隐身化已是国防科技发展的重要方向。高温隐身技术的发展在一定程度上会影响到隐身技术的整体发展。在高温吸收剂的研究方面还有待于开发种类更多、吸波性能更好的新型吸收剂，以满足实际应用对吸收剂“轻、宽、高”的要求。在吸波材料研究方面应尽可能使吸收剂的吸波性能得到完美的发挥，开发出高吸波效率的吸波材料，满足国防现代化的要求。
目前，全国范围内生产吸波材料的厂家不在少数，比较典型的有荆州市东信磁业有限公司，大连市东信微波有限公司等，在深圳市附近的有卓驰电子有限公司，深圳市鸿富诚科技有限公司等。卓驰电子有限公司深圳市卓驰电子有限公司是一家以屏蔽材料技术开发和配套服务为导向的企业。公司拥有一支开发、管理经验丰富的团队。以专业积极的服务，不断改善,开发和引进新产品，为3G时代超薄化、高精尖化的电子产品提供屏蔽、吸收、导热的最佳解决方案。这家公司种类齐全，经验丰富，是一个很有竞争力的对手。
三、结论
随着各种电器、电子设备在现代社会中的极大普及,电子电气设备的使用越来越频繁和广泛,所有这些不可避免向环境辐射电磁能量。这些电磁能量给人们正常的生活与工作带来许多危害。由此,吸波材料的性能研究与实际应用被越来越多地关注。
吸波材料按材料成型工艺和承载能力可分为涂敷型和结构型。涂敷型吸波材料是将吸收剂与粘结剂混合后涂敷于目标表面形成吸波涂层;而结构型吸波材料,则通常是将吸收剂(粉剂、纤维等形式)分散在由特种纤维(如石英纤维、玻璃纤维等)增强的结构材料中所形成的结构复合材料,它具有承载和吸收雷达波双重功能。其中,吸波纤维作为一类具有鲜明特点的结构型吸波材料,与日常织物共混后形成的纤维吸波材料,既具有较优良的吸波性能,又具有体积质量轻、实施方法易,敷设范围广等优点,因而成为近年来吸波材料的一大研究发展趋势。
吸波性能 篇3
单纯镍铁氧体的复介电常数虚部以及磁导率的虚部均较小[12],因此单纯镍铁氧体作为吸波剂,不利于涂层向“薄、宽、轻、强”方向发展。 目前有关CNTs/镍铁氧体复合材料中CNTs含量对涂层吸波性能影响的研究尚未见报道。因此结合CNTs和镍铁氧体吸波性能的优点,同时兼顾二者形成复合材料与空气阻抗匹配进行深入的研究,对优化材料的吸波性能以及制备“薄、强”吸波涂层具有重要意义。
1 实验部分
1.1 材料与仪器
氯化铁、硝酸镍、柠檬酸,均为分析纯;多壁碳纳米管(MWCNTs-2040),深圳碳纳米港公司。
XRD衍射仪(RigakuD/max-RA10型);微波矢量网络分析仪(AV3618型);扫描电镜(S-3400N型);马弗炉。
1.2 样品制备
氯化铁∶柠檬酸=1∶2,硝酸镍∶柠檬酸=3∶2(化学计量比),分别置于2 个烧杯中,加少量蒸馏水溶解,然后分别于80℃水浴中搅拌,在此过程中不断有HCl气体和NO2等气体放出。当2个烧杯中的液体开始变黏稠时,将2个烧杯中的溶液混合继续置于80℃水浴中搅拌至液体为黏稠的胶状体。将所得溶胶置于120℃ 的烘箱中3h,得到干燥的凝胶。将所得凝胶置于500℃马弗炉煅烧3h,样品在炉内自然冷却,得到镍铁氧体。再将镍铁氧体和不同质量MWCNTs混合均匀后,加20mL无水酒精后超声分散40min,干燥得到不同MWCNTs质量分数的复合材料;然后再加一定量的石蜡混合均匀得到样品1#~4#(各物质质量分数如表1所示)。
1.3 样品检测
采用X射线衍射测定样品的相成分;采用扫描电镜观察样品中镍铁氧体成分的粒径;采用微波矢量网络分析仪测定样品的电磁参数。
2 结果与讨论
2.1 样品分析
图1是实验制备的镍铁氧体的XRD谱图。通过该实验方法制备的镍铁氧体的XRD衍射谱图与ICCD(No.10-325)较为一致[13],因此合成物质的成分为镍铁氧体NiFe2O4,从XRD物相分析可以看出合成的NiFe2O4成分较为纯净,含有极少量的杂质成分可能为Fe3O4。 在2θ 为30.4、35.76、40.44、55.42、57.5和63.1°等处为镍铁氧体NiFe2O4晶体的特征衍射峰,所对应晶面为(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)。在2θ为33.12、37.26和43.08°等处可能为Fe3O4的衍射峰。因此XRD衍射结果表明,实验制备得到了较为纯净的NiFe2O4。图2为MWCNTs/镍铁氧体复合材料(样品4#)的扫描电镜图。如图所示,镍铁氧体和MWCNTs的分布较为均匀,所制备的镍铁氧体晶粒发育充分,平均晶粒粒径约为2μm左右。
2.2 吸波性能
涂层的吸波性能与涂层材料的电磁参数密切相关。涂层材料的电磁参数包括复介电常数εr=ε′-jε″和复磁导率μr=μ′-jμ″(ε′,ε″,μ′,μ″分别为复介电常数的实部、虚部和复磁导率的实部、虚部,j为复数的单位)。图3(a)和(b)分别为实验测得样品的复介电常数和复磁导率。图3(a)显示,随着样品中MWCNTs含量的增加,复介电常数的实部和虚部均增大;随着微波频率增加,复介电常数的实部减小;当MWCNTs的含量为20%时,在10GHz附近,复介电常数虚部出现峰值,这是因为碳纳米管在该频率范围能对微波产生较强的损耗;当微波频率大于7.9GHz时,MWCNTs含量为30%样品的复介电常数的虚部值大于实部值,这说明当MWCNTs含量大时,样品对微波损耗能力迅速增加。 图3(b)也显示了在2~18GHz频段范围内,不同样品复磁导率的实部在1.0~1.3左右变化,同时样品也有微小的磁导率虚部。
[(a)复介电常数;(b)复磁导率]
图4为利用Matlab软件,根据电磁参数和吸波性能公式(1),计算得到厚度为1mm时,不同样品的微波反射率Γ:
式中传播常数为样品的特性阻抗与空气阻抗的比值,ηr越接近1,样品与空气的阻抗匹配越好。式(1)中f为微波频率,d为涂层的厚度,c为真空中的光速。由图可见,当涂层厚度较薄(d=1mm)时,样品1#的吸波能力较差,在2~18GHz频段范围内,其反射率的绝对值不大于0.5dB;当MWCNTs和镍铁氧体复合时,由图的反射曲线可见,形成的复合材料能增强吸波性能。当复合材料中的MWCNTs含量从10%变化到30%时,涂层的反射峰先增大后减小;而且MWCNTs的质量分数在10% ~30% 之间时,MWCNTs的含量对吸波性能的影响非常明显。当MWCNTs含量为20% 左右时,涂层的吸波性能最佳,反射峰值达-14.02dB,吸收峰小于-10dB的带宽达3GHz,吸收峰位于15.2GHz。对于厚度为1mm的涂层,当MWCNTs的质量分数为10%时,微波吸波峰位于18GHz左右,而吸波峰值约为-2.1dB;当MWCNTs的质量分数为30% 时,微波吸收峰位于11.2GHz,吸收峰值约为-6.4dB,而且具有较宽的吸收峰。即随MWCNTs含量的增多,吸收峰位置向低频移动。
2.3 吸波性能讨论
从图3来看,样品2#—4# 主要属于电损耗型材料。样品1#的复介电常数和复磁导率均较小,因此这个样品涂层与空气阻抗匹配较好。但当样品涂层的厚度较薄时,样品1#薄涂层的吸收较弱,出现如图4样品1#吸收峰不强的原因。而样品2#—4#的吸波性能也可用微波损耗情况分析。
样品2#—4#虽然对微波能产生磁损耗,但磁导率虚部较小,所以样品2#—4#与微波相互作用主要产生电损耗。微波的电损耗功率密度[14]pd=πfε0εr″EM2,f,ε0分别为微波频率和真空电容率,介质中的场强EM与入射微波场强E、入射角度以及极化方式有关。为了便于研究,仅考虑垂直入射情况,此时微波透射系数T=2η2/(η2+η1)表示介质内表面的电场强度E2与入射微波场强E的比值,即T=E2/E。在介质中,沿微波播方向z的场强EM=E2exp(-γ·z),γ=α+jβ为微波在介质中的传播常数,其中α,β分别为微波在介质中的衰减系数和相位因子,其中衰减系数,所以微波垂直入射面积为S、厚度为d的涂层,来回反射一次的损耗功率可按式(2)计算。
式(2)表明,平均损耗功率与涂层材料的电磁参数、涂层的结构和微波入射场强密切相关。式(2)中的定义为涂层的电损耗系数K,能反映一定结构涂层的吸波效果。式中电损耗系数K描述了微波在面积为S、厚度为d的吸波涂层中来回反射一次的电损耗情况。当微波入射场强E、涂层面积S和厚度d一定时,系数K越大,涂层对微波的电损耗越强,也即涂层的吸波效果越好。
图5为根据电磁参数和厚度d作出系数K的曲线图。由图5,当厚度d=1mm时,在2~18GHz频段,随MWCNTs含量的增大,涂层介质中的电损耗系数K增大,这是因为虽然MWCNTs含量大的样品涂层与空气界面的阻抗匹配较差,但是由于MWCNTs含量大,样品复介电常数的虚部较大,因此微波在该样品中也可能产生较大的损耗;在10~17GHz频段,含MWCNTs为20%的样品的电损耗数K大于含MWCNTs为10%和30%的样品,所以作为电损耗型的吸波材料,厚度为1mm的薄涂层,样品3#涂层在此频段的吸波性能优于样品2#、4#涂层,这也就是图4中,样品3#在12.3~18GHz频段范围内优于其他样品吸波性能的主要原因;因为样品1#、2#与空气的阻抗匹配较好,所以在样品1#、2#中,从金属界面反射回来的微波,进入空气的能流比样品3#、4#大,即样品3#、4#能更好地吸收在涂层和空气以及涂层和金属界面来回反射的微波;图5中样品3#的电损耗系数K与图4中样品3#反射率间对应的频率有微小差别,这主要是因为只讨论了微波在空气和金属界面来回反射一次的电损耗,而忽略了微波在涂层中来回多次反射的电磁波的损耗和较小的磁损耗等的影响。
3 结论
通过微波网络矢量分析仪测定了MWCNTs/镍铁氧体材料的电磁参数。根据电磁参数,利用Matlab软件研究了复合材料制成1mm厚度的薄涂层的吸波性能;通过吸波性能分析,发现复合材料中碳纳米管的质量分数对吸波性能影响相当敏感;同时也得出了厚度为1mm的薄涂层,当其中的MWCNTs质量分数为20%时,涂层的吸波效果最佳;通过微波在涂层中的电损耗功率研究了涂层的吸波机理,给出了1mm薄涂层中,MWCNTs含量为20% 时吸波性能最优的理论解释;研究结果对于制备MWCNTs/金属氧化物“薄、强”的吸波涂层具有指导意义。
摘要：采用柠檬酸络合物形成的溶胶凝胶制备了镍铁氧体,并将所得镍铁氧体与碳纳米管混合均匀,得到不同碳纳米管质量分数的复合材料。采用微波矢量网络分析仪测量了复合材料的电磁参数,根据电磁参数研究了1mm厚涂层在2~18GHz频段的微波反射率。结果表明:复合材料的吸波性能明显优于单纯的镍铁氧体材料,而且复合材料中碳纳米管含量对吸波性能有明显的影响。对于厚度为1mm的薄涂层,当碳纳米管的质量分数为20%时,涂层具有最优的吸波性能,最大吸收峰值达-14.02dB,小于-10dB的有效带宽达3GHz;然后通过电损耗功率密度分析了复合材料的微波吸收机理,并给出了厚度为1mm的薄涂层,当其中的碳纳米管含量为20%时,吸波效果最佳的理论解释。
吸波性能 篇4
质轻、宽频带吸波、吸收性能和热稳定性良好的复合吸波涂层用于国防建设, 能使空基和陆基装备具有“隐身”和突防性能, 同样, 用于民用各领域, 如在微波通讯、微波暗室、抗电磁辐射以及防止电磁污染等亦有很好的功用。
聚苯胺的分子主链具有电子高度离域的共轭结构, 通过化学或电化学掺杂, 可以实现从绝缘态到半导体态的转变。当聚苯胺经掺杂处于半导体状态时, 对微波有较好的吸收性能[1]。聚苯胺属电损耗型吸波材料, 电磁能主要衰减于材料的电阻和介电极化、弛豫损耗[2]。采用高分子凝胶法制备的纳米尖晶石型镍锌铁氧体和钴锌铁氧体具有较好的电磁性能[3,4,5]。将其与具有高导电性的聚苯胺结合起来, 可以制备介电性能和磁性能俱优的复合吸波材料, 集中多种材料吸波性能的优点, 拓宽材料吸收频带、减薄涂层厚度、增强吸波能力、减轻质量。
本工作在超声场下用乳液聚合法制备导电聚苯胺粉末, 用原位聚合法制备导电聚苯胺/纳米铁氧体复合粉体, 以环氧树脂为粘结剂制备了吸波涂层, 讨论了涂层的微波吸收性能。
1 试 验
1.1 试样的制备
1.1.1 导电聚苯胺粉末
超声场下将0.01 mol蒸馏提纯后的苯胺 (An) 和0.015 mol十二烷基苯磺酸 (DBSA, 化学纯) 分别加入蒸馏水中, 搅拌溶解后于250 mL三口烧瓶中低速搅拌混合1 h;在超声环境中于冰水浴下30 min内向混合液中滴加0.1 mol/L的过硫酸铵 (APS, 化学纯) 水溶液50 mL, 低速搅拌并辅以超声1 h, 继续反应5 h;将分散液用过量丙酮沉淀, 析出的墨绿色物质用乙醇、丙酮和蒸馏水抽滤洗涤, 每一步都让滤液变得无色、澄清为止;用Ba2+检验SOundefined, 在60 ℃下进行真空干燥, 干燥后的在石英研钵中研磨, 最终得到墨绿色导电聚苯胺粉末。
1.1.2 聚苯胺/纳米铁氧体复合粉末
采用高分子凝胶法制备纳米镍锌铁氧体和钴锌铁氧体, 具体工艺见文献[3,4,5]。将0.3 g纳米铁氧体放入到盛有去离子水的三口烧瓶中, 高速搅拌0.5 h后加入0.01 mol An和0.015 mol DBSA, 其他过程同聚苯胺的制备。
1.1.3 吸波涂层
将聚苯胺和聚苯胺/纳米铁氧体复合粉与环氧树脂均匀混合 (其中聚苯胺和纳米铁氧体由于具有吸波作用, 被称为吸波剂, 吸波剂体积分数为10 %) , 然后涂敷在18 cm×18 cm铝基板上, 烘箱中60 ℃处理10 min, 固化24 h后即可形成1.5 mm的吸波涂层。具有导电聚苯胺、聚苯胺/Ni0.5Zn0.5Fe2O4和聚苯胺/Co0.5Zn0.5Fe2O4 3种涂层的试样编号分别记为A, B和C。
1.2 性能表征
物相分析在Philips analytical X - ray上进行, 测试条件:铜靶, λ=0.154 18 nm, 电压35 kV, 扫描速率0.1°/s, 范围 (2θ) 10°～70°。采用美国NICOLET公司的傅立叶变换红外光谱仪 (AVATAR - 360, Fourier Transform Infrared Spectrometer, FT - IR) 分析红外吸收峰。涂层粒径分布用LS900型激光粒度仪测量。采用RTS - 9型双电测四探针测试仪测量涂层电导率, 电流为0.1 mA。试样表面形貌用S - 3400N型扫描电子显微镜 (日本电子公司) 观察。使用RCS空间反射法对涂层在8.0～26.5 GHz频率范围的反射率进行测量, 设备为HP8510B矢量网络分析仪。
2 结果与讨论
2.1 导电聚苯胺的结构与特性
在超声场和非超声场下以乳液聚合法制备的聚苯胺颗粒的红外光谱见图1。可以看出, 2种条件下制备的粉体的IR图谱峰形和峰位基本相同, 特征峰与标准谱图的峰位一致[6]。1 522, 1 429 cm-1分别对应醌式和苯环的C-C伸缩振动峰, 1 295 cm-1对应苯环中C-H伸缩振动峰, 1 237, 1 101 cm-1分别对应醌环中C=C和C-N的伸缩振动峰。与非超声场制备的聚苯胺相比, 超声场制备的聚苯胺醌式单元的特征吸收峰1 007 cm-1发生蓝移, 链中醌式比例增加, 说明超声一定程度上强化了DBSA的掺杂。
超声场下制备的聚苯胺颗粒粒径分布见图2。可见, 聚苯胺颗粒粒径为100 nm的约占13.5%, 说明乳液聚合过程中超声波对单体聚合产生了作用, 在不增加乳化剂用量的情况下, 超声场产生的空化效应以及冲击辐射为苯胺单体聚合提供了更多的活化中心, 在反应开始就形成较多的反应点, 并且对单体聚合生长的过程发生干扰, 最终导致聚苯胺颗粒细化。
图3为聚苯胺粉体的SEM形貌。从图3可以看出, 聚苯胺微粒近似球形, 平均粒径小于150 nm, 分散性较好, 无明显团聚现象。将聚苯胺粉体放在模具中于120 MPa压力下压成片, 片体厚1 mm, 测得压片的电导率平均值为0.28 S/cm。
2.2 吸波剂物相组成
图4为试样A, B, C的XRD图谱。由图4可以看出, 在20.2° 和25.3°处, A, B, C的谱线均出现宽的衍射峰, 这是聚苯胺的特征衍射峰[7], 说明聚苯胺的结构具有一定的有序性。对于B和C的衍射谱线, 在30.3°, 35.7°, 37.3°, 43.4°, 53.6°, 57.3°, 63.0°处出现尖锐的衍射峰, 对应于 (220) , (311) , (222) , (400) , (422) , (511) , (440) 晶面, 所得产物与标准Ni0.5Zn0.5Fe2O4 (JCPDS CARD 74-2081) 和Co0.5Zn0.5Fe2O4 (JCPDS CARD 22-1086) 的衍射峰相同。可以确认, 产物含有立方晶系尖晶石结构的Ni0.5Zn0.5Fe2O4和Co0.5Zn0.5Fe2O4。
2.3 吸波涂层的反射率
图5为A, B, C吸波涂层厚度为1.5 mm时的反射率曲线。从图5可以看出, A的最小反射率约为-10.0 dB, B的最小反射率约为-15.9 dB, 在-10.0 dB处频宽为4.2 GHz, C的最小反射率约为-39.9 dB, 在-20.0 dB处频宽为5.1 GHz。单纯的聚苯胺涂层虽然具有一定的反射率缩减效应, 但反射率的最小值明显高于聚苯胺/Ni0.5Zn0.5Fe2O4涂层 (试样B) 和聚苯胺/Co0.5Zn0.5Fe2O4涂层 (试样C) , 这说明以导电聚苯胺为基础, 通过一定的复配和设计的B和C涂层, 可以拓展波段, 提高对电磁波的吸收效果。
3 结 论
(1) 超声场下以乳液聚合法制备的聚苯胺粒子的平均粒径低于150 nm。聚苯胺微粒近似球形, 分散性较好, 无明显团聚现象, 电导率平均值为0.28 S/cm。
(2) 聚苯胺/Ni0.5Zn0.5Fe2O4和聚苯胺/Co0.5Zn0.5Fe2O4复合材料吸收涂层的反射率明显低于单纯的聚苯胺涂层, 聚苯胺/Co0.5Zn0.5Fe2O4涂层的最小反射率约为-39.9 dB, 在-20.0 dB处频宽为5.1 GHz。
参考文献
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吸波性能 篇5
电磁波在通讯、广播、电磁医疗、局域网等现代领域中已经得到广泛应用。然而电磁波对人体所构成的危害及对相关设备的干扰也日益明显,从而受到世界各国的广泛关注。为了实现对电磁波的防护和使飞行器达到隐身的效果,吸波材料的研究也得到迅速发展[1,2,3,4,5]。理想的吸波材料应该满足的阻抗匹配条件:(1)尽量减少电磁波在涂层表面的反射,使吸波涂层的相对复介电常数和复磁导率尽量接近;(2)尽量提高吸波材料的介电常数虚部值和磁导率虚部值,使进入到涂层内部的电磁波受到衰减[6,7,8]。
有机硅树脂是20世纪70年代发展起来的一类耐高温涂料,但纯有机硅树脂的常温干燥性能、耐溶剂性能、附着力等不理想,而环氧改性的有机硅树脂能耐高温和耐腐蚀,因此,环氧改性有机硅树脂得到了广泛的应用。由于环氧改性有机硅树脂含有官能团环氧基和部分羟基,因此需选用能与环氧基及羟基作用的物质进行固化反应。用聚酰胺固化的环氧改性有机硅树脂有以下优点:能室温干燥,有良好的兼容性,涂层附着力强,耐冲击性高,良好的耐腐蚀性[9,10]。
本文以高相对复磁导率的羰基铁作为电磁吸收剂,按照一定比例与树脂混合,通过一定的制备工艺制备吸波涂层,研究了羰基铁/环氧改性有机硅树脂基涂层的吸波性能和力学特性。通过调节羰基铁的含量,分析了含量对涂料电磁参数的影响,并通过涂层形貌的分析和微波吸收性能测试,制备了具有较好力学性能的高电磁吸收的吸波涂层。
1 实验
1.1 羰基铁/环氧有机硅树脂吸波涂层的制备
将一定量的环氧改性有机硅树脂(西安油漆厂生产)与羰基铁(航天科工武汉磁电公司生产)混合,并添加一定量的助剂有机陶土、润湿分散剂和稀释剂二甲苯,在分散器中分散后,添加固化剂聚酰胺(西安油漆厂生产)进行搅拌,使之均匀分散,制备出环氧改性有机硅吸波涂料。然后将涂料涂覆在经过表面处理的铝板上,待实干后,进行附着力、冲击强度、电磁参数及反射系数的测试。
1.2 吸波涂层力学性能、电磁参数和反射系数的测试
采用GB1723-79在Posi Test 附着力测试仪上进行附着力测试。采用GB1732-79在QCJ型漆膜冲击器上进行冲击性能测试。复合材料的断口经喷金镀膜后, 在FESEM(Zeiss-supra 55)型扫描电子显微镜下进行观察。电磁参数用同轴法在安捷伦E8362B型网络分析仪上进行测试,测试试样以环氧改性有机硅树脂为基体,羰基铁含量分别为65%、70%和75%。雷达波吸收性能测试采用反射率弓形测试系统, 扫频范围为2～18GHz。
2 结果与讨论
2.1 羰基铁/环氧有机硅树脂吸波涂层的力学性能
从图1可以看出,随着吸收剂含量的增加,未添加润湿分散剂和添加润湿分散剂的吸波涂层与基体的附着力均呈现先增大后减小的变化趋势。这是由于涂层与基体的附着力与粉体填料含量以及涂层强度有关。当树脂中添加羰基铁后,吸波涂层的强度相对于纯树脂涂层有很大的提高,从而提高了附着力。但随着添加羰基铁到一定量后,涂层中树脂含量对涂层附着力起决定作用,随着树脂含量的减少而引起附着力下降。当吸收剂含量一定时,添加润湿分散剂比未添加润湿分散剂时的附着力有显著的提高,当吸收剂含量为70%时,附着力达到22.16MPa。从实验结果可以得到,润湿分散剂的添加有利于羰基铁树脂吸波涂层与基材的附着力的提高。
表1显示了吸收剂含量和润湿分散剂对材料冲击强度的影响。由表1可知,当未添加润湿分散剂时,冲击强度随着吸收剂含量的增加有所增大;而当添加润湿分散剂时,复合材料的冲击强度得到了明显的增大。这是因为在基体受到冲击时,粒子与基体之间产生微裂纹,同时粒子之间的基体也产生塑性变形,吸收冲击能,从而达到增韧的效果;但若填料用量过多,微裂纹易发展成宏观开裂,体系性能变差。其中吸收剂含量为65%和70%时,冲击强度大于或等于50kg·cm。
图2为羰基铁/环氧有机硅树脂吸波涂层断面的SEM 照片。从图2可看出,羰基铁与树脂基体的界面结合状态与图1、表1中得到的宏观力学性能变化趋势一致。未添加润湿分散剂羰基铁/环氧有机硅树脂中,粉体与基体的界面结合能力很差,脆断发生在粉体与树脂的结合面处;而添加润湿分散剂羰基铁/环氧有机硅树脂的断面图中,羰基铁与树脂基体界面相容性很好,粉体在树脂基体中分布均匀,断面整齐且形成复杂的鱼鳞片,与前者相比,形成的新表面多、吸收冲击能多、冲击强度高。力学性能测试和材料的微观结构均显示了羰基铁经过润湿分散剂处理后,粉体与树脂的相容性得到改善,界面结合力得到提高。因此羰基铁经过润湿分散剂处理有利于提高吸波涂层的力学性能。
2.2 羰基铁/环氧有机硅树脂吸波涂层的电磁性能
羰基铁属于磁性材料,同时具有磁损耗与介电损耗。图3为吸波涂层介电常数的实部与虚部随吸收剂质量分数变化的关系图。从图3可看出,介电常数实部随频率变化较小,其值分别为8、12和17。可以得到吸波涂层介电常数实部随吸收剂含量的增加而增大, 而吸收剂含量的变化对介电常数虚部的影响较小。
图4是频率为2～18GHz时吸收剂含量对磁导率实部和虚部的影响。从图4可看出,吸波涂层的初始磁导率正比于吸收剂含量。随着频率的增加,吸波涂层的磁导率实部急剧减小且减小速率随吸收剂含量的增加而增大。磁导率虚部随频率的增加呈现先增大后减小的变化趋势。材料的共振频率值随着吸收剂含量的增加向低频移动,由65%时的7.52GHz转移到75%时的6.08GHz。
从图3和图4可看出,以羰基铁为吸收剂的吸波涂层,其电磁参数随频率的增加呈现出频散效应,吸波涂层介电常数的实部和复磁导率随着羰基铁填充量的增加而增大,所以通过改变吸收剂含量能有效地调整吸波涂层的电磁参数[11,12]。
2.3 羰基铁/环氧有机硅树脂吸波涂层的微波吸收性能
图5显示了羰基铁含量分别为65%和75%、涂层厚度为2mm时材料在2～18GHz的反射率。结果表明,当吸收剂含量为65%时,吸波涂层在4.09～6.52GHz 范围内的反射率均小于-10dB,在频率为5.12GHz 时涂层的反射率达到最大值-32.25dB;当吸收剂含量为75%时,吸波涂层在2.64～4.23GHz 频率范围内的反射率均小于-10dB, 在频率为3.53GHz时材料的反射率达到最大值-36.02dB。从图5可以很明显看到,吸波涂层的最大吸收峰随着吸收剂含量的增加向低频移动。这主要是由于吸波涂层电磁性能中介电常数的实部随着吸收剂含量的增加而增大(见图3)和磁导率的虚部随着吸收剂含量的增加向低频移动(见图4)所引起的。
图6的结果表明当吸收剂含量相同时,吸波涂层的最大吸收峰都随着厚度的增加向低频移动;当吸波涂层厚度相同时,吸波涂层的最大吸收峰随着吸收剂含量的增加也向低频移动。以上结果说明,可以通过改变吸收剂的含量来改变吸波涂层的吸收性能以及改变涂层厚度来找到与该涂层的最佳匹配厚度。测试结果显示羰基铁/环氧有机硅树脂基涂层具有良好的低频微波吸收性能。
3 结论
(1)添加润湿分散剂改性羰基铁吸波涂层的附着力和冲击强度明显提高,因为羰基铁经过润湿分散剂处理后,粉体与树脂的相容性得到改善,界面结合力得到提高。
(2)通过调节羰基铁填充量可以有效调节材料的电磁参数和吸波性能。
(3)吸波涂层的反射率测试表明该吸波材料在低频具有很好的吸波性能。当吸收剂含量为65%时,在2～8GHz范围内反射率小于-10dB的频宽达2.43GHz,材料的最大反射率可达到-32.25dB。当吸收剂含量为75%时,吸收峰向低频移动,且最大反射率为-36.02dB。
参考文献
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吸波性能 篇6
1 粉煤灰的矿物形态及其吸波性能分析
粉煤灰的主要成分为SiO2、Al2O3及Fe2O3,其总量占粉煤灰的85%左右;煤粉在燃烧中由于气体的挥发和化学反应,形成表面多孔、形状复杂的焦状颗粒[1,2,3,4]。我国大中型电厂粉煤灰的主要矿物组成见表1[5](质量分数/%)。
1.1 铁的矿物形态及其吸波性能
粉煤灰虽然不能导电,但包含铁的多种氧化物[6,7],特别是烟煤粉煤灰中,含有2价铁和3价铁;很多铁是以分散的氧化铁颗粒形式存在,形成与磁铁矿、磁赤铁矿和赤铁矿有关的尖晶石形态,分布于矿物中。钱觉时等[8]发现粉煤灰的颗粒越粗,磁性物质含量越高。而铁氧体是一种良好的吸波材料。
1.2 碳的矿物形态及其吸波性能
由于煤质和燃煤技术等原因,煤中可燃物在锅炉中并不能全部燃烧,会有部分残留在粉煤灰中。我国150个电厂所用的粉煤灰中烧失量大于5%、8%、15%的分别占61%、43%、18%。宏观上残碳多为圆形蜂窝状和多孔状大颗粒,高温作用导致碳的物理和化学结构,特别是化学结构更趋于致密,类似于石墨晶体[9],而石墨是优良的电阻型吸波材料。本文将原状粉煤灰掺入水泥净浆中,在1～18GHz波段范围内测试吸波性能,研究了粉煤灰在水泥基材料中吸收电磁波的性能,希望能为粉煤灰探索出一条新的应用途径。
2 试验
2.1 原材料
选用南京二电厂Ⅲ级粉煤灰:45μm筛筛余小于32.8%、需水比为104%、硫含量小于0.4%、CaO含量为2.4%～4.4%;用美国Noran公司生产的Vantage DSI能谱仪对粉煤灰颗粒表面进行分析,结果如图1所示。选用蓝星新材料无锡树脂厂生产的凤凰牌环氧树脂,硕华环保新材料有限公司生产的低聚酰胺为固化剂;使用中国水泥厂生产的42.5R级P.Ⅱ水泥。原材料的各化学组分见表2(质量分数/%)。
2.2 微观分析
用日本电子公司生产的扫描电镜JSM-5900对粉煤灰结构进行观察,残碳颗粒的层结构如图2(a)所示,空心微珠如图2(b)所示,图2(c)显示为水泥水化产物包裹了粉煤灰颗粒的表面。
2.3 性能测试
将分别掺有15%、30%、45%、60%粉煤灰的水泥倒入水泥砂浆搅拌机中,用调整水量法加入适量的水后自动搅拌1个周期,在振动台上手动振动120次,抹平表面,送养护室养护。试样长宽为180mm×180mm,厚度分别为15mm、20mm、25mm、30mm。在风干状态下测量试样的面密度。根据GJB2038-94要求,利用HP8722ET网络分析仪,采用弓形反射法进行吸波性能测试。
3 结果与分析
3.1 环氧树脂基粉煤灰的吸波性能
成型时采用m(粉煤灰)∶m(环氧树脂)∶m(固化剂)=1.5∶1∶1的配比。试样长宽为180mm×180mm,厚度分别为10mm、20mm,反射率测试结果如图 3所示。从图 3中可以看到,在低频率区1～4GHz波段范围内,粉煤灰基本没有吸收峰;但随着频率的增加,反射率逐渐减小,逐渐表现出一定吸波性能;同时随着试样厚度的增加,吸波性能也逐渐提高。厚度为20mm的试样在16GHz附近有一个14.5dB的吸收峰。
3.2 掺粉煤灰水泥净浆的吸波性能
3.2.1 粉煤灰的掺量和试样厚度对反射率的影响
从图4可看到,在1～4GHz波段范围内,随着掺量的增加,反射率逐渐从小于-8dB增加到-5dB;而在频率为4～18GHz范围内,不同粉煤灰掺量和厚度的试样,其反射率基本都集中在-2～-6dB范围内波动;只有掺量为30%、厚度为30mm的试样在17GHz附近有一个反射率为-8.5dB明显的吸收峰。
3.2.2 试样厚度相同时养护时间对反射率的影响
将掺有15%粉煤灰的水泥净浆试样在水中进行养护,测试不同龄期的反射率,结果如图5所示。
从图 5可看到,在1～18GHz全波段范围内,随着养护时间的延长,除30mm、200天的试样反射率是降低的以外,其他试样的反射率基本表现为逐渐增大的趋势。由于随着水泥水化的继续,粉煤灰中一些具有吸波性能的矿物或多孔结构,如氧化铁等可能逐渐参与了化学反应,或者被水泥水化产物所包裹,因而随养护时间的延长,吸波性能逐渐降低。
3.3 掺粉煤灰水泥净浆吸波性能的分析
(1)由于试样是在风干状态下进行吸波性能测试的,试样中必然含有一定量的水分,而水具有较弱的介电损耗值,对电磁波具有一定的衰减能力,特别是蒸发水,是影响水泥介电常数的决定性因素[10]。
(2)由于水泥和粉煤灰中的金属氧化物及一些矿物材料的介电损耗和磁损耗起到了电磁波的衰减作用[6]。如粉煤灰中的碳颗粒因具有以下的吸波机制而具有很好的吸波性能:导电碳颗粒相当于一个偶极子,其振动是阻尼振动,从而造成电磁波的衰减;多重反射造成损耗;导体碳颗粒之间的漏电导效应。
(3)电磁波入射到试样内部后会在各类孔中发生反射和散射,导致电磁波的能量损失。
4 结论
(1) 在低频率区域1～4GHz波段范围内,粉煤灰基本没有吸波性能;但随着频率的增加,逐渐表现出一定的吸波性能,在16GHz附近有一个14.5dB的吸收峰;
(2) 掺入粉煤灰的水泥净浆在低频率区1～4GHz范围内有6～10dB的吸收峰,而在高频率区4～18GHz范围内一般只有4～6dB的吸收峰;掺量为30%、厚度为30mm的试样在17GHz附近有一个 8.5dB的吸收峰。
粉煤灰中虽然包含了一定量具有吸收电磁波性能的组分和结构,但是当粉煤灰应用在水泥基建筑材料中时,这些具有吸波性能的组分和结构就会被水泥水化反应破坏,或被水泥水化产物包裹,因而吸波性能不够理想。但我们希望能够在其他基体材料中发挥粉煤灰的吸波性能,或者提取出粉煤灰中有价值的组分[11,12],开发和生产出高效、廉价的吸波材料。
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吸波性能 篇7
关键词：多元掺杂,锌铁氧体,溶胶-凝胶,吸波性能
前言
随着雷达通信等技术,特别是近年隐身技术、电磁屏蔽技术的发展,对电波吸收材料的研究日益为人们所重视,由于铁氧体吸波材料具有良好的微波吸收特性而得到迅速的发展[1]。锌铁氧体属于尖晶石型铁氧体,尖晶石型铁氧体的化学分子式AB2O4,其中A代表二价金属离子。如Mn2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Mg2+、Zn2+、Cd2+、Fe2+或它们的化合物;B代表了三价金属离子,一般是Fe3+。这种类型的铁氧体结构同尖晶石MgAl2O4的结构相似,属立方系,一个晶包中含有8个MgAl2O4分子,含有32个氧离子O2-,16个铝离子Al3+,8个镁离子Mg2+[2]。
铁氧体的吸波性能来源于其既具有亚铁磁性又有介电性能。其相对磁导率和相对电导率均成复数形式(一般称此类物质为双复介质),它既能产生介电损耗又能产生磁致损耗,铁氧体吸收电磁波的主要机理是畴壁共振和自然共振[3,4]。本实验用溶胶-凝胶法制备尖晶石型锌铁氧体并对其掺杂,研究其在频率7.5～11GHz时的吸波性能。
1 实验
1.1 铁氧体的制备
根据铁氧体的分子式[(Zn0.9M0.1)Fe2O4,M为掺杂元素],将一定量的硝酸铁、硝酸锌、柠檬酸溶液和一定量的掺杂离子溶液混合均匀后,将溶液放入80℃水浴中,得到铁氧体前驱体凝胶,将前驱体凝胶在100℃烘干后,在设定温度煅烧1h,随炉冷却,用X射线衍射仪检测样品的物相。
1.2 吸波效能的测试
取铁氧体(0.5g)、环氧树脂(2.0g)和聚酰胺树脂(1.0g),用丙酮稀释,混合均匀后,均匀涂在25.4mm×76.2mm的玻璃片上。用微波信号源、波导转换器、隔离器、衰减器、频率计、测量线、功率计和负载组成的测试系统,对吸波材料在不同频率段的吸波性能进行测试。
2 实验结果与分析
将未掺杂的铁氧体前驱体凝胶,在不同煅烧温度煅烧1h后产物的X射线衍射图谱示于图1。从图1可以看出,试样在400℃煅烧1h,试样中已有锌铁氧体生成;随着煅烧温度升高,试样衍射峰的强度增强、衍射峰更尖锐。主要因为:在较低的煅烧温度下,锌铁氧体的晶粒细小,晶体发育不完整,并含有一定的非晶成分,导致衍射峰宽化,随着温度的升高,锌铁氧体晶形趋于完整,结晶度增加。当煅烧温度为800℃时,得到了结晶较好的尖晶石相。因此,实验将铁氧体的烧结温度设定为800℃。
因掺杂试样的烧结温度将提高,将掺杂试样的烧结温度设定为900℃,煅烧时间为1h。煅烧后掺杂试样的X射线衍射图谱示于图2。从图2可以看出,试样在900℃煅烧1h,得到了结晶较好的尖晶石相。
在煅烧后的不同试样,在频率7.5～11GHz的吸波性能示于图3。从图中可以看出,随着频率的增大,各种试样的吸波性能都有所加强。可能原因为:铁氧体分子中微观电荷空间分布不均匀性,并存在晶格缺位,因而可以形成电矩较大的固有电偶极子,在微波场作用下,该种电偶极子在两个或两个以上的可能平衡位置间发生平行和反平行的转向极化,产生了电极化共振吸收,随着频率增加,材料的吸收增强。
在频率f<8.5GHz时,四种试样的吸收性能均较差。当频率f>8.5GHz时,掺Ni、掺N和Ca的锌铁氧体的吸波性能明显提高;掺Ni的铁氧体在频率11GHZ时,达到-3.20dB,比纯锌铁氧体的反射损耗-2.65dB高出-0.55dB;掺Ni和Ca的铁氧体,在频率11GHz时达到-3.22dB,比纯锌铁氧体反射损耗高出-0.57dB。对铁氧体掺杂,吸波性能增加的原因可能为:掺杂后铁氧体的晶格发生畸变,使其磁导率增加,电磁损耗增大,从而使铁氧体的吸波性能得到提高[5,6]。
3 结论
(1)采用柠檬酸盐溶胶-凝胶法,在800℃煅烧1h,可制备结晶较好的锌铁氧体;掺杂Ni、Ni和Ca、Ni和Mn元素的试样在900℃煅烧1h,也得到结晶较好的锌铁氧体。
(2)在锌铁氧体中掺杂Ni、Ni和Ca、Ni和Mn元素均可提高锌铁氧体的吸波性能;掺杂Ni和Ca的铁氧体在频率11GHz时的反射损耗最大,为-3.22dB。
参考文献
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吸波性能 篇8
羰基铁(Fe(CO)5)属于磁损耗型材料,具有较高的饱和磁化强度,稳定性强,在低频段吸波效果尤为突出,但其密度大、损耗机制单一、吸收频带 窄[7,8,9],使其无法满足越 来越高的 应用要求。 钛酸钡 (Ba TiO3)是最早发现的钙钛矿铁电体之一,在居里温度附近,钛酸钡的晶体结构由立方相转变为四方相,从而具有高的介电 常数以及 优良的铁 电性、压电性和 绝缘性能等介电性能,在微波电磁场作用下,主要依靠电偶极子的 取向极化 和界面极 化损耗衰 减电磁波,是良好的介 电损耗型 吸波材料[10,11,12]。 目前,国内外有关制备 羰基铁/钛酸钡复 合吸波材 料的研究 鲜见报道。因此,本工作采 用物理共 混法制备 羰基铁/钛酸钡复合材料,通过改变钛 酸钡的含 量,调节复合材料的电磁参数,使其在低频 段的吸波 性能有了很大的提 高,并且其吸 收峰向低 频区移动 ,这对于在低频段 (0~6GHz)内获取性 能优异的 吸波材料有着重要意义。
1实验材料与方法
1.1实验材料
钛酸四丁酯(分析纯),醋酸钡(分析纯),羰基铁粉体(产品型号RW,江苏天一超细金属粉有限公司),盐酸溶液(1mol/L)。
1.2纳米钛酸钡的制备
钛酸钡采用溶 胶-凝胶法制 备。称取31.3741g的钛酸四丁酯液体,按照nTi∶nBa=1∶1称取醋酸钡固体的量23.5457g;将称好的 钛酸四丁 酯溶于30mL的乙醇中,用强磁力 搅拌器使 其充分混 合,然后逐滴的往里滴加1mol/L的盐酸30mL,继续搅拌, 制得A液;再将醋酸钡溶解于70mL的蒸馏水中,在40℃的水浴中使其充 分溶解,待得醋酸 钡完全溶 解后,将其从水浴中取出冷却至室温,制得B液。再将A液置于40℃的水浴中,控制温度 为40℃,往A液中逐滴的加入B液,直至完全 滴完。 然后经过 磁力搅拌器搅拌,0.5h后形成溶胶,再将溶胶置于室温下沉化4h后将其放入烘箱中,烘干24h后将产物放入马弗炉中煅烧,2h后将产物随炉冷却至室温,然后取出,研磨,装袋,留待备用。
1.3羰基铁/钛酸钡复合材料的制备
羰基铁/钛酸钡复合材料采用物理 共混法制 备。 把不同质量比(wBaTiO3=0%,2%,3%,4%,5%,6%) 的羰基铁粉体和钛酸钡,置于玻璃研钵中,研磨2h得到羰基铁/钛酸钡复合材料。
1.4样品的性能及表征
样品物相和结构采用D/max-rA型X射线衍射仪,CuKα辐射,波长为0.15418nm分析,其形貌分析用H-800型透射电镜和SU-1500扫描电子显微镜,吸波性能利用PNA362X型矢量网络分析仪测试分析, 将制得粉末样品研磨后用石蜡作黏结剂,按样品与石蜡质量比为7∶3均匀混合,在温度约为60℃时将其混熔,然后快速放入样品厚度为3mm的圆柱形模具中,待凝固后测试。
2结果与分析
2.1样品的物相表征及形貌分析
图1为不同样品的XRD图。从图1中曲线a可以看出,在2θ=22°,31°,39°,45.1°,45.2°,50°,56°,65° 和70°的特征吸收峰分别与BaTiO3的 (100),(110), (111),(002),(200),(210),(211),(202),和(300)晶面的衍射峰对应,表明所制备的样品为纯的具有钙钛矿结构的四方晶型BaTiO3[13,14]。图1曲线c与PDF标准卡片 (JCPDS 06-0696)的衍射峰 一致,说明Fe(CO)5为立方晶型[15]。图1曲线b中同时出现了Fe(CO)5和BaTiO3的特征衍射峰,而且衍射峰的位置基本一致,说明经研磨后已形成Fe(CO)5/BaTiO3复合体系,并且复合后羰基铁和钛酸钡的晶型都未发生改变。
图2(a)和图2(b)分别为纳 米BaTiO3和Fe (CO)5/BaTiO3复合材料的TEM图,图3为Fe(CO)5的SEM图。从图2(a)和图3可以分别看出,纳米BaTiO3为粒径约60nm的四方晶 体,但分散不 是很均匀;Fe(CO)5为分散均 匀的球形,粒径在100~ 200nm。当BaTiO3和Fe(CO)5经研磨复 合后,BaTiO3均匀的分散在Fe(CO)5样品中,其中颜色较深的为BaTiO3,较浅的为Fe(CO)5,如图2(b)所示,其颜色差异是因为不同物质对电子穿透性的不同造成的。
2.2样品的电磁性能分析
介电常数(实部ε′,虚部ε″)和磁导率(实部μ′,虚部μ″)决定着吸波材料中电磁能的积蓄和消耗,是反映吸波涂层电磁特性的重要参量。理想的吸波涂层的电磁参数必须满足匹配和衰减特性。一方面电磁波能最大限度地进入材料内部,另一方面进入材料内部的电磁波能迅速地被衰减掉,这就要求在较宽的频率内 μ≈ε,且介电损耗tgδε=ε″/ε′与磁损耗tgδμ=μ″/μ′要尽可能大[16]。因此,在固定应用频段和材料厚度的情况下,所选用材料的电磁参数(μ′,μ″,ε′,ε″)对材料的吸波性能起着决定性的作用。
图4为不同BaTiO含量复合 材料的磁 导率随频 率的变化曲线。从图4可以看出,BaTiO3的掺入会使复合材料 的μ′出现不同 程度的下 降。 但是,随着BaTiO3含量的增加,复合材料的μ″先增大后减小,当wBaTiO3=4%时,μ″在4.845GHz达到最大值4.4。这主要是由于羰基铁的密度大,与石蜡混合后,在试样中的体积密度很小,无法形成连续的微波吸收层,降低了羰基铁的磁损耗性能;而钛酸钡的密度较小,钛酸钡的掺入导致复合材料在试样中的体积密度增加,粒子间作用距离减小,使电磁波在基体中的散射增强,电磁波与粒子、粒子与粒子间的电磁耦合作用增强,因而提高了吸波材料对电磁波的吸收能力,而随着钛酸钡含量的增加,羰基铁粉含量减少时,由于羰基铁粉颗粒与颗粒之间的间距较大并且有钛酸钡隔断,难于形成连续的磁性涡流,故其μ″又随之降低。
同时,从图4中也可看出,复合材料的μ′随着频率的增加明显降低,呈现出频散效应。这主要是由于在较低频率的交变磁场中,不论是畴壁位移还是磁矩转动的磁化过程都是以有限的速度进行,随着频率的增加,当频率变化时间小于羰基铁粉弛豫时间,即磁化的时间滞后于领先的磁场改变,引起羰基铁粉的磁后效效应,最终导致以其为吸收剂的复合材料电磁参数的频散效应[7],这种效应有利于实现阻抗匹配,对实现复合材料的宽频吸收非常有利。
图5为不同BaTiO3含量复合材料的介电常数随频率的变化曲线。从图5可以看出,BaTiO3的掺入对复合材料的ε′和ε″都有较大的提高,当wBaTiO3=4% 时,其ε′和ε″分别在3.912GHz和5.154GHz具有最大值15.7和16.8,随着BaTiO3含量的增大,复合材料的ε′略微减小,而ε″缓慢增大,这主要是由于:一方面钛酸钡属于介电型材料,因而钛酸钡的掺入会使整个复合体系的介电常数增大;另一方面由于羰基铁的存在,在羰基铁和钛酸钡之间形成大量的界面,增强了不同介质之间的界面极化,表现出实部和虚部增加。
根据传输线理论,对于单层材料构成的微波吸收体,电磁波垂直入射时其反射系数为:
式中,d为材料厚度,λ为电磁波的频率,μr和εr分别是材料的复数相对磁导率和相对介电常数,Γ为反射参数,Zin为吸波材料表面处的输入阻抗。
将测量所得的电磁参量数据代入上述公式,通过计算获得各样品的反射系数曲线,见图6,并将相关数据列于表1。可以看出,在0~6GHz范围内,羰基铁/ 钛酸钡复合材料的吸波性能较纯羰基铁有了很大的提高,有效吸收 频带拓宽,而且其吸 收峰向低 频区移动。同时可以看出,随着钛酸钡含量的增大,复合材料的吸收峰值先减小后增大,当wBaTiO3=4%时,复合材料的吸波性能最佳,其最大吸收峰值为-22.9dB,-10dB频宽为2.196GHz,覆盖了3.804~6.000GHz频域。表明介电损耗型钛酸钡与磁损耗型羰基铁进行复合,适量钛酸钡的掺入能有效地减弱羰基铁颗粒之间的传导性,提高复合材料的介电性,使其更好地满足电磁匹配特性,使更多频段的电磁波能够进入复合材料内部而被衰减掉,从而提高了复合材料的吸波性能。
3结论
(1)采用溶胶-凝胶法制备出粒径约60nm的四方晶相纳米BaTiO3。
(2)采用物理共混法制备出Fe(CO)5/BaTiO3复合材料,其中BaTiO3均匀地分散在Fe(CO)5样品中, 并且复合后各自的晶型都未发生改变。