电磁吸波材料的研究现状与发展趋势

随着电子设备在军事、通讯、医疗、交通等领域的广泛应用,电磁干扰和电磁辐射问题日益加剧。电磁吸波材料可以将进入材料内部的电磁波能量转化为热能或其他形式的能量耗散掉,是一种直接有效的电磁污染防控手段。因此,国内外研究者围绕高性能吸波材料的开发及应用投入了大量研究。结合国内外研究现状对电磁吸波材料的吸收理论进行了简要概述,并对吸波材料的分类进行了总结归纳,重点探讨了吸波材料结构设计对电磁波吸收性能提升的作用机制,最后从吸波材料应用的“兼容化、复合化、智能化、环保化”方面对其发展趋势进行了展望,旨在为新型及高性能吸波材料的开发提供研究思路和理论依据。     

吸波材料优化匹配的理论分析

为了研究电磁参数和涂层的厚度对单/双层吸波材料的吸收性能的影响,以期制备出具有良好的电磁匹配特征的吸波材料,利用通过单/双层吸波涂层内电磁波传播的理论机制,计算机模拟技术,分析了涂层厚度、电磁参数及频率变化对材料的电磁波吸收性能影响的规律.同时提出了双层吸波材料设计中厚度匹配和阻抗匹配等基本原则.结果显示,随着厚度的增加,吸波材料对电磁波的吸收峰向低频移动,并且相继出现多个吸收峰.当电磁匹配常数M=0.25时,涂层材料展现了很好的吸波性能.对于双层吸波材料,阻抗渐变原则和厚度匹配规律直接影响到其吸收性能.     

电磁屏蔽机理及涂敷/结构型吸波复合材料研究进展

电子产品和通讯技术快速发展造成的电磁污染日益严重,既危害人体健康和仪器仪表精度,又会造成信息泄露、失去安全保障等.因此,电磁屏蔽技术为直接有效的防控措施之一,通过衰减甚至完全消除电磁波来阻止电磁波的传递.电磁屏蔽机理包括电磁波反射和电磁波吸收两个方面,科学地设计制备出高性能的吸波复合材料已成为研究的热点问题之一.研究结果表明,电磁波衰减不仅需要吸波材料自身较好的电磁损耗性能,更需电磁波能够基于自由空间与基体材料间具有阻抗匹配特性,有效进入吸波材料内部,使电磁波能被吸波剂高效吸收.通常,按照制备工艺划分,吸波复合材料可分为涂敷型和结构型吸波复合材料两大类.前者是将吸波剂与涂料、粘合剂等充分混合后涂敷于元件表面作为吸波涂层,而后者则是以吸波剂作为功能载体,具有优良物理化学特性的材料作为基体,并与功能载体产生协同或增强作用的新型吸波复合材料.本文通过对电磁屏蔽理论及吸波材料的本征特性进行系统的总结归纳,并基于相关理论基础对涂敷/结构型吸波复合材料进行简要综述,对比不同类型吸波材料的吸波性能,探讨涂敷/结构型吸波复合材料未来发展的制约因素及今后发展前景,为开发新型吸波复合材料提供理论支撑和研究思路.     

吸收剂颗粒界面效应对电磁波吸收性能影响的理论研究

针对含夹杂颗粒的电磁吸波复合材料,探讨了颗粒界面对电磁波吸波性能的影响.首先给出了表征电磁波吸收层吸波性能的场强反射率及其功率反射率的计算公式,在此基础上结合颗粒夹杂复合吸波材料含界面效应的等效介电常数和等效磁导率的预测公式与电磁波吸波层的功率反射率的基本理论,给出了电磁波吸收层的功率反射率与颗粒尺寸,以及颗粒界面效应之间的关系.进而从数值角度展示了颗粒界面效应与电磁波吸收的最佳频率和电磁波吸收层厚度的影响,以及颗粒界面对电磁波功率反射率的尺度效应等.分析结果表明,当电磁波吸收剂的颗粒尺寸较小时,颗粒界面效应对电磁波功率反射率的影响是明显的.     

λ／4介电型吸波体材料参数的优化设计

λ／4型电磁波吸收体以其结构简单,易于制备和吸收效果好等优点被广泛关注,因此其性能设计至关重要。本文根据电磁波吸收理论提出简化K值设计法,并深入探讨了λ／4型吸波体电磁参数的选择原则和优化设计方法。     

电磁屏蔽机理及轻质宽频吸波材料的研究进展

随着智能通信系统、无线网络设备、电子探测设备等技术的发展,空间电磁波辐射对仪器设备的影响不断增大,电磁波屏蔽技术在电磁兼容(EMC)、抗电磁干扰(EMI)设计、飞行器隐身等方面有了越来越广泛的应用。目前,以铁氧体、碳化硅、石墨为代表的传统吸波材料普遍存在着吸收频带窄、吸收性能弱等缺点,一般通过掺杂改性的方法来提高其吸波性能,但得到的吸波层厚度较大,吸波效果不够理想,同时增加了设备质量,也无法达到飞行器减重的目的。近年来,以纳米吸波材料、复合型导电聚合物、石墨烯吸波材料以及超材料为代表的新型轻质宽频吸波材料得到了越来越多的关注。电磁波屏蔽机理主要基于电磁波的反射与吸收,大量的研究结果表明,与电磁波能量衰减相关的参量,如吸收频率、吸收厚度和吸收带宽,与吸波材料的成分和微观结构有着密切的联系。为了得到轻质宽频电磁波吸收材料,一方面电磁波应通过介质表面尽可能多地进入到材料内部,这需要材料具有良好的空间阻抗匹配性;另一方面,进入到材料内部的电磁波应尽可能多地衰减,转化成热能或其他形式的能量,这需要吸波材料具有较高的电损耗或磁损耗。铁氧体吸波材料在低频下具有良好的阻抗匹配性,但在高频波段,磁滞效应和涡流效应都随之减弱,可以通过元素掺杂、制备纳米材料或表面处理技术来改善其吸波性能。金属磁性材料由于晶格结构比铁氧体简单,且没有铁氧体中磁性次格子磁矩的相互抵消,理论电磁波吸收值高于铁氧体,纳/微米结构金属磁性材料成为新一代轻质宽频吸波材料。导电聚合物作为吸波材料可以使产品的质量极大降低,通过改性的方法使其具备可调的电导率和介电常数,而添加金属、金属氧化物或碳纤维能够有效提高导电聚合物的阻抗匹配性。碳基电磁波屏蔽材料具有质轻、耐腐蚀和易加工等优点,石墨烯吸波材料通过改进其自然共振、异质结构界面、电磁耦合来增强电磁损耗,成为轻型超薄吸波材料的代表。超材料吸波结构通过对组成单元的结构和排布控制,在较宽频率范围内实现了对电磁波的吸收。轻质宽频吸波材料不仅具有重要的军事应用价值,在民用电磁干扰防护方面也具有广阔的应用前景。本文从不同的电磁屏蔽机理及材料本征特性出发,对不同种类的新型宽频吸波材料进行了综述,研究了不同吸波体的电磁波吸收性能与微观结构的关系,对实现其轻质宽频吸收的作用机理进行了介绍,为制备性能优异的吸波材料提供了理论技术支持,为发展新一代高性能电磁波吸收材料提供了研究思路。     

Fe-Co合金和中空碳纤维吸波材料的吸波特性研究

采用矢量网络分析仪测试了Fe-Co合金/石蜡和中空碳纤维/石蜡复合材料的微波电磁参数,并用电磁参数模拟计算了单层吸波材料的反射率.根据电磁波在损耗媒质中的传播规律,分析了2种吸波材料的吸收机理以及本征阻抗和衰减特性对吸波性能的影响.结果表明,Fe-Co合金吸波材料为吸收损耗型吸泼材料,阻抗越大、衰减越强,吸波性能越好;而中空碳纤维吸波材料则是干涉型吸波材料,需要适当大小的阻抗和衰减才能满足强吸收的条件,且吸收带宽相对较窄.     

羰基铁/三元乙丙橡胶复合材料的吸波性能

为了探明吸波材料的厚度、吸收剂的含量与吸波性能之间的关系,以羰基铁为吸收剂、三元乙丙橡胶为基体制备了复合橡胶吸波材料,采用矢量网络分析仪研究了在2.6~18 GHz范围内羰基铁含量和吸波材料厚度对吸波性能的影响,并利用电磁理论分析了吸波材料的吸波性能.对于3 mm吸波材料,当羰基铁体积分数为45%时,在3.5 GHz处其反射率的最小值达-21.7 dB;在羰基铁含量一定的条件下,微波吸收性能与吸波材料的厚度并不成正比关系,当厚度<2 mm时,吸波材料的吸波效果较差;当厚度>2 mm时,随着吸波材料厚度的增加,最大吸收峰的位置向低频移动,并且最大吸收峰的峰值和指定反射率的频率带宽也呈减小的趋势.在相同厚度下,随着羰基铁含量的增加,吸波材料在电磁波吸收峰处的反射率不断减小,而且吸波材料吸收峰的位置也向低频移动;输入阻抗与空气阻抗越接近,吸波材料的吸波性能越好.     

介电型电磁波吸收体元反射曲线的扩展与重建

介电型电磁波吸收体的无反射曲线一直是设计高性能吸波材料的重要依据.但传统的无反射曲线仅仅可用于单层材料,无法实现谐振型电磁波吸收体的设计.通过对λ/4型电磁波吸收体理论研究发现:λ/4型电磁波吸收体也可建立起无反射曲线.其特性与表面电阻等参数相关,且更为普适,是传统无反射曲线的扩展,而传统的无反射曲线演化为只是它的一个...     

内嵌金属周期结构的宽频复合吸波材料

采用羰基铁粉/高密度聚乙烯(CIP/HDPE)和碳纳米管/高密度聚乙烯(CNTs/HDPE)2种复合材料构造了复合层叠微波吸收材料,对其物理特性、吸波性能进行了电磁仿真和实验研究。结果表明,不同吸波机理材料叠加能拓展吸波频段宽度,但最终效果受电磁波传输机理制约。文中进一步提出利用激光直接成型(LDS)技术将高精度、高清晰度的金属周期结构(超材料)嵌入到层叠吸波材料内部,利用金属超材料的"带通"和"带阻"特性实现电磁波在吸波材料中分频段传播和吸收,从而拓展吸收带宽。利用数字仿真技术证明了利用金属超材料实现频段分离的可行性。在微波暗室中采用弓形法进行反射率测试,厚度3 mm内嵌超材料的复合吸波材料在6.6～18 GHz频带内微波吸收在90%以上,是高性能的超薄超宽频吸波材料。     

Electromagnetic wave absorption potential of SiC-based ceramic woven fabrics in the GHz range

This article investigates the electromagnetic wave-absorbing properties of SiC-based ceramic woven fabrics. The electrical conductivity of ceramic woven fabrics was modified by heat treatment in air, resulting in oxidation, and the electromagnetic wave absorption potential of single- and double-layer ceramic woven fabrics were determined in the 17–40 GHz frequency range using the free-space method. The absorption potentials of ceramic woven fabrics of different chemical composition and weave were correlated with their material properties through X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and electrical resistance measurement. The effect of the different arrangements of fabrics in multilayer forms, and how oxidation affects the electromagnetic wave absorption potential of the fabrics are discussed. Various double-layer combinations of SiC-based woven fabrics revealed promising potentials for both reduced reflection and transmission, resulting in ~90% absorption in the GHz range, which makes them powerful candidate materials for electromagnetic wave absorption applications.     

SiC吸收剂电磁参数及吸波性能研究

采用HP-8510B微波矢量网络分析仪测试了超细SiC、SiC晶须和纳米SiC的电磁参数,并对三者的电磁参数进行了比较,结果表明粒径较小的纳米SiC的电磁参数在大部分所测试频段上均高于其余二者.根据电磁波传输线理论计算了3种SiC吸收剂的反射率曲线,发现纳米SiC的吸波性能明显优于超细SiC和SiC晶须.纳米SiC吸收剂的吸收峰随着厚度的增加而增大,谐振频率随着厚度的增加而向低频转移.纳米SiC吸收剂在涂层厚度为5.0mm时,吸收峰值可达-8.45dB,谐振频率为7.12GHz,小于-5dB的频宽为1.8GHz.     

基于石墨烯的电磁波损耗材料研究进展

随着军事装备隐身伪装需求的迅速增长, 石墨烯基电磁波损耗材料成为科学研究的热点。本文总结了石墨烯基电磁波损耗材料的研究进展, 详细介绍了石墨烯与其它碳系材料、金属纳米材料、铁氧体材料、导电高聚物材料及非金属材料复合而成的二元、三元及以上多元石墨烯基电磁波损耗材料。简要阐述了电磁波损耗机理, 着重讨论了石墨烯基电磁波损耗材料的微观结构、组分数量及不同损耗机制对吸波性能的影响, 展望了石墨烯基电磁波损耗材料的研究重点和发展方向。     

硅烷偶联剂改性纳米镍粉及其电磁性能研究

使用稀盐酸处理纳米镍粉表面的氧化层,然后用硅烷偶联剂(KH-550)对纳米镍粉表面进行改性,采用活性指数、红外光谱等手段对改性后粉体进行了表征;并通过矢量网络分析仪,利用同轴波导的方法对粒子进行了电磁参数的测定.将实验所得到的电磁参数数据通过计算机模拟转化成材料对电磁波功率损耗值.结果表明,稀盐酸可以去除纳米镍粉表面氧化层;用5%(质量分数)硅烷偶联剂改性纳米镍粉能够显著提高纳米镍粉在有机介质中的分散性,提高了电磁波吸收性能.     

核壳椭球微粒的吸波特性分析

基于离散偶极子近似方法，分析了核壳椭球微粒的电磁波吸收特性，给出了在电磁波波长与微粒粒径不同比例情形下，核壳椭球结构微粒的外壳厚度的变化对电磁波散射和吸收特性的影响，并讨论了椭球微粒形状变化（趋于针形）对吸波效果的影响。     

Co-Ni@N-C/多孔碳复合材料的制备及电磁特性

以制备的多孔碳为基材,采用热还原法通过原位生长制备轻质化Co-Ni@N-C/多孔碳复合材料,研究了多孔碳的添加量对样品电磁波吸收性能的影响。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)对样品的相结构、组分和微观形貌进行表征。通过矢量网络分析仪对样品在2～18 GHz频段内的电磁参数进行测试,并根据传输线理论分析了样品的电磁波吸收性能。结果表明：以多孔碳为基材制备的Co-Ni@N-C/多孔碳样品,当多孔碳含量占原材料总质量的2.7%时,样品具有良好的电磁波吸收性能,最大反射损耗值为-57.74 dB(15.12 GHz, 2.35 mm),最大有效吸收带宽为5.14 GHz(12.86～18 GHz, 2.25 mm),基本覆盖整个Ku波段。     

纳米Ni粉的表面改性及电磁波吸收性能研究

使用稀盐酸处理纳米镍粉表面的Ni2O3,然后用十二烷基苯磺酸钠(SDBS)对纳米镍粉表面进行改性,采用活性试验、红外光谱、热分析等手段对改性后的粉体进行了表征,并通过矢量网络分析仪,利用同轴波导的方法对粒子进行了电磁参数的测定.将试验所得到的电磁参数数据通过计算机模拟转化成材料对电磁波功率损耗值.结果表明,稀盐酸可以去除纳米镍粉表面氧化层;用4%十二烷基苯磺酸钠(SDBS)改性纳米镍粉能够显著提高纳米镍粉在有机介质中的分散性,提高了电磁波吸收性能.     

轻质核壳结构吸波材料的研究进展

随着现代科技的发展,电磁波辐射对人类的影响越来越大,在电子电路中释放的电磁波会破坏其他设备的性能并且损害人体健康,因此吸波材料的研究显得尤为重要。此外,具有优良电磁性能的复合吸波材料还可以用于制备飞行器隐身材料。这是因为高强度的微波吸收材料具有良好的介电损耗和磁性损耗,同时具有优越的阻抗匹配,而核壳结构的吸波材料是复合吸波材料中较为理想的材料。本文详细介绍了核壳结构吸波材料的合成方法,并根据核壳结构材料的分类及具体应用,阐述了近年来国内外核壳结构吸波材料的最新研究进展。     

Complex Electromagnetic Parameters and Microwave Absorption Properties of Iron Nanochain/Carbon Nanotube Composite Materials

Journal of Superconductivity and Novel Magnetism - The relationship between impedance matching conditions, complex electromagnetic (EM) parameters, and EM wave absorption performances of iron...