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  • 磁性吸波材料的基本原理和类型
    发布时间:2014-12-30 来源:本站 点击数:136
    1、前沿
      隐身技术是一门新兴边缘科学,涉及多个学科与技术领域,应用十分广泛。从各种武器装备、飞行器的隐身到现代电子信息设备的抗干扰系统都是不可缺少的实用技术和组成部分。
      就武器而言,隐身技术是通过降低电器、武器或飞行器的光、电、热可探性而达到隐身目的的一种技术;或者说是采用多种技术措施,降低对外来信号(光、电、磁波、红外线等)的反射,使反射信号与它所处的背景信号难以区别,最大限度地减弱自身的特征信号,以达到自身隐蔽的效果。隐身技术可分为有源隐身技术和无源隐身技术。所谓有源是利用计算机分析外来探测信号,并及时主动发射相应的干扰信号,以达到自身的隐蔽。而无源隐身技术是一种被动隐身技术,它包括隐身结构技术和隐身材料技术。隐身结构技术是在尽量不影响功能的条件下降低自身特征信号,并设法减少雷达反射截面积,这在军事上显得特别重要。可见隐身结构技术和隐身材料技术是隐身技术不可分割的两部分,而隐身材料在实现隐身中起着重要作用,也是研究隐身技术的主要内容之一。
      随着电子技术的飞速发展,电子ag足彩特别是移动通讯、计算机、家用电器的普及,人们生存环境遭受到电磁波严重污染,城市高层建筑的增多又引起电子环境的恶化,如何降低电磁波干扰已成为全世界电子行业普遍关注的问题。隐身材料也是解决电子ag足彩抗电磁干扰的有效方法之一。
      隐身材料又称之为吸波材料,其作用把外来的电磁波能量转换为热能,降低反射波的强度,达到隐身或抗干扰的效果。按吸波材料损耗机理可分为:电阻型、电介质型和磁介质型。为了达到最佳的隐身效果,常常把多种吸波材料结合起来,构成复合型吸波材料,广泛用于雷达、航天、微波通讯及电子对抗、电子兼容的吸收屏蔽等领域。
      2 磁性吸波材料
      2.1 吸波材料工作的基本原理
      所谓吸波就是吸收电磁波,吸波材料的工作基本原理是 :
      对于一般材料,材料的介电常数ε与磁导率μ可写成以下复数形式:
      ε*=ε?-jε??  μ*=μ?-jμ? ? (1)
      式中:ε?和μ?分别为吸波材料在电场或磁场作用下产生的极化和磁化强度的变量,而ε"为在外加磁场作用下,材料电偶矩产生重排引起损耗的度量,μ"为在外加磁场作用下,材料磁偶矩产生重排引起损耗的度量。对介质而言,承担着对电磁波吸波功能的是ε″和μ″,它们引起能量的损耗,损耗因子为tanδ可由下式表示:
      (2)
      可见,tanδ随ε″和μ″的增大而增大。
      设计吸波材料除了尽可能提高损耗外,还要考虑另一关键因素,即波阻抗匹配问题,使介质表面对波的反射系数(γ)为0或最小,电磁波入射到介质进而被吸收。反射系数γ的定义如式(3)所示:
      (3)
      当波阻抗为Zo的平面电磁波由自由空间(μ0、ε0)垂直入射到磁导率为μr、介电常数为εr的吸收媒质时,界面上就会发生反射和透射。吸收媒质对电磁波的反射损耗ag足彩用R来表示,单位是dB:
      (4)
      式中,Zo一自由空间波阻抗,
      Zin一输入波阻抗,
      式中,μr,εr分别为材料的相对磁导率,相对介电率。
      要获得反射损耗为零(实际上不可能而只能达到最小),吸收媒质的波阻抗必须与自由空间的波阻抗相匹配,即Zin=Zo,这时反射损耗最小,说明电磁波能量被媒质所吸收。
      对于有限厚度的吸收媒质,输入波阻抗可表示为:
      (5)
      式中,f — 电磁波频率:
      d — 吸收媒质的厚度;
      c — 光速。
      将(5)式代入(4)式,反射损耗等式就变成一个复数超越函数,它表示反射损耗与媒质的电磁参数存在着复杂的函数关系,只有特定的边界条件才能得到有效解。
      对于吸收媒质厚度d为无限大时,输入波阻抗,要满足反射损耗最小则要求:
      (6)
      实际上一般媒质的εr和μr值相差甚远,只有采用特定的媒质和特殊的工艺设计来调节εr和μr,才能达到吸收媒质的波阻抗与自由空间的波阻抗相匹配。如铁氧体粉末要提高它的吸收性能就采用与导电聚合物复合来降低铁氧体的介电常数,而金属磁性粉末则加绝缘树脂来提高介电常数,或改变粉末的外形、尺寸来调整εr和μr,以满足(6)式要求,从而降低反射损耗提高吸收性能。实际操作相当复杂,但对于一般通讯设备,只要反射损耗小于20dB,电磁波即被媒质99%吸收。
      铁氧体吸波材料的匹配条件为:
      (7)
      式中:λ为自由空间中电磁波长;d为吸收体的厚度。由此可见,要获得性能优良的吸波材料必须满足以下要求:
      (1) 入射波最大限度地进入材料内部,而不在其前表面上反射,即材料的匹配特性;
      (2) 进入材料内部的电磁波能迅速地被材料吸收衰减掉,即材料的衰减特性。但正如许多工程问题一样,这两个要求经常是互相矛盾的。
      2.2 磁性吸波材料的分类与特性
      通常说来,具有吸波特性的磁性材料(介质)可分为金属与非金属(铁氧体)两大类,下面予以介绍。
      2.2.1 铁氧体吸波材料
      铁氧体吸波材料是应用最早、最多且较成熟的一类磁性材料,即使在低频、厚度薄的情况下仍有良好的吸波性能。它的基本原理是铁氧体材料的铁磁自然共振吸收。
      在不加外恒磁场的情况下,当入射的交变磁场的角频率和晶体的磁各向异性等效场Hk 所决定的本征角频率相等时,铁氧体吸波材料将大量吸收电磁波能量。本征角频率ωk由ωk =γHk 确定,γ为旋磁比。在米波至厘米波范围内,可使反射能量衰减17~20DdB,从50年代至今仍被广泛使用。按微观结构的不同,可分为六角晶系、尖晶石型、石榴石型和磁铅石型铁氧体。作为吸波材料应用最广泛的是六角晶系和尖晶石晶系,因为六角晶系具有片状结构,而片状结构是吸收剂的最佳形状。尖晶石型铁氧体的介电常数ε′和磁导率μ′比较低,用纯铁氧体粉末分散在非磁性体中而制成的复合铁氧体,则可通过铁氧体粉末的粒径、铁氧体粉末与非磁性体的混合比例及铁氧体组成来控制其电磁参数。目前已研制并广泛应用的有Ni-Zn、Li-Zn、Ni-Mg-Zn、Li-Cd、Ni-Cd、Co-Ni-Zn、Mg-Cu-Zn 等铁氧体。
      铁氧体吸收材料是利用磁性材料在高频下磁损耗和磁导率的频散来吸收电磁波能量的,从磁导率的频散曲线(图1)可以看出曲线分为5个区域,这五个区域出现的吸收机理各不相同。图中μ为磁导率的实数部分,μ"为磁导率的虚数部分。在低频区域(I)f<104Hz时,μ几乎不随频率而改变,μ"的变化也很小;在区域(II)f为l04~106Hz时,μ和μ"的变化也很小,但μ"出现峰值,该峰值是由样品的尺寸共振所引起的吸收,由样品的几何尺寸与传播的电磁波的半波长相而产生的驻波所引起的共振吸收,与材料特性无关;在区域(Ⅲ)f为l06~l08Hz时,μ急剧下降,μ"迅速增加,此时磁损耗迅速增大出现共振吸收,这主要是畴壁位移引起的共振吸收;在区域(IV)f为l08~l011Hz时,μ继续下降,而μ"在此区域又出现峰值,这是由于磁畴内磁矩转动所引起的自然共振吸收;在极高频区域(V)f>1010Hz时,属于自然交换共振,实验观察并不多见。对于铁氧体粉末材料来说吸波机理主要是自然共振。不同结构的铁氧体其自然共振频率不同。
      传统的立方晶系尖晶石型的铁氧体(Zn-Ni,Li-Zn)其共振频率可表达为:
      (8)
      从公式中可见其自然共振频率与材料的Ms成正比,与磁导率μr成反比,即磁化强度高的材料fc高,磁导率高的材料fc低,对于尖晶石型铁氧体一般只能在小于3GHz频段使用。共振频率还与磁各向异性有关,如对于平面六方晶系铁氧体,有强的单轴各向异性,如Co2Z型的Ba3Co2Fe24O41铁氧体,其共振频率可表达为:
      (9)
      其中Hkθ为与轴向夹角θ的磁各向异性场;Hkφ为与轴向夹角φ的磁各向异性场,Hkθ 比Hkφ大二个数量级。表1示出了两种晶系共振频率的比较,可以看出磁导率高的共振频率低,六角晶系共振频率比立方晶系高2~3个数量级,适合于做超高频吸收材料。
      2.2.2 新型铁氧体吸波材料
      1) 金属磁性超微粉吸波材料
      隐身技术始于第二次世界大战。作为提高武器系统生存能力和突防能力的有效手段,已被当今世界各国视为重点开发的军事高新技术,尤其是随着雷达探测技术的发展,原有的隐身技术面临着很大的挑战,迫切需要厚度薄、质量轻、频带宽、功能多的新型隐身材料。
    新型吸波材料要求薄、轻、宽、强,即要求密度小,重量轻,吸收频率宽,吸收能力强。如果把相关数据代人(4),那么材料的吸收损耗就表示为
      (10)
      式中,R为材料的吸收损耗, σr为材料的导电常数,μr为材料的磁导率。
      由于铁氧体材料的σr、μr要比金属材料低,所以提高铁氧体材料吸收损耗只有增加材料的厚度d,显然这将影响它的应用。从理论上讲,金属材料因居里点高(770K)而耐高温,Ms可达铁氧体的3~4倍,从公式(9)看出,金属自然共振频率比铁氧体高得多,有更好的吸收性能,但块状金属吸波材料会受到金属趋肤效应的限制。随着金属或合金的粒径减小,材料对电磁波的吸收性能逐步增加,反射性能逐渐减弱。法国巴黎大学研究指出,微米级Ni、Co磁粉在1~8GHz时有强的吸收性能。金属超细粉吸波材料,又称为磁介质吸波材料。国内外对金属微粉研究认为磁性金属微粉的吸波能力优于普通金属,这是因为除了有电子吸收外,还存在磁损和频散,而且棒状、片状、纤维状等形状各向异性的磁性粉末优于颗粒状的磁性粉末,可见金属超微粉是及其重要的吸收材料,可以弥补铁氧体的重量重、高频特性不理想的缺点。
      2) 磁性纳米吸波材料
      近年来,随着多学科的交叉研究,吸波材料在材料的选择上有了更大的空间,特别是与具有不同特性材料的复合,使吸波材料的性能有了更大进展。近年来材料技术的重点热门一纳米技术在吸波材料制备过程中的成功应用,使吸波材料的性质在本质上也呈现出惊人的飞跃。而计算机辅助设计的蓬勃发展和最优化理论的运用对于确定出介质参量ε*(复介电系数)和μ*(相对复导磁率)随频率变化时介质对微波吸波性能的影响,帮助掌握各种配方与介质参量的关系,深入讨论影响介质的各种机制,从而做到按需要调整材料的参量都有很大地帮助,更可以起到指导实验方向,加快研发过程的作用。
      下面一个例子就是纳米技术在吸波材料中的应用,它表现了当吸波材料铁氧体在进入纳米级别后吸波性能的优化。图2是铁氧体与导电复合物的质量分数为20%的纳米复合物(其中纳米粒子是共沉淀法制备的10nm的铁氧体)与非纳米复合物在8-12GHz范围内对电磁波的反射系数R随频率f变化的曲线。从图中可以看出,两者的曲线走势基本相同,不同之处是整个频段内纳米复合物的吸收率均高于非纳米复合物。
      当颗粒尺寸减小到10~100nm时,粒子的物理和化学性能发生巨大的变化。随粒子尺寸的减小,粒子表面积增大,表面原子所占的比例变大,受内部原子约束变小,晶体缺陷增加,化学性极为活泼。金属原子导电电子能带从连续变为分裂的能级。不同能级跃迁就可以吸收不同波段的能量。如果纳米粒子的粒径按大小分布,与聚氨乙烯混合组成复合吸收体,就可以对毫米波、远红外、近红外有很强的吸收,其吸波频带比上述吸波材料宽得多,可谓是宽频带吸波材料。而且兼容性好、质量小、厚度薄。如纳米γ-FeNi金属粉末尺寸小于10nm,对厘米和毫米波的最高吸收率高达99.95%。最近人们开展了铁氧体纳米化研究,将纳米铁氧体与导电聚合物复合成新颖的纳米复合微波吸收材料,从理论上来说具有磁损和介电损耗的吸收功能又有纳米微粒本身的吸波性能。合成材料是一种质轻、频宽、性能优良的吸波材料。国内外对纳米吸波材料给予高度重视,美国已研制出第四代纳米吸波材料,对雷达波吸收率可达99%,而其厚度只是微米级。
      3)复合磁性吸波材料
      各种材料具有不同的吸波特性,适应不同的波段,而目前吸波材料的一个主要研究方向就是多频率。所以如果能复合这些材料,会使吸波材料的应用范围大大加宽。这些材料并不是无机相与有机相的的简单加合,两相界面间只存在较强或较弱的化学键。它们的复合将实现集无机、有机、纳米粒子的诸多特异性质于一身的新材料。特别是无机和有机的界面特性使其具有更广阔的应用前景。有机材料优异的光学性质、高弹性和韧性,以及易加工性,可改善无机材料的脆性;更主要的是,有机物的存在可以提供一个优异的载体环境,提高纳米级无机相的稳定性,从而实现其独特的微观控制,在光电磁催化等方面的特性能得到更好的发挥,甚至可能产生奇异特性的新型材料。
      然而单纯的无机纳米粒子是不易分散于有机物中的,有机物与无机粒子之间常有严重的相分离现象。有机无机相间应存在较强的相互作用,才能较好的利用有机基质来防止无机纳米微粒的团聚,使纳米微粒能长期稳定的存在。所以制备复合吸波材料并不仅仅是无机相和有机相单独的纳米技术,更主要的是复合的纳米技术,材料的分子设计就显得十分重要。
      近年来发展建立起来的复合材料的制备方法也多种多样,可大致归为四大类:纳米单元与高分子直接共混;在高分子基体中原位生成纳米单元;在纳米单元存在下单体分子原位聚合生成高分子;纳米单元和高分子同时生成。各种制备纳米复合材料方法的核心思想都是要对复合体系中纳米单元的自身几何参数、空间分布参数和体积分数等进行有效的控制,尤其是要通过对制备条件(空间限制条件、反应动力学因素、热力学因素等)的控制,以保证体系的某一组成为一维尺寸至少在纳米尺度范围内(即控制纳米单元的初级结构),其次是考虑控制纳米单元聚集体的次级结构。
      纳米铁氧体吸波复合材料
      铁氧体吸波复合材料是既有一定介电常数和介电损耗,又有一定磁导率和磁损耗的双复介质,其作用机理可概括为铁氧体对电磁波的磁损耗和介电损耗,将铁氧体纳米颗粒与聚合物复合而成的纳米复合吸波材料,能有效吸收和衰减电磁波和声波,被认为是一种极好的吸波材料。铁氧体纳米复合材料多层膜在7~17GHz的频率段内的峰值吸收为(-40dB),小于(-10dB)的频宽为2GHz。
    磁性纳米金属粉吸波复合材料
      从金属的电子能级跃迁、原子相对振动的光学波、原子的转动能级和原子磁能级的分析可以看出,具有磁性的金属超细颗粒与电磁波有强烈的相互作用,具备大量吸收电磁波能量的条件,纳米金属粉吸波复合材料具有微波磁导率较高、温度稳定性好(居里温度高达770K)等突出优点,己得到了广泛应用。纳米金属粉吸波复合材料主要包括羰基纳米金属粉复合材料和纳米磁性金属粉复合材料两类,其中羰基纳米金属粉主要包括羰基Fe、羰基Ni和羰基Co等;纳米磁性金属粉主要包括Co、Ni、CoNi和FeNi等。
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