電磁波吸波材料的研究現狀

2016-11-29  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

1.1 電磁波吸收材料

電磁波吸收材料的研究涉及材料科學、電磁場理論、電磁波吸收材料和吸收體理論、計算數學等,隨著材料設計理論和方法的逐漸受到重視,電磁波吸收材料的研究逐漸成為EMC和材料科學中的一個重要分支。從理論上來講EMC技術對電磁波吸收材料的基本要求有兩點:
(1)無反射(既完全吸收);
(2)吸收頻帶盡可能的寬。

尋找無反射吸收材料的新設計方法一直是人們尋求的目的,但吸收材料也同屏蔽材料一樣存在著對電磁波的反射問題。雖然到目前為止人們已經研究了不少的電磁波吸收材料,但是還無法做到無反射吸收。但在實際應用中,電子與電氣設備要求的電磁波吸收材料大都是低反射率的的電磁波吸收材料。

目前國外正在研制和已經實用化的吸波材料和吸波體主要有以下幾種:

(1) 鐵氧體系列吸波材料(鎳鋅鐵氧體、錳鋅鐵氧體、鋇鐵氧體等):由于鐵磁材料的共振吸收和磁導率的頻散效應,鐵氧體材料具有吸收強、頻帶寬的優(yōu)點,被廣泛地應用于各種隱身技術領域。日本NEC公司研究的鐵氧體吸波材料厚度為3.8mm和0.9mm的兩層構成,單位面積質量8kg/m2,衰減-20dB的帶寬為8.5~12.2GHz,衰減-10dB時帶寬為6~13GHz。

(2) 微粉吸波材料:微粉材料(尤其納米吸波材料)由于其奇特的物理化學性質而受到各方面的重視,對電磁波的反射小、吸收高,是一種值得重視的新材料,在超微粉材料的顆粒中表面原子占整個顆粒原子的較大比例,表面原子由于懸掛鍵、空鍵較多,其活性大大增加。當電磁波入射到這類粒子上時,分子、電子的運動加劇,電磁能轉化為熱能的效率高,電磁損耗大,其透射和吸收性能取決于粒度大小,利用這個特點可以實現層間匝配和展寬頻帶的目的。例如,由納米碳化硅纖維為基材制成的電磁波吸收體在8~12GHz的頻率范圍內,達到-15dB吸收的帶寬大于1GHz,經特殊處理過的碳纖維在雷達波段具有較好的應用價值。對于金屬粉如羥基Fe粉、Ni粉、Co粉,其粒徑一般在10~50nm之間,也受到了廣泛的研究,但由于抗氧化等性能較差其應用性受到限制。

(3) 多晶鐵磁性金屬纖維:多晶鐵磁性金屬纖維具有獨特的形狀特征和復合損耗機理(磁損耗和介電損耗),具有重量輕(密度<2kg/m2)、頻帶寬(4~18GHz)和斜入射性能好的優(yōu)點,以及可通過調節(jié)纖維的長度、直徑及排列方式調節(jié)吸波體的電磁參數,是一種值得研究的吸波材料。

(4) ?？朔螓}基視黃脂:像石墨一樣呈黑色,吸波性能優(yōu)于其它材料,而重量只有鐵球吸波材料的1/10。這種材料的吸波頻帶寬,從長波到8mm波段都有效,通過離子位移方式它將電磁波能量全部轉換成熱能,但材料本身的溫升并不明顯。

(5) 電介質陶瓷吸波材料:PZT(鋯鈦酸鉛)、BaTiO3 等電介質材料也具有良好的吸波效果,但吸收帶寬小。

(6) 導電高分子材料:與其它吸波材料相比具有密度小(只有鐵氧體的1/5)的特點,通過摻雜調節(jié)電導率來控制其吸波性能,國外報道在毫米波段具有-10dB和12GHz的帶寬。

(7) 手性吸波材料:它與普通材料相比最大的特點具有手性參數,在其中傳播的電磁波只能是左旋或右旋的圓偏振波,其優(yōu)勢在于調節(jié)手性參數就可以調節(jié)阻抗匹配,并且比調節(jié)μ、ε容易得多;另外,它的頻率敏感性低,易于實現寬頻吸收。該材料實用的技術一旦有所突破,將對EMC技術產生重大影響。

1.2 電磁波吸收體

上述幾類材料是目前所研究和開發(fā)的主要吸收體用材料,然而就目前的研究和生產水平而言,采用單一材料做成吸收體實現寬頻帶的吸收是不現實的,并且無法解決無反射問題。實際應用中一般較少采用單一的材料和直接使用,而是采用電磁波吸收體的形式。

電磁波吸收體是為了取得最佳電磁波吸收效果而結構化的電磁波吸收材料,它可以以商品的形式出現。國際上多采用復合化和結構設計方法來解決某一頻段的吸收問題,并在軍用上最先取得應用,像B-2、YF-22、YF-23等隱形飛機都采用了結構化吸收體。

電磁波吸收體的研究是以吸收材料的研究為基礎,目前已獲得實用化的吸收體結構有:

(1)單層結構:表現為復合材料的單涂層和單層吸收體。

(2)多層結構:由透波層、阻抗匹配層、吸收層以及反射背襯等組成。設計中經常要用到入射波與反射波相互抵消技術,此時雖然會出現相應的吸收峰但其吸收帶寬受到影響。

目前美、日、西歐國家在電磁波吸收體的研究上處于世界領先地位,它們已分別研究出了毫米厚度的民用電磁波吸收體。最先進的吸收體結構是美國用在軍用隱身飛機上的電磁波吸收體結構,這種結構可以在較寬的頻帶內使雷達波的反射降低7~10dB。

我國的吸波材料和電磁波吸收體的實驗室研究開始于80年代,90年代中后期進入較全面的研究階段。相對于國外來講,無論是材料研究和電磁波吸收體的研究方面整體上處于跟蹤和探索階段,但在某些方面上取得了很好的進展,并形成了一些自己的特色。其研究重點大多是某種吸波材料的研究,對于吸收體的設計方法研究相對較少。對于吸收體設計方法的研究主要集中于單層和多層結構的設計上。但是由于材料本身的吸收頻帶寬度、阻抗匹配、粘合劑加入造成吸波特性降低等影響。

總體上來講吸波材料和電磁波吸收體的理論研究和應用研究仍在發(fā)展之中,還沒有形成成熟的理論。電磁波吸收體用于不同的電器產品時,其EMC所需要的頻帶和帶寬可以通過材料改進來實現,最大的問題是阻抗匹配問題。但值得欣慰的是我國不少電器生產廠家已對產品EMC問題日漸關注,并投入力量研究,但是作為商品化的電子產品用電磁波吸收材料的研究尚需加強。

由于歷史的原因,軍用TEMPEST技術發(fā)展在先,民用EMC技術發(fā)展在后,軍用電磁波吸收材料的研究也始終領先于民用電磁波吸收材料的研究,電磁波吸收體的研究也是如此。就整體上來說,由于技術發(fā)展的要求,對電磁波吸收材料的性能和電磁波吸收體的設計提出了更高的要求,單一的材料和結構已不能滿足要求。

對于軍用電磁波吸收材料來講,由單一頻段、窄頻帶材料向多頻段和寬頻帶方向發(fā)展。超微細結構和復合結構成為重要的發(fā)展方向,新型電磁波吸收材料和電磁波吸收結構成為研究熱點。

洛克希德馬丁電波暗室測試F-35

電磁波吸收體不但可以作為吸波材料用于電磁波屏蔽暗室,還可以用于各種電子設備中用于電磁波的吸收和電磁場的設計。電磁波吸收體是電磁波屏蔽暗室必不可少的吸波材料,有角錐狀浸有吸波粉料的復合海綿吸波體,其尺寸與吸波頻率有關,形狀設計是為了電磁波的阻抗匹配,可以滿足30MHz—40GHz頻帶、10—20dB的電磁波吸收率;平板狀、網格狀和雙層型鐵氧體吸波材料,可以滿足30MHz—2GHz頻帶、10dB的電磁波吸收率。電磁波屏蔽暗室用的電磁波吸收體是與暗室的尺寸相適應的,并且為了有效的利用空間也在不斷地減小厚度。

電磁波屏蔽暗室用的電磁波吸收體由于其體積和重量的限制,在民用電子信息產品上無法使用。毫米厚度的電磁波吸收體在軍事上已經取得實戰(zhàn)上的應用,但在民用上因為種種原因發(fā)展比較慢,但是日本和西歐國家已經有厚度為毫米量級的電磁波吸收體展示,國內在這方面的產品還不多見。

另外在實際的電磁泄露防護技術中,還要考慮到具體電路的情況來采用不同的方式。由于電子與電氣設備的電磁干擾以傳導和輻射兩種方式進行,響應EMC技術的也有兩類。(1)傳導,與電源頻率不同的諧波和雜波通過導線傳入電網,并由此對其它設備產生影響并造成信息泄露。傳導的電磁波一般頻率較低,可以通過濾波器的設計來實現抑制。(2)輻射,設備內部的高頻電磁振蕩以波的形式向外輻射,直接對其它設備造成影響。為了降低設備的電磁輻射,一般采用以下幾種方法來抑制:

(1)低輻射電路設計,

(2)設備的屏蔽,包括機箱的屏蔽、接線孔和接縫的屏蔽,

(3)隔離技術,包括設備工作環(huán)境的屏蔽(如美國五角大樓安裝了電磁波屏蔽材料),

(4)電源線和信號線的屏蔽,

(5)電源線和信號線的濾波,

(6)電磁波吸收材料方法。

由于受電路設計技術和成本的限制,許多產品在達不到EMC標準時,需要采用屏蔽和吸波方法。屏蔽和吸波的目的都是將電磁波局限在某一個區(qū)域內,所不同的是屏蔽主要利用導電材料對電磁波的反射作用來限制電磁波的傳播。一般需要將整個輻射源全部屏蔽,否則的話會出現一個方向減弱,而其它方向增加的現象。

吸波則是利用材料對電磁波的吸收,使電磁波的電磁場能轉變?yōu)槠渌问降哪?一般是轉變?yōu)闊崮?。電磁波吸收材料不要求具有高導電性,在設備中應用起來相對容易,使用技術要求也就低一些。EMC材料的研究目前主要集中在屏蔽材料,對電磁波吸收材料和吸收體的研究相對較少。實際上電磁波吸收材料和吸收體在EMC技術上具有屏蔽材料等技術所不可代替的作用,目前正在成為EMC學科發(fā)展的一個熱點。

然而,實用化的電磁波吸收材料除了對材料的性能有具體的要求之外,也有使用環(huán)境對材料提出的具體要求,例如使用溫度和使用尺寸,這些都是電磁波吸收材料實用化必須要解決的問題,也是今后一個階段的研究目標。

電磁波吸收材料的研究開始于軍用TEMPEST技術,并在軍用隱形飛機、隱形軍艦、隱形軍車和隱形工事等方面得到了廣泛的應用,成為電子戰(zhàn)中信息對抗的一項重要技術,一直受到各國的高度重視。

由于民用產品EMC技術的進步和標準的不斷制定和執(zhí)行,民用EMC技術和產品也受到越來越多的重視。尤其是商業(yè)上等方面的保密性,對電磁波吸收材料有強烈的需求。電磁波吸收材料除了可以消除雷達虛象和重影外,可以用于電視重影的消除、大型商業(yè)樓的電磁信息防泄露和民用電子產品的EMC,也可以用于電磁環(huán)境的操作人員的身體健康保護。

在電磁波吸收材料研究上,一方面提高現有材料的性能、設計各種不同類型吸波體結構,另一方面也在加緊研制新型電磁波吸收材料。目前上面提到的各種電磁波吸收材料由于種種原因,例如厚度、比重、抗老化性能、吸收帶寬等方面的問題,在民用EMC產品市場應用還不夠,同時也具有重要的發(fā)展前景。

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