所谓吸波材料,指能吸收或者大幅减弱其表面接收到的
电磁波能量,从而减少电磁波的干扰的一类材料。在
工程应用上,除要求吸波材料在较宽频带内对电磁波具有高的
吸收率外,还要求它具有质量轻、耐温、耐湿、抗腐蚀等
性能。
基本介绍
1.1 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、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。
1.2 电磁辐射通过
热效应、
非热效应、
累积效应对人体造成直接和间接的伤害。研究证实,
铁氧体吸波材料性能最佳,它具有吸收频段高、
吸收率高、匹配厚度薄等特点。将这种材料应用于
电子设备中可吸收泄露的电磁辐射,能达到消除电磁干扰的目的。根据电磁波在介质中从低
磁导向高磁导方向传播的规律,利用高磁导率
铁氧体引导电磁波,通过共振,大量吸收电磁波的
辐射能量,再通过耦合把电磁波的
能量转变成热能。
1.3 吸波材料在设计时,要考虑两个问题,1、电磁波遭遇吸波材料表面时,尽可能完全穿过表面,减少反射;2、在电磁波进入到吸波材料内部时,要使电磁波的能量尽量损耗掉;
分类
2.1按吸波材料的损耗机制分类:
(1)、电阻型损耗,此类吸收机制和材料的
导电率有关的电阻性损耗,即导电率越大,
载流子引起的宏观电流(包括电场变化引起的电流以及磁场变化引起的涡流)越大,从而有利于
电磁能转化成为热能。
(2)、
电介质损耗,它是一类和电极有关的
介质损耗吸收机制,即通过介质反复极化产生的“摩擦”作用将电磁能转化成热能耗散掉。
电介质极化过程包括:电子云位移极化,
极性介质电矩转向极化,电铁体电畴转向极化以及壁位移等。
(3)、
磁损耗,此类吸收机制是一类和
铁磁性介质的动态
磁化过程有关的磁损耗,此类损耗可以细化为:
磁滞损耗,旋磁涡流、阻尼损耗以及
磁后效效应等,其主要来源是和
磁滞机制相似的
磁畴转向、磁畴壁位移以及磁畴自然共振等。此外,最新的
纳米材料微波损耗机制是如今吸波材料分析的一大热点。
2.2 按吸波材料的元素分类:
(1)、碳系吸波材料,如:
石墨烯、
石墨、
炭黑、
碳纤维、
碳纳米管;
(2)、铁系吸波材料,如:
铁氧体,
磁性铁纳米材料;
(4)、其他类型的材料,如:
导电聚合物、
手性材料(
左手材料)、
等离子材料;
形状
3.1尖劈形
微波暗室采用的吸收体常做成
尖劈形(金子塔形状),主要由
聚氨酯泡沫型、无纺布难燃型、
硅酸盐板金属膜组装型等。随着频率的降低(波长增长),吸收体长度也大大增加,普通尖劈形吸收体有近似关系式L/λ≈1,所以在100MHz时,尖劈长度达3000mm,不但在工艺上难以实现,而且微波暗室有效可用空间也大为减少。
3.2 单层平板形
国外最早研制成的吸收体就是单层平板形,后来制成的吸收体都是直接贴在金属
屏蔽层上,其厚度薄、重量轻,但工作
频率范围较窄。
3.3 双层或多层平板形
这种吸收体可在很宽的工作频率范围内工作,且可制成任意形状。如日本
NEC公司将铁氧体和金属
短纤维均匀分散在合适的有机高分子树脂中制成
复合材料,工作
频带可拓宽40%~50%。其缺点是厚度大、工艺复杂、成本较高。
3.4 涂层形
在飞行器表面只能用涂层型吸收材料,为展宽频率带,一般都采用复合材料的涂层。如锂镉铁氧体涂层厚度为2.5mm~5mm时,在厘米波段,可衰减8.5dB;
尖晶石铁氧体涂层厚度为2.5mm时,在9GHz可衰减24dB;铁氧体加
氯丁橡胶涂层厚度为1.7mm~2.5mm时,在5GHz~10GHz衰减达30dB左右。
3.5 结构形
将吸收材料掺入
工程塑料使其既具有吸收特性,又具有载荷能力,这是吸收材料发展的一个方向。
如今,为进一步提高吸收材料的性能,国外还发展了几种形状组合的复杂型吸收体。如日本采用该类吸收体制成的微波暗室,其性能为:136MHz,25dB;300MHz,30dB;500MHz,40dB;1GHz~40GHz,45dB。
工程应用
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。
4.1 隐身技术
在飞机、导弹、坦克、舰艇、仓库等各种武器装备和
军事设施上面涂复
吸收材料,就可以吸收侦察电波、衰减反射信号,从而突破敌方雷达的
防区,这是反雷达侦察的一种有力手段,减少
武器系统遭受
红外制导导弹和
激光武器袭击的一种方法。如美国B-1
战略轰炸机由于涂覆了吸收材料,其有效反射截面仅为B-52轰炸机的1/50;在0H-6和AH-1G型
眼镜蛇直升机发动机的
整流罩上涂复吸收材料后可使发动机的
红外辐射减弱90%左右。在1990年的
海湾战争中,美国首批进入
伊拉克境内的F-117A飞机就是涂复了吸收材料的
隐形飞机,它们有效避开了伊拉克的雷达监测。
据悉,
瑞典海军如今研制成功的世界上第一艘
隐形战舰已投入使用,美、英、日、俄等国
均已研制出自己的隐形坦克和其它隐形作战车辆。此外,电磁波吸收材料还可用来隐蔽着落灯等机场
导航设备及其它
地面设备、舰船桅杆、甲板、潜艇的
潜望镜支架和通气管道等设备。
4.2 改善整机电磁兼容性能
飞机机身对
电磁波反射产生的
假信号,可能导致高灵敏
机载雷达假截获或假跟踪;一驾飞机或一艘舰船上的几部雷达同时工作时,雷达收发天线间的
串扰有时十分严重,机上或舰上自带的
干扰机也会干扰自带的雷达或
通信设备……。为减少诸如此类的干扰,国外常用吸收材料优良的
磁屏蔽来提高雷达或通信设备的性能。如在雷达或通信设备机身、天线和周围一切
干扰物上涂复吸收材料,则可使它们更灵敏、更准确地发现敌方目标;在雷达抛物线天线开口的四周壁上涂复吸收材料,可减少副瓣对
主瓣的干扰和增大
发射天线的
作用距离,对
接收天线则起到降低
假目标反射的
干扰作用;在
卫星通信系统中应用吸收材料,将避免
通信线路间的干扰,改善星载通信机和
地面站的灵敏度,从而提高
通信质量。
4.3 RFID天线抗金属隔离应用
此应用主要是利用一类高
磁导率,低损耗型吸波材料的高磁导率特性;使用时,将吸
波片插入13.56MHz回形天线和
金属基板之间, 增加
感生磁场通过吸波材料本身,减少通过金属板的机率,从而减少感生涡流在金属板中产生,进而减少感生磁场的损耗,同时,因为吸波片的插入,实测的
寄生电容也会减少,频率偏移减少,与
读卡器的
共振频率相一致,从而改善读卡距离,当然改善程度取决于吸波材料特性的优良程度.
由于高功率雷达、通信机、
微波加热等设备的应用,防止
电磁辐射或泄漏、保护操作人员的身体健康是一个全新而复杂的课题,吸收材料就可达到这一目的。另外,如今的家用电器普遍存在电磁辐射问题,通过
合理使用吸收材料及其元器件也可有效地加以抑制。
由
吸收体装饰的
壁面构成的空间称为微波暗室。在暗室内可形成等效无反射的
自由空间(无噪音区),从四周反射回来的电磁波要比直射电磁能量小得多,并可忽略不计。微波暗室主要用于雷达或通信天线、导弹、飞机、飞船、卫星等
特性阻抗和
耦合度的测量、宇航员用背肩式
天线方向图的测量以及
宇宙飞船的安装、测试和调整等,这既可消除外界
杂波干扰和提高
测量精度与效率(室内可全天候工作),还可保守秘密。