吸波性能（精选八篇）
吸波性能 篇1
吸波材料种类繁多, 实际应用中, 为了提高吸波体的吸波性能, 许多吸波体的表面都设置为尖劈形状, 即大量尖劈有规律的排列在吸波体的表面上, 这样可以使得电磁波能够在尖形的几何空隙间进行多次反射、折射, 从而降低了最终辐射出去的电磁波的能量, 实现高效率的吸波。目前, 国内外研究机构对尖劈吸波体吸波性能开展了大量的研究, 也取得了一系列的重要成果, 但这些大多数研究都没有单独对斜劈表面反射所造成的电磁波强度的衰减进行深入的分析。部分研究[1]考虑了绕射和反射对电磁波能量的影响, 但对反射的研究重点在于确定材料表面反射系数与入射角的关系, 而未对电磁波的具体反射情况进行讨论, 另有研究[2]综合考虑了电磁波的绕射、折射、反射等因素的影响, 得出电磁波的最终能量值, 但对于每个因素均未给出严格的理论推导, 所以得到的只是能量的近似值。
本研究主要考虑电磁波反射对能量的吸收效果, 对以一定角度入射的电磁波在尖劈内的反射次数, 以及最终辐射出的电磁波能量和方向进行了严格的理论推导, 这对以后定量计算尖劈吸波体的吸波性能具有重要作用。
1 模型的假设
尖劈形状吸波及其坐标系如图1所示, 尖劈沿x方向无限长:
本研究只考虑墙面反射所达到的吸波效果, 而不考虑墙面绕射、折射等其他因素的影响。假设入射波的射向角为θ (z轴正向与入射线负方向的夹角) , 方位角为φ (轴正向与射线在xOy平面上投影的夹角) , 尖劈材料的反射性能参数各处均匀, 垂直入射的反射率为垂直入射的反射率为ρ, 斜入射时的反射率满足余弦法则, 即ρ (α) =ρcosα[3], 其中α为入射角大小, 其中ρ为垂直入射反射率。设入射波线的辐射强度为1单位。
2尖劈吸波体性能分析
考虑尖劈吸波体的吸波性能, 需要综合考虑入射波在尖劈内连续反射时辐射强度的变化。由于斜入射时的反射率满足ρ (α) =ρcosα, 所以出射波的最终强度不仅与在尖劈内的反射次数有关, 还与每次反射的入射角有关。
由于在三维立体中考虑相对复杂, 所以本研究首先在二维平面yoz上[4]分析辐射波的反射规律, 得到入射波在尖劈中的反射次数和每次反射时入射波与反射面的夹角∠n, 然后扩展到三维情况求得实际吸波效果[5]。
2.1反射次数的确定
因为尖劈沿x方向为无限长, 所以入射波的反射次数是由yoz平面决定的, 故对于入射波反射次数的确定, 可以在二维平面内进行分析。
首先证明以下两个命题:
命题1:在尖劈中, 若电磁波的入射波线经过若干次反射后能够平行于顶点A, B的连线, 则反射波线与入射波线相对于尖劈的中心线对称。
证明:假设在顶点A处有一电磁波l照射入尖劈, 经过若干次反射后平行于顶点A, B的连线, 在线段C, D的中心放一光源S (如图2) , 仅考虑该光源在C, D连线方向上波线的传播, 由光的可逆性可知, 有一束波线沿原路径返回, 而对于高度对称的尖劈, 另一束波线必然与沿原路返回的波线关于尖劈中心对称。所以, 若入射的波线能够平行于顶点A, B的连线, 则反射波线与入射波线相对于尖劈的中心线对称。
命题2:在顶点A处入射的电磁波, 当射向角θ满足时, 入射波线在顶点A, B处射出, 其中k为奇数时, 波线在顶点A处射出;k为偶数时, 波线在顶点B处射出。
证明: (1) 由图3可知, 电磁波波线在尖劈内连续反射, 当其入射角变为2α时, 波线会被垂直反射到尖劈的对面, 而后波线沿原路反射回去。
由图3可知, 第一次到达尖劈对面时, 入射角变为:
经反射后, 入射角变为2 (k1-1) α, 以此类推, 经过n1次反射后, 入射角变为2 (k1-n1) α, 当n1=k1-1时, 入射角为2α, 所以当k为奇数时, 波线会在顶点A处射出。
(2) 由图4可知, 以入射角α照射的电磁波, 经尖劈反射后会平行于底边A、B的连线, 之后的反射波线与原路线关于尖劈的中线对称。
k为偶数时, 设k=2 (k2+1) (k2=0, 1, 2…) ,
第一次到达尖劈对面时, 入射角变为
经反射后, 入射角变为 (2k2+1) α-2α, 以此类推, 经过n2次反射后, 入射角变为 (2k2+1) α-2n2α, 当n2=k2时, 入射角为α, 此时经尖劈反射后波线平行于顶点A, B的连线, 由反射的对称性得知, 若波线在A处射入, 肯定在B处射出, 所以k为偶数时, 波线会在顶点B处射出。
命题得证。
在二维平面上, 随着入射电磁波波线从与A、B连线平行到与之垂直, θ从逐渐变为0, 波线在尖劈内的反射路径也在不断地发生变化。根据上述命题, 可以求得一系列的临界角度θk, 以角度θn入射的波线经尖劈反射后在顶点A或者顶点B反射出去。
其中k为奇数时, 波线在顶点A处射出;k为偶数时, 波线在顶点B处射出。由于波线的偏移是一个渐变过程, 所以在相邻的临界角度 (θk, θk+1) 之间, 不会在发生多余的反射过程。
2.2 反射时入射波线与反射面的夹角
由图6得。
当波线的反射次数达到k时, 波线就要开始向尖劈外面射出, 记下一次出射的入射角为∠ (k+1) , 那么由三角形内角和为π, 有∠ (k+1) =π-2α-∠k, 表示在图中就是∠3=π-2α-∠2, 并且从此以后所有的∠n满足:
表示在图中就是:
综上所述, 每次反射时入射波线与反射面的夹角满足以下公式:
2.3 最终出射波线辐射强度的确定
首先引入立体几何中的一个基本定理[6]:
如图7, 过平面一点P的斜线为PQ, 直线PQ在平面内的射影为PA, 过点P的平面内异于PA的直线是PB。若斜线与平面所成角为θ1, 与直线PB所成角为θ2, 直线PA与PB所成角为θ3, 则有:
在图8中, β为入射波线在yoz平面内的投影与z轴的夹角, γ为入射波线在xoz平面内的投影与z轴的夹角, 根据上面提到的立体几何基本定理, 得到:
下证明, 入射波线在xoz平面内的投影与z轴的夹角始终为γ:由于尖劈平面垂直于yoz平面, 所以尖劈平面的法线平行于yoz平面, 由于入射波线和反射波线关于尖劈的法线对称, 所以入射波线和反射波线关于yoz平面也对称, 所以入射波线和反射波线在xoz平面内的投影与z轴的夹角也是相等的, 考虑到x轴向无限长, 所以每次的入射波线在xoz平面内的投影与z轴的夹角始终为γ。
根据几何关系,
同样, 三维情形时, 波线的入射角λ, 入射波线在xoz平面内的投影与z轴的夹角γ, 二维情形时波线每次与反射面的夹角∠n三个角之间也存在上面提到的几何关系:
前面已经求得了二维情形时波线每次与反射面的夹角∠n和入射波线在xoz平面内的投影与z轴的夹角γ, 所以便得到了三维时的入射角λ, 进而利用题目中提到的余弦法则, 可以求得每次反射后出射波线的辐射强度。设第k次反射的波线辐射强度为ρk, 则
3 仿真模拟
初始条件:ρ1=ρ, φ=60°, 分别取几组θ, α的不同取值, 来计算每次反射后辐射强度的值。
(1) α=15°不变, 射向角θ分别取20°, 30°, 45°, 60°, 得到的结果如表1所示:
将上述不同条件下的出射波线辐射强度值表示在图9上[7]:
由图9可见, 出射波线较入射波的强度都有所减少, 并且θ越小, 反射次数越多, 相应的出射波线的强度就越小。由于本文仅考虑反射对波线强度的影响, 而忽略了折射、绕射以及传播过程中的能量损失等方面的影响, 所以当θ较大时, 反射次数减少, 使得最终出射波线强度削减不明显。
当θ=30°不变, α分别取10°, 15°, 20°, 25°时, 出射波线的辐射强度值如表2, 图10所示。
图10θ=30°, α分别取10°, 15°, 20°, 25°时各次反射波线辐射强度值。
由图10可见, 当θ=30°不变, α分别取10°, 15°, 20°, 25°时, 出射波线的辐射强度值也相应的发生改变, 但是并不与α的取值构成比例关系。当α=25°时, 出射波线的辐射强度为入射波线的0.5060ρ, 低于α=15°和α=20°时的出射波线辐射强度值, 这是由于最终的出射波线辐射强度值不仅与反射的次数有关, 还与每次的入射角度有关系。
4 结论
本研究对以一定角度入射尖劈的电磁波的反射情况进行了详细的理论分析, 得出了最终的出射电磁波强度和方向, 验证了尖劈形吸波材料确实可以较好的削减出射波线的辐射强度, 并且α越小, 吸波性能越好;同时, 由于不同材料的反射率ρ值不同, 所以对于吸波材料的选取也很重要。但由于本文仅考虑电磁波单次进入尖劈时尖劈表面反射对电磁波强度造成的影响, 致使以一定角度入射的电磁波最终出射的强度削减不明显, 在以后的研究中, 将综合考虑波线折射、绕射以及传播过程中的能量损失来求得与实际更加贴近的出射强度值。
摘要：从几何学原理出发, 对电磁波在尖劈吸波体中由于尖劈表面反射所造成电磁波强度的衰减进行了严格的理论推导。首先在二维空间平面内考虑问题, 确定出反射次数与射向角、尖劈顶角的关系, 得到二维平面内反射时下一次入射波线与反射面的夹角。然后利用直角四面体三个相邻角之间存在的余弦关系, 将问题由二维扩展到三维空间, 求出每次反射后的下一次三维空间内的入射角, 利用余弦法则, 得到最后出射波线的辐射强度和出射方向。在理论分析的基础上, 分别对射向角和尖劈顶角取不同数据进行对比计算, 发现虽然对某些特定角度入射的电磁波, 在尖劈顶角较大时可能衰减更多, 但从总体上来讲, 尖劈顶角越小, 电磁波反射的次数越多, 相应的出射波线强度较小, 所以当我们对吸波性能要求较高时, 可以降低尖劈顶角的取值。这对于以后定量计算尖劈吸波体的吸波性能, 具有重要的意义。
关键词：尖劈,吸波体,电磁波,反射,直角四面体
参考文献
吸波性能 篇2
磁性Fe、Co、Ni纳米粒子的吸波性能研究
利用直流电弧等离子法在101.32 kPa(760 Torr)(H2+Ar)混合气氛下制备了Fe、Co、Ni纳米粒子,通过XRD、TEM、VSM及TC-436(LECO LTD.)N/O分析仪对纳米粒子进行了形貌和成分的表征,并通过矢量网络分析仪,利用同轴方法对粒子复合材料进行了电磁参数的`测定.结果证明:在2～8 GHz频率范围内,Fe、Ni、Co纳米粒子/固体石蜡复合材料的复介电常数虚部ε在3～4 GHz、7～10 GHz、14～16 GHz频段均出现峰值,Fe、Ni纳米粒子/固体石蜡复合材料复磁导率的虚部μ吸收峰值分别在11～13 GHz、4～6 GHz频段处,Co纳米粒子/固体石蜡复合材料复磁导率的虚部μ吸收峰值并没有出现.利用实验所得到的数据模拟了Fe、Ni、Co纳米粒子/固体石蜡复合材料不同厚度的电磁损耗能力,当涂层厚度为2 mm时,Fe纳米粒子/固体石蜡复合材料在8 GHz频率范围达到30 dB的吸收值.在2～18 GHz频率范围内,当涂层厚度为4 mm和5 mm时,Ni纳米粒子/固体石蜡复合材料出现了两个吸收峰,其值均大于10 dB.因此,通过Fe、Co、Ni纳米粒子的复合吸波材料可以展宽吸收电磁波的频段.
作 者：张雪峰 李哲男 王威娜 董星龙 ZHANG Xue-feng LI Zhe-nan WANG Wei-na DONG Xing-long 作者单位：大连理工大学材料系,大连理工大学纳米材料科学研究中心,辽宁,大连,116023 刊 名：粉末冶金工业 ISTIC PKU英文刊名：POWDER METALLURGY INDUSTRY 年，卷(期)： 16(1) 分类号：V252.1 关键词：直流电弧等离子体法 纳米金属粒子 吸波材料碳化硅纤维吸波性能研究 篇3
吸波材料如今在军事和环保方面都发挥着巨大作用, 但无论运用在何处, 吸波材料都有相似的设计机理, 其作用都是为了减少或消除雷达、红外线等对目标的探测及辐射。此外, 在环保工程中, 电磁污染已经成为世界性公害, 世界卫生组织已将其列为继水污染大气污染、噪声污染之后的第四大污染[1], 为了防止电磁污染, 吸波材料还具有重要应用价值。而其中影响材料吸波性能的主要因素包括, 复磁导率、复介电常数、损耗因子、以及吸波材料的厚度等[2]。如今由于吸波材料在军事上的迅猛发展, 对其性能也有了更高的要求, “薄、轻、宽、强”四方面的要求已经成为新型吸波材料设计方向。 (厚度薄, 质量轻, 吸收频带宽, 强吸收) [3], 而纤维在厚度, 以及质轻, 增韧方面必然会有显著的作用[4]。为此, 作者采用本实验室生成的sic纤维对其吸波性能方面进行了研究。
2 吸波机理
在吸波体的设计当中入射波能最终会被分为, 反射部分, 介质损耗, 透射部分。而理想吸波材料目的就是为了最大化降低反射部分[5]。
SE=SER +SEB +SEC
吸波材料对电磁波是否有好的吸收性能不仅取决于材料是否具有大的损耗, 还取决于电磁波能否从自由空间顺利进入材料内部。这就要求材料表面的电阻抗与自由空间的阻抗接近, 也就是阻抗匹配[6]。
文献[7] 用传输线模型对阻抗匹配条件进行了解释, 但并未涉及介电常数, 磁导率等参数, 因此后文将引入这些参数:
在广义匹配定义中[8]:
对于单层吸波材料进行匹配设计时, 反射率 Γ 为0, 得到 μ/ε=μ”/ε”=1, 推出ε”/ε=μ”/μ=M, 由本式可推出d=c/4f A其中A为复磁导率μr或复介电常数εr的模, 此式说明介电常数或磁导率越大, 对单层吸波材料在增薄方面越有利。但此前提是在满足匹配设计的前提下。
但在现实的应用中无论军工或是民用当中, 电磁波的频率并不是确定值都有一定的波段。所以, 若在用上式中的单层匹配设计就不再适用。因此考虑到多层吸波材料设计。
在多层材料设计时如果在从各个电磁参数方面来控制阻抗匹配显然过于繁杂, 因此可以控制一些变量变为常量。
3 实验
3.1 碳化硅纤维和石蜡
将本实验室生成的碳化硅纤维打碎, 与石蜡混合制成碳化硅纤维-石蜡测试圆环。按纤维的百分含量变化进行分组。以及圆环不同厚度进行分组。
根据测试的不同要求, 选择不同厚度的测试圆环测量不同厚度不同纤维质量分数的介电常数, 磁导率[10]。
3.2 实验分析
由实验数据可以发现石蜡的反射峰是随频率的增大而增大, 纤维含量20%, 25% 的反射峰也随频率的增大而增大, 但纤维量达到百分之三十以后, 反射峰的变化趋势变为随频率增大而降低。说明在纤维含量在25% 以下时, 石蜡对反射损耗起主导作用, 在纤维含量超过30% 时纤维对反射损耗方面的影响逐渐体现出来。这里用导电网络解释, 当纤维相互联系以后而非各自独立, 纤维的性能将逐渐显现出来。
在本实验室中可大致定为含量小于25% 时, 此时纤维部分相互团聚、缠绕, 也存在单独的纤维分布。总体上纤维之间被基体相互隔开, 未形成网络。因此主体上还是体现出基体的性质。
而当纤维含量达到30% 以后, 由于纤维含量的增加 (在本实验中定义为含量大于30%) 使得相互孤立的纤维相互搭接, 形成导电网络结构, 整体体现出Si C纤维的性能, 而不是如之前的纤维被基体孤立开来, 只能在局部显现出纤维的性能。
根据实验中每种纤维含量选择吸收效果最好一组。根据实验数据可以看出, 纤维含量40% 的反射损耗大, 频带宽, 厚度较小。纤维含量50%, 2.5mm反射损耗最大, 但频带较窄。
4 结论
(1) 根据表2 可以知道纤维含量在50%, 厚度2.5mm时, 反射峰峰值为-41.66d B, 反射率≤ -10d B的频带范围为6.72 ~ 8.64GHz, 处在C波段。纤维含量40%, 厚度1.5mm时, 反射峰峰值为-37.94d B, 反射率≤ -10d B的频带范围为12.72 ~ 16.00GHz, 处在Ku波段。在满足“薄, 轻, 宽, 强”的前提下纤维含量40%, 厚度1.5mm的试样更能满足要求。但同时也都存在一个缺点就是频带都比较窄, 都只处在一个波段。
(2) 以5.5mm试样为例, 它的前两个反射峰值处的频率正好与通过干涉理论计算出来的频率吻合, 说明在吸波材料设计中, 波的干涉将是要考虑的重要因素。
参考文献
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吸波性能 篇4
另一方面,厘米级钢纤维与混凝土的粘结性好,复合基体能共同承受荷载,与普通同级的混凝土相比塑性和韧性显著增大,抗拉、抗弯性能也显著提高[10],因此钢纤维混凝土大量用于军事领域的防护工程,但是关于厘米级的钢纤维掺入混凝土后的吸波性能研究很少。一般,钢纤维混凝土(未加入石子)试件吸波性能都不如素混凝土[11];而在混凝土中或在水泥墙面中掺入金属纤维,电波吸收率可在50%~97%[12];杨海燕等[13]也发现,钢纤维混凝土(未加入石子)在2~18 GHz频率范围内有一定的吸波效果,4 d B带宽最高可达15.28 GHz,最大吸收率9.8 d B。
在水泥基吸波材料中,水泥不仅仅是吸波材料的基材,起胶结作用,其自身也具有一定的吸收性能,但是关于水泥本身吸波性能的研究非常少。本文选用P·II水泥和适合工程抢修使用的改性硫铝酸盐水泥,并在砂浆中掺入波浪型钢纤维,研究它们在1~18 GHz范围内的吸波性能。
1 原材料与实验方法
P·II42.5R级水泥由中国水泥厂生产、改性硫铝酸盐水泥SAC325由唐山北极熊特种水泥厂生产,化学组分见表1;砂是ISO标准砂,由厦门艾思欧标准砂有限公司生产。基础配比为:m(水泥)∶m(砂)∶m(水)=1∶3∶0.5。波浪型钢纤维长度为15mm,化学组分见表2。钢纤维在砂浆中的质量掺量为6%。
%
%
由于建筑工程中抹面砂浆层的厚度一般在2 cm左右,而微波入射混凝土的深度一般也仅有2 cm[14],故本研究的试样长宽为180 mm×180 mm,厚度分别为10、15、20、25、30 mm;用调整水量法加入适量的水后自动搅拌一个周期,在振动台上手动振动120次,再将表面抹平,送养护室养护。由于水泥水化28 d以后,介电常数的变化已不太明显,基本趋于平衡状态,而且随频率的变化,电磁参数也基本保持稳定[15]。本试验对养护8个月以后的水泥砂浆进行反射率的测试。在风干状态下测量试样的面密度,根据GJB 2038—94要求,利用HP8722ET网络分析仪,采用弓形反射法进行吸波性能的测试。
2 实验结果与分析
2.1 P·II水泥砂浆的吸波性能(见图1)
2.1.1 吸收率与厚度的关系
从图1可以看到以下规律:
(1)随着试样厚度的增加,反射率逐渐增加,吸收率逐渐降低:1~10 GHz频率范围,最大吸收峰从10 mm时的22 d B,8 d B累计带宽为2 GHz,逐步降低到30 mm时的12 d B,8 d B累计带宽为0.6 GHz;在高频率区10~18 GHz范围,吸收峰从9 d B左右逐渐降低,最后基本都集中在4~8 d B之间波动。
(2)几个主要吸收峰的位置,随厚度的增加,明显地向低频区移动,如10 mm时最大的吸收峰在7 GHz,15 mm时移到5 GHz,20 mm时到4 GHz,25 mm时到1 GHz。据此可以推测,当试样厚度大于30 mm以后,最大的吸收峰位置可能已经移出1 GHz的范围;第2大吸收峰也从12 GHz逐渐左移到8、6、3 GHz附近。根据经典电磁波理论[16],砂浆试样可以等效为一个矩形介质谐振腔,当电磁波在谐振腔内传播时,其谐振频率为:
式中:ε0、μ0———自由空间中的介电常数和磁导率,常数;
εr、μr———砂浆的介电常数和磁导率;
a、b、l——砂浆试样长度、宽度和厚度;
m、n、p——电磁波沿3个坐标轴方向上的模数。
由式(1)可知,随着试样厚度l的增加,其对应的谐振频率会降低。
2.1.2 吸收率与表面粗糙度的关系
从图1也可以看到,同一厚度的2个面的反射率,在低频区1~8 GHz范围内基本完全一致,只有在高频区8~18 GHz范围内有1 d B左右的波动。
由于在试样制作过程中存在一些不确定因素,如手工的刮、抹效果,底板表面气泡排除不完全等,都有可能导致试样表面和底面的粗糙度会有所不同,从而对反射率产生不同的影响。根据文献[17]的理论,当表面的平整度小于电磁波波长的1/8时,可看作平滑面,它对入射电磁波产生镜面反射,使反射率提高;当表面的平整度在电磁波波长的1/8以上时,只能看作是粗糙面,它对入射的电磁波产生漫反射,使反射率降低。由于试样表面是由刮刀手工抹平的,粗糙度可达1~2 mm,而测试频率为1~18 GHz,对应的波长为30~1.67 cm,因此,粗糙度对高频区会产生明显的影响。
2.2 SAC水泥砂浆的吸波性能(见图2)
从图2可以看出:
(1)最大吸收峰的位置随试样厚度的增加明显向低频区移动;
(2)随试样厚度的增加,最大吸收峰基本都在16 d B左右;除30 mm试样外,6 d B累计带宽都能够超过5.5 GHz;
(3)同一厚度的2个面的反射率,在低频区1~18 GHz范围内基本一致,只有在高频区8~18 GHz范围内有波动;随厚度的降低波动越明显,2个面的反射率曲线越来越接近。这是由于手工粗糙度有限,而随试样厚度的增加,相对粗糙度会逐渐减小,因而其对反射率影响就逐渐降低。
2.3 掺钢纤维水泥砂浆的吸波性能
2.3.1 掺波浪型钢纤维环氧树脂基的反射率
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聚酰胺为固化剂。试样长×宽为180 mm×180 mm,厚度为15 mm,成型时钢纤维的质量掺量是7%,配比为:m(钢纤维)∶m(环氧树脂)∶m(固化剂)=2∶13∶13。反射率测试结果如图3所示。
从图3可以看出,在低频率区域1~8 GHz波段范围内,波浪型钢纤维反射率较大,但随着频率的增加,反射率逐渐减小,在10、16 GHz附近有2个明显的吸波峰;反射率小于-8d B的吸收峰带宽有3 GHz,最大吸收率接近16 d B。
2.3.2 掺波浪型钢纤维水泥砂浆的吸波性能(见图4)
从图4可以看出:
(1)掺波浪型钢纤维后,P·II水泥砂浆与SAC水泥砂浆的反射率规律基本一致,在高频区二者之间有所波动;与图1、图2比较,整个曲线形状变缓;
(2)波浪型钢纤维对SAC水泥砂浆的吸波性能具有明显的改善作用,除30 mm的试样外,6 d B累计带宽都能够超过11 GHz。
2.4 水泥砂浆吸波性能的分析
吸波材料应具备2个特性即波阻抗匹配特性和衰减特性。波阻抗匹配特性即创造特殊的边界条件使入射电磁波在材料介质表面的反射系数最小,从而尽可能的从表面进入介质内部;衰减特性是指进入材料内部的电磁波因损耗而被迅速吸收。要提高介质吸波效能,其基本途径是提高介质电导率,增加极化“摩擦”和磁化“摩擦”,同时还要满足阻抗匹配条件,使电磁波不反射而进入介质内部被吸收。
标准砂的主要成分为Si O2,它的介电常数极低,具有良好的宽频透波性能,能够改善输入波阻抗与自由空间波阻抗匹配性能,使得电磁波能够进入砂浆内部。
(1)由于试样是在风干状态下进行吸波性能测试的,砂浆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[5]。
(2)由于水泥中的金属氧化物及一些矿物材料的介电损耗和磁损耗,会起到电磁波的衰减作用[18]。
(3)钢纤维属于介电型吸波剂,其机理主要依靠介质的电子极化、分子极化或界面极化等驰骋、衰减、吸收电磁波。水泥基钢纤维复合材料的吸收率依赖于电导率的变化,而导电性与纤维的长度、掺量等有密切关系,纤维的长度和掺量增加均可以导致搭接导电能力的增强而提高导电能力,逐渐提高吸波能力。
(4)当电磁波入射到砂浆内部后,便会在各个孔中发生反射和散射,导致电磁波的能量损失;波浪形钢纤维的各相异性散射也增强了纤维之间的多次散射次数,一方面增加了单根波浪形钢纤维对电磁波的吸收,另一方面也增强了散射过程中水泥基体对电磁波的损耗。
3 结论
P·II水泥砂浆与SAC水泥砂浆的吸波性能基本一致:
(1)厚度为10~30 mm的水泥砂浆试样,吸收峰的位置随试样厚度的增加向低频区移动;
(2)随水泥砂浆试样厚度的增加,最大吸收峰基本都在16 d B左右,6 d B平均累计带宽5.5 GHz;
(3)试样表面粗糙度变化时,低频率区的吸收率基本不变,而高频率区的吸收率有所波动;
吸波性能 篇5
关键词：表面改性,铁镍合金粉,电磁参数
雷达吸波材料中,吸收剂是决定其性能的关键因素之一。目前,吸收剂应用和研究的主体为磁性材料,主要包括铁氧体、金属微粉、金属纤维、纳米金属粉等,磁性吸收剂由于其介电常数较大,大大限制其应用。大量研究[1,2,3,4]表明:磁性吸收剂的表面状态影响其介电常数,如盛玉宝等[1]在不改变羰基铁粉磁性能的前提下,对其进行表面处理从而降低了羰基铁粉的ε′。余洪斌等[2]采用磷化的方法处理多晶铁纤维,提高了多晶铁纤维的表面电阻率,降低其ε′,ε″。王琦等[3]通过机械合金化的方法,用ZnO包覆铁镍合金粉,达到了降低介电常数,改善磁导率的目的。因此,磁性吸收剂表面进行包覆改性对改善吸收剂电磁性能有着重要意义。
采用湿化学冶金法制备的片状铁镍合金粒子,其介电常数大,用作填料的吸波涂层高频性能不佳。实验采用TEOS对其进行改性,研究了TEOS水解包覆铁镍合金粉的机理,探讨了包覆层厚度对铁镍合金粉电磁参数的影响。并且采用超声分散处理方法成功解决了包覆后铁镍合金粒子团聚问题。
1 实验
1.1 实验原材料
无水乙醇,北京化学试剂公司,分析纯,含量:99.5%;正硅酸乙酯(TEOS),北京化学试剂公司。
1.2 实验过程
铁镍合金粉处理:将原始铁镍合金粉(200g)浸在催化剂乙醇溶液(250mL)中,搅拌分散若干小时,往其中逐渐滴加TEOS乙醇溶液(50mL),反应完毕后,过滤干燥,而后置于真空烘箱中(温度为60℃)干燥。实验所用的TEOS乙醇溶液的质量分数分别1%, 2%。
涂层制备:将吸收剂、环氧树脂和固化剂按照一定工艺(其中吸收剂的重量占总固体份的80%)配制成涂料,室温下涂刷于180mm×180mm的铝板,每隔0.5h涂刷一遍,涂层固化后测量其吸波反射率。
1.3 材料表征
红外漫反射表征:本实验所用的仪器为Magna IR 750型傅里叶变换红外/Raman 950型傅里叶变换拉曼光谱仪。
扫描电镜:采用JSM-5600LV型电子扫描显微镜进行铁镍合金粉形貌分析。
透射电镜:采用JEM-2010F型透射电镜对包覆层进行观察。
电磁参数测量:材料的复介电常数和复磁导率采用矢量网络法进行测定;测试设备为HP8722ES矢量网络分析仪。测量的铁镍合金粉质量分数为80%。
反射率测量:材料的反射率采用弓形法进行测试。弓形法RAM反射率自动扫描测试系统测量频率2~18GHz,测试平板180mm×180mm。
2 结果与讨论
2.1 TEOS与铁镍合金粉表面的作用
TEOS处理铁镍合金粉的过程中,铁镍合金粉表面吸附水和空气中的水引发其水解反应,产生硅醇(—SiOH),一部分硅醇之间发生缩聚反应[5],另一部分硅醇和铁镍合金粉表面的羟基缩合。图1为未处理的铁镍合金粉与处理过的铁镍合金粉漫反射红外光谱,对比可以看出处理过的铁镍合金粉出现了1041,980,913,850,636,1081 cm-1等新峰,其中1041 cm-1可归属为Fe-O-Si的振动[6],1081 cm-1为Si-O-Si振动[5],其存在说明TEOS在处理过程中发生了缩聚,并且TEOS与铁镍合金粉表面发生了反应从而形成有机硅聚合物包铁镍合金粉的核壳结构。
图2为不同TEOS含量包覆的铁镍合金粉透射电镜照片。由图可见1%和2%处理的铁镍合金粒子包覆层厚度分别约为20nm和40nm。
2.2 包覆后铁镍合金粉电磁参数
图3 为未包覆铁镍合金粉和分别用1%(体积分数,下同)和2%的TEOS乙醇溶液处理的铁镍合金粉电磁参数(80%)的比较,由图可以看出与未包覆铁镍合金粉相比,ε′ 在TEOS浓度为1%时其降低约10,而当其浓度增加到2%时,其值降低并不明显。ε″在TEOS浓度为1%时降低不明显,而当其浓度达到2%时,在2~18GHz内降低大幅度降低。这是由于处理后的铁镍合金粉表面包覆一层绝缘的有机硅,由公式ε″=σ/ε0ω (σ为电导率;ω为入射波的圆频率),处理后的铁镍合金粉由于表面有机硅层的绝缘作用,降低了粉体的电导率σ,进而介电常数降低。与未包覆铁镍合金粉相比,μ′ 在3.2~18GHz内都提高,浓度为1%时其增加值要比浓度为2% 时要大。这是由于用质量分数为1%的TEOS溶液处理过的羰基铁包覆一层有机硅膜后,降低了铁镍合金粉的表面张力,在分散介质中的团聚更少,尽管扫描电镜下粉体本身存在一些团聚,但是团聚并不严重(比较图4a,b),总体上来看分散更为均匀,因而μ′ 增加,但是随着TEOS浓度的增加到2%,包覆铁镍合金粉的团聚(图4c)增加,铁镍合金粉的粒度增加,文献[7]研究表明铁镍合金粉的μ′ 随着其粒度的增加而降低,因此TEOS浓度增加到2%,μ′ 降低。
Nakamur[8,9]在处理一个磁性相和非磁性相的复合体系时,提出一个理论模型即将磁性样品内部的微
结构简化为磁性颗粒被非磁性层包裹着,考虑到非磁性层的电阻率远大于颗粒内、晶界以及界面的电阻率,得出的结论为:随着非磁性相体积分数的增加,畴壁共振频率向高频方向移动,有效磁导率随之减小。处理过的铁镍合金粉表面被非磁性的有机硅层包裹,其μ″变化符合Nakamur模型的条件,这就很好的解释了图3所示μ″在低频(2~6 GHz)降低较多。
图4c可以看出2%TEOS乙醇溶液处理过的铁镍合金粉团聚严重,采用分散方法将其团聚打开,形貌如图4d所示,可以看出其团聚明显减少。比较分散处理和未分散处理的包覆铁镍合金粉电磁参数,分散处理后,由于铁镍合金粉团聚减少,粒度更为集中,导电链难以形成,ε′ ,ε″都有大幅度降低,μ′ 在3.2~18GHz内都提高。
2.3 反射率比较
图5为未处理过、包覆后以及分散处理后铁镍合金粉吸波涂层吸波性能比较,涂层吸收剂质量分数均为80%,涂层厚度均为0.5mm。由图可以看出,包覆后的铁镍合金粉吸波涂层高频吸波性能优于未包覆铁镍合金粉,而在低频却相反,这是由于包覆后铁镍合金粉高频μ′ 增加,μ″略有增加,而ε′ ,ε″都降低,阻抗匹配作用增强。而对于不同质量分数的TEOS包覆的铁镍合金粉吸波涂层吸波性能相差不大。分散处理包覆过的铁镍合金粉高频吸波性能明显增加。这主要是其ε′ ,ε″明显降低,阻抗匹配作用增强的缘故。
3 结论
(1)用TEOS处理的铁镍合金粉为有机硅包覆铁镍合金粉的核壳结构。
(2)用TEOS乙醇溶液包覆铁镍合金粉能有效的降低其介电常数,提高其磁导率实部。分散处理能减少包覆后铁镍合金粉的团聚,进一步降低其介电常数,从而实现阻抗匹配优化。
(3)用分散处理后的包覆铁镍合金粉作为吸收剂,制备吸收剂质量分数80%、厚度0.5mm涂层,其反射率在高频吸波性能明显优于未处理过的铁镍合金粉。
参考文献
[1]盛玉宝,王相元,钱鉴,等.羰基铁粉介电常数调控与控制[J].宇航材料工艺,1989,(4):50-51.
[2]余洪斌,赵振声,聂彦,等.一种多晶铁纤维的表面包覆方法[J].表面技术,2002,31(1):45-47.
[3]王琦,官建国,王维,等.ZnO包覆Fe0.7Ni0.3对电磁参数的影响[J].材料科学与工艺,2005,13(3):321-324.
[4]邓惠勇,官建国,甘治平.环氧树脂包裹超微铁磁性复合粒子电磁参数的研究[J].功能材料,2003,34(6):719-720.
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吸波性能 篇6
就此, 设计了六边形环FSS贴片单元与吸波结构的复合结构, 利用谱域法计算了复合吸波结构的反射特性, 研究了FSS单元在吸波结构中的位置及厚度对复合吸波结构吸波性能的影响规律, 为复合吸波结构的设计及应用提供了依据。
1 谱域分析方法
谱域法[8]即谱域中的模式分析方法, 其简单过程如下:首先, 对空域中按散射场表示式导出的电流积分方程作二维Fourier变换, 由于FSS结构表面导电薄片呈周期性阵列结构, 其上的感应电流必然也呈相同的周期性分布, 所以, 电流的谱函数为离散量, 变化后的空域积分方程转化为谱域的代数方程。然后运用谱域Galerkin法或谱域迭代法求出电流谱函数的解, 进而计算散射场, 得出反射和透射系数。
利用电磁场二重性原理, 设M是FSS结构上由入射电磁场起的感应磁流, 则单个单元的散射场可表示为:
undefined
其中:F (r) =∫G (r, r′) M (r′) dr′ (2)
G (r, r′) 为自由空间格林函数, 表达式为:
undefined
式中:|r-r′|为观察点r到源点r′的距离;k0为自由空间波数。
假设FSS单元为理想导体 (PEC) , 在FSS单元表面则有:Ht=Hundefined+Hundefined=0 (下标表示切向磁场) , 应用Fourier变换, 即可得到谱域表达式:
undefined
其中G为谱域并矢格林函数, 与介质衬底的电参数有关。
由于FSS阵列是二维周期结构, 应用Floquet定理可得:
undefined
式中, kx和ky为扫描角决定的Floquet传播常数。
kx=k0sinθcosϕ (7)
ky=k0sinθsinϕ (8)
Dx和Dy分别表示沿x轴和y轴方向的周期长度, Mm和Mn是傅里叶级数的系数。
将 (5) 和 (6) 式代入 (4) 式, 有:
undefined
由于FSS阵列是二维周期结构, 由傅里叶变化的性质可知, α和β不再是连续的值, 变为αmn和βmn, 它们对应相应的Floquet谐波, 其表达式为:
undefined
其中Ω是FSS两个周期方向的夹角, undefined是谱域并失格林函数, 选用Rooftop函数为子域基函数, 用矩量法求解方程 (9) , 就可以求出等效磁电流分布, 进而可以求出反射场和透射场。
2 数值计算及结果分析
2.1 纯吸波结构材料的仿真计算
利用谱域法在2～14GHz对纯吸波结构 (如图1所示) 的反射特性进行仿真, 吸波结构材料各项参数见表1。经仿真计算得到了反射特性曲线 (如图2所示) , 由图可知, 该纯吸波结构的谐振频率为5.9GHz, -3dB处带宽为5.3GHz, 谐振频率处反射系数为-14.3dB。
2.2 含FSS单元的复合吸波结构仿真
设计了六边形环FSS单元贴片, 如图3所示, 单元参数为:当量半径r=2.5mm, 宽度w=0.4mm, 厚度d=0.1mm, FSS单元在吸波材料结构中的嵌套方式有a, b, c, d4种情况, 如图4所示。单元按正方形周期排列, 周期为10mm, 中心频率为15.5GHz, 频率载荷步为0.1GHz。
利用谱域法对含有六边形环FSS贴片单元的复合吸波结构进行数值计算, 其反射特性曲线如图5所示。
由图5可得, 纯吸波结构反射曲线和复合吸波结构a的反射曲线完全重合, 说明FSS单元与金属背底贴在一起时, 不但对纯吸波结构的吸波特性没有影响, 反而会加重吸波结构的重量, 这是与实际工程应用是相悖的。相比纯吸波结构, 复合吸波结构b和c的谐振频率则向低频发生漂移, -3dB处的吸波带宽明显增加, 最低反射值降低, 材料吸波性能得到加强;复合结构d虽最低反射值也有所降低, 但其吸波带宽明显不如纯吸波结构, 具体的比较结果见表2。
2.3FSS厚度对吸波性能的影响
取上述复合吸波结构b为研究对象, 在保持其他参量不变的情况下, 取d=0.1, 0.3, 0.5, 0.7 (mm) , 分析FSS厚度对其吸波性能的影响, 仿真计算得到反射特性曲线如图6所示。
从图6中可以看到, 随着单元厚度的增加, 谐振频率向低频发生漂移, -3dB处带宽逐渐增加, 最低反射值逐渐增大, 具体结果见表3。在实际工程应用中, 在取适当的反射值下限的情况下, 增加FSS单元的厚度可以起到增加吸波带宽的作用。
3 结论
利用谱域法针对FSS单元在复合吸波结构中的位置及单元厚度分析了FSS单元对吸波材料吸波性能的影响, 结果表明, 将FSS单元嵌入到适当的位置, 或增加其单元厚度, 会使中心频率飘向低频, 吸波带宽增加, 最低透过值减小, 从而有效地改善了材料的吸波性能。
参考文献
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[7]刘红英, 孙维.利用频率选择表面改善微波吸收材料S波段的吸波性能[J].微波学报, 2006, 22 (3) :22-25.
吸波性能 篇7
随着电子信息化的迅猛发展,电磁波作为信息传播的重要载体,已经渗入到生活的各个方面。电子产品已越来越广泛地应用于国民经济以及家庭生活的各个领域,尤其是近几年来普及的智能手机、智能家居、智能穿戴等终端产品,将电磁波的应用发挥到了前所未有的程度[1,2]。
然而,电子电气产品的应用构建了复杂的电磁环境,也带来了大量的负面影响,诸如电磁干扰(EMI)、电磁信息的安全性和电磁辐射对人体健康的危害等,因此研发电磁波吸收材料十分必要[3]。金属软磁材料由于具有优良的电磁性能,被广泛用于低频段电磁波吸收材料。冯永宝等[4]利用机械合金法对比了一步法和两步法制备的Fe85Si9.6Al5.4片状磁粉。研究表明,当厚度为5mm时,片状FeSiAl吸波材料输入阻抗为0.98,最小反射率和匹配频率分别为-30.97dB和1.47GHz,RL<-10dB的带宽为0.48GHz,可以应用于L和S波段。Luo X J等[5]利用沉降法在羟基丙烯酸甲酯中合成了定向排列的FeSiAl片状磁粉复合材料。结果表明,定向排列的FeSiAl片状磁粉在低频下有较高的磁导率,且有效各向异性场矫顽力He=0.008T,阻尼系数α=0.7,饱和磁化强度Ms=853000A/m,定向排列的复合材料磁导率明显高于随机排列的复合材料磁导率。除此之外,碳纤维作为电阻型吸波材料,亦被广泛应用于吸波材料领域,已成为现代工业不可或缺的一种新型材料。刘渊等[6]利用金属有机化学气相沉积法在碳纤维表面连续沉积了α-Fe膜。结果显示,α-Fe的存在可以明显改善碳纤维的电磁性能,从而改善其吸波性能,相比于未改性的碳纤维,其吸波频带增宽4.2GHz。由此可见,单一的吸波材料很难满足当今吸波材料“薄、轻、宽、强”的要求。只有通过各种形式的复合,才能获得性能良好的吸波材料。在众多的磁性金属中,片状铁硅铝磁性材料具有高饱和磁感应强度和高性价比等优点,有利于吸波材料的高效化。且片状外形结构使其具有强的形状各向异性,有利于提高微波磁导率和自然共振频率。但由于其介电常数相比磁导率较高,且只存在磁损耗,难以满足吸波材料高吸收、宽频化、轻量化的发展要求。而碳纤维材料属于电损耗材料,具有质量轻、强度高、耐高温、耐磨擦、导热、导电及热膨胀系数小等优点。因此本实验将碳纤维与片状铁硅铝磁粉复合,通过控制其质量分数、几何尺寸、排列取向来调节复合材料的电磁参数,从而达到最佳的阻抗匹配和最大的电磁损耗,以获得片状结构和纤维状结构复合、电损耗和磁损耗兼具的吸波性能优良的复合吸波材料。
1 实验
1.1 原材料及仪器设备
实验所用FeSiAl磁粉各组分含量为Fe 85%(质量分数)、Si 9.6%(质量分数)、Al 5.4%(质量分数);碳纤维为经活化的黏胶基碳纤维布,基体材料为石蜡。实验所用X射线衍射仪(XRD)(Cu靶,Kα)为日本理学(Rigaku)生产,型号为D/MAX-2400;扫描电子显微镜(SEM)型号为JSM-6700F,日本电子株式会社生产;实验所用激光粒度分析仪为日本堀场(Horiba)公司生产,型号为LA-950a;超声波震荡仪型号为LBD-L1006,深圳市立波达科技有限公司生产;矢量网络分析仪为美国安捷伦(Agilent)公司生产,型号为E4991A;电子天平型号为FA1004A,上海精天电子仪器有限公司提供。
1.2 实验过程
先将碳纤维进行人工短切,用丙酮预处理,用去离子水反复清洗,在无水乙醇中超声分散30min,去离子水清洗待用。按照比例,称取65%(质量分数)的FeSiAl片状磁粉与35%(质量分数)石蜡,将石蜡进行水浴熔化,将短切碳纤维与磁粉进行机械混合,然后倒入熔化的石蜡中,机械搅拌30min,确保混合均匀。最后,将混合好的原材料倒入预先准备好的模具中,在设定好的压力下模压成型。
1.3 原料表征及性能测试
采用激光粒度分析仪对原料粒度进行分析;用SEM对原料进行微观形貌表征;用X射线衍射仪对原料进行晶型分析表征;用矢量网络分析仪对样品电磁性能进行表征,并基于所测量的电磁参数(εr=ε′-jε″,μr=μ′-jμ″),采用式(1)、式(2)计算反射率R[7,8]。
式中:Zin是吸波材料的输入阻抗;εr是吸波材料的复介电常数;μr是吸波材料的复磁导率;d是吸波材料的厚度;c是光在真空中的传播速率;f是频率。
2 结果与讨论
2.1 粒度分析
图1为FeSiAl粒度频率及累积密度分布曲线。从图1可以看出,FeSiAl的粒径为数十微米到几百微米;300μm以上累积分布密度达到100%。经分析得知,FeSiAl的平均粒径为98.11μm,D50为86.50μm,D90达到161.60μm,粒度离散度((D90-D10)/D50)为1.27,说明粒度分布较集中。
2.2 微观形貌表征
图2为FeSiAl片状粉体的SEM微观形貌图。从图2可以看出,片状磁粉呈无规则随机排列,从比例尺可以看出,磁粉粒径与粒度分析结果一致。
图3为碳纤维的扫描电子显微镜照片,图3(a)为表面形貌,图3(b)为横截面形貌。从图3(a)可以清楚地看到,碳纤维表面原纤沿轴向排列且表面存在沟槽,表面缺陷较少,有沉积物存在;从图3(b)可以看出,碳纤维具有不明显的皮芯结构,直径大约为5μm。碳纤维由于电导率较高,对电磁波有强烈的反射作用,故在实验前需进行表面处理,其目的主要是提高化学键合力。通过表面处理可以引入含氧、含氮官能团,提高偶极力,从而提高表面活性,增强与树脂的浸润性,使其由憎液性转变为亲液性[9,10]。
片状磁粉的排列状况如图4所示。图4(a)为未加磁场的情况下,片状磁粉呈自然随机排布状态;图4(b)为施加外磁场使片状磁粉平行于样品表面规则排列的状态;图4(c)为施加外磁场使片状磁粉垂直于样品表面规则排列的状态。由于片状磁粉具有形状各向异性,可通过改变外磁场的方向,使片状磁粉磁化且发生转动,形成不同方向的规则排列。
2.3 XRD分析
图5为原料FeSiAl磁粉的X射线衍射图谱。FeSiAl合金的相结构一般认为有两种,一种是Fe、Si和Al三种原子在晶格中的占位是任意的,称为bcc结构的无序相;另一种是Si和Al占据体心位置的有序状态而形成的D03超点阵结构。如图5所示,可以看到明显的bcc结构的FeSiAl合金,在2θ=45.2°时,出现最强的衍射峰,半高宽较宽,且在2θ=65°和83°附近时,出现2个较弱的衍射峰。图5中看不到D03超点阵结构,是因为磁粉在机械合金化过程中进行了扁平化处理,即让球形颗粒通过球磨、热处理等工艺转变成片状,球磨过程中会破坏Fe的晶体结构,导致晶格畸变,造成衍射峰宽化,且向高角度方向偏移[11]。
2.4 材料性能
2.4.1 FeSiAl含量对材料吸波性能的影响
图6为选用FeSiAl作为吸波剂,石蜡为基体的吸波材料的反射率曲线。由图6可以看出,随FeSiAl含量的不同,吸波材料在1~3GHz内均呈现一反射率峰值。随着石蜡含量的增加,反射率的峰值向高频移动,吸收频带增宽,当石蜡含量为35%(质量分数),FeSiAl相对含量为65%(质量分数)时,在频率为2.12GHz处反射率最小,为-37.01dB,吸波性能最佳,此配比下反射率小于-10dB的频带宽度为0.48GHz。低频下,FeSiAl磁粉与电磁波作用主要通过自然共振损耗,随着频率的增加,FeSiAl磁粉的涡流损耗增加,故反射率减小。随着石蜡含量的增加,材料的电阻率升高,反射率增大[12]。
2.4.2 碳纤维含量对复合材料吸波性能的影响
从图7可以看出,碳纤维和FeSiAl片状磁粉复合后,复合材料的反射率在碳纤维含量为0.4%(质量分数)时达到了-49.6dB,吸收频带由加入碳纤维之前的0.48GHz增加到1.0GHz,吸波性能显著增强。这是由于FeSiAl磁粉属于磁损耗型吸波剂,碳纤维是一种导电纤维,将两者复合后,一方面碳纤维的加入相当于增加了复合材料的导电通道;另一方面,磁粉存在于短切碳纤维周围,改善了碳纤维周围的电磁环境,使本身易于极化的碳纤维能更好地与电磁波作用,将电磁能转化成热能。因此将两种吸波剂复合后,材料的吸波性能得到增强[13]。
2.4.3 碳纤维长度对材料吸波性能的影响
图8为选用不同长度的碳纤维与片状FeSiAl磁粉复合的反射率曲线。如图8所示,不同长度的碳纤维复合材料均在2.0GHz附近出现反射率峰值。当碳纤维长度为4mm时,反射率最小达到-36.8dB,此时对应的频率为2.09GHz。而长度为2mm及6mm的材料吸波性能均低于长度为4mm的吸波材料。这是因为碳纤维为电阻型吸波剂,短切碳纤维可以看作半波谐振子,在短切碳纤维附近存在似稳感应场,此感应场激起耗散电流,在周围石蜡基体的作用下,耗散电流衰减,从而将电磁能转化成热能而消耗掉[14,15]。碳纤维长度太大,会造成连续传导电流,对电磁波的反射加大,从而损耗减小;而长度太小,感应场强太弱,对电磁波的损耗较弱。因此碳纤维长度为4mm时,复合材料的吸波性能最强。
2.4.4 片状磁粉排列方向对复合材料吸波性能的影响
从图9可以看出,施加磁场使FeSiAl片状磁粉取向排列后,吸波材料的反射率峰值向低频方向移动,且当片状磁粉平行于样品表面时,材料的反射率最小达到-44.2dB,此时反射率小于-10dB的频带宽度为0.5GHz,较无磁场取向时有所增加;而当片状磁粉垂直于样品表面时,材料反射率数值增大,吸波性能减弱。这是由于当片状磁粉方向平行于样品表面时,平面内各向异性场可以突破Snoek极限所带来的影响,而片状粉厚度小于趋肤深度,且具有大的纵横比,对涡流效应的抑制及闭合磁畴的消除是有效的,可减小涡流对材料磁导率的影响,提高磁粉的磁导率,因此其吸波性能良好[16]。
3 结论
(1)FeSiAl与石蜡复合体系中,随着片状FeSiAl磁粉相对量的增加,反射率的峰值和吸收频带向高频移动,当FeSiAl含量为65%(质量分数)时,反射率最小可达-40.7dB,材料吸波性能最佳,且此时反射率小于-10dB的频带宽度为0.48GHz。
(2)碳纤维的加入会增强复合材料吸波性能,增宽吸收频带。当短切碳纤维含量为0.4%时,吸波性能最好。
(3)碳纤维的长度不宜过长或过短,太短造成传导电流太弱;太长会造成强反射,均影响材料的吸波能力。当碳纤维长度为4mm时,吸波性能最强。
吸波性能 篇8
四针状氧化锌晶须 (T-ZnOw) 是为数不多的一种具有三维四针状立体结构的晶须, 由于具有高介电损耗、低电阻率、抗菌、高强高模和耐高温等特性, 因而是一种理想的功能材料和结构材料, 具有广阔的应用背景[4,5,6,7,8,9,10]。本研究对影响涂层吸波性能的因素进行综合分析, 以期达到提高涂层吸波性能的目的。
1 实验部分
1.1 原料与试剂
实验所用原料、试剂及简要用途说明如表1所示。
1.2 T-ZnOw在树脂-溶剂体系中沉降程度分析
取10g环氧树脂基体 (23mL丙酮稀释) , 加入适量分散剂后再加入5.9g T-ZnOw, 采用KQ-300型超声清洗机超声震荡分散30min, 将震荡后溶液转移至刻度试管中静止24h, 测量沉降体积。
1.3 吸波涂料的制备
将改性的T-ZnOw加入到环氧树脂的丙酮溶液中, 再放到KQ-300型超声波清洗机中进行超声震荡, 加入固化剂二乙烯三胺再次超声分散即得吸波涂料, 并将涂料喷涂在180mm×180mm的铝板上干燥得吸波涂层板。
1.4 分析与表征
采用日本JEOL JSM-6360LV型扫描电子显微镜观测了改性的T-ZnOw表面形貌。采用Agilent反射率测试仪对制得的吸波涂层板进行反射率测试 (弓形法) , 测试频率为2～18GHz。
2 结果与讨论
2.1 分散剂加入方式对沉降体积的影响
图1是用三乙醇胺改性T-ZnOw晶须和未改性T-ZnOw晶须在环氧树脂的丙酮溶液中沉降体积与沉降时间的关系。从图中可以看出, 改性后的T-ZnOw晶须在溶液中的稳定性非常好, 24h内几乎没有分层沉降;而未改性T-ZnOw晶须在溶液中的稳定性较差, 24h后下沉分层非常明显, 沉降体积分数超过20%。这是由于三乙醇胺对T-ZnOw晶须形成包覆阻止其团聚沉降。
2.2 分散剂加入量对沉降体积的影响
将三乙醇胺分散剂分别按质量分数0.1%、0.3%、0.5%和0.9%的数量加入, 对T-ZnOw进行改性处理。将改性后的T-ZnOw加入到环氧树脂丙酮溶液中超声分散后将料浆转移至试管中静置24h。分散剂加入量与沉降体积分数的关系如图2所示。由图2可以看出, 在三乙醇胺的添加量为0.3%时沉降体积分数最大, 说明此时沉降效果最好。继续增大分散剂的添加量则沉降体积分数出现减小趋势。其可能的原因是, 当三乙醇胺添加量较少时, 不能满足T-ZnOw表面的饱和吸附, T-ZnOw存在暴露的表面, 晶须之间容易碰撞形成颗粒簇。当分散剂的添加量约为0.3%时, T-ZnOw表面达到单层饱和吸附, 三乙醇胺吸附层限制了晶须的相互接近, 此时晶须间斥力大, 沉降相体积分数最小。继续增大分散剂的含量, 悬浮液中的晶须颗粒呈过饱和吸附状态, 通过范德华引力和分散剂分子桥接形成的颗粒簇数量越多, 未被吸附和吸附于颗粒表面的有机物产生一定的缠绕会使颗粒聚集和絮凝, 所以导致悬浮液沉降相体积分数减小。
2.3 T-ZnOw的SEM分析
图3是T-ZnOw的SEM图片。从图中可以看出, 大部分T-ZnOw保持比较好的四针状。T-ZnOw微观结构包括一个中心体和4个从中心体伸出的针状晶体, 任意两个针状晶体间的夹角约为109°28′。针状晶体的长度为十几个微米, 基部直径一般小于3μm, 从中心体沿针状晶体到其顶端直径逐渐变小。
2.4 T-ZnOw分散性对吸波性能的影响
图4所示的是在相同条件下, 添加分散剂与未添加分散剂的吸收剂制成的涂层 (180mm×180mm×3mm) 的反射率对比。从图中可以看出, 在体系中加入了适量的分散剂后, 除了吸收最大值有少量的增加以外, 吸收峰的频率也向低频移动了约10GHz。有研究认为[10], T-ZnOw对雷达波的吸收主要有以下几种方式:一方面离域的电子流过相互搭接的针状体形成的导电网而通过热的形式耗散;另一方面, 通过尖端效应放电而耗散;再有由于针状体的相互临近, 当距离小到一定程度时, 引起隧道效应而产生漏电流导致其对电磁波的损耗。在分散剂三乙醇胺的作用下, T-ZnOw分散比较均匀, 晶须间相互靠近及针尖连接的机会增加, 雷达波激发离域电子所需能量降低, 因而吸收移向低频。
3 结论
分散剂三乙醇胺加入的量约为0.3%时, 吸收剂T-ZnOw的分散效果最好。改性后的T-ZnOw吸波涂层与未改性T-ZnOw吸波涂层相比, 最大吸收峰移向低频约10GHz, 但对最大吸收强度影响不大。
摘要：四针状氧化锌晶须 (T-ZnOw) 具有三维四针状结构, 具有材料增强、抗静电、抗菌、吸波和吸声等特性, 是一种非常有发展前途的多功能材料。研究分散剂三乙醇胺对T-ZnOw性能的影响。结果表明, 当三乙醇胺添加量为0.3%时, T-ZnOw在环氧树脂溶液中分散性最好;最大雷达波吸收峰移向低频约10GHz。
关键词：四针状ZnO晶须,分散剂,吸波涂层
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