吸波材料的制備及其研究方法.ppt

2016年5月13日 吸波材料的制備方法及應(yīng)用 目錄 吸波材料研究背景吸波材料的分類(lèi)吸波材料的制備方法吸波材料與涂料的結(jié)合應(yīng)用 隨著科學(xué)技術(shù)和電子工業(yè)的告訴發(fā)展 各種數(shù)字化 高頻化的電子電器設(shè)備如計(jì)算機(jī) 無(wú)線電通訊設(shè)備等不斷的普及應(yīng)用 它們?cè)诠ぷ魇业碾娪把杆僮兓?向空間輻射了大量不同波長(zhǎng)和頻率的電磁污染 EMI 電磁污染越來(lái)越嚴(yán)重 電磁輻射已成為繼大氣污染 水污染后又一大嚴(yán)重污染 研究背景 研究背景 軍用科技領(lǐng)域 探測(cè)技術(shù) 雷達(dá) 紅外等 與武器裝備的隱身技術(shù)之間的相互斗法 也促進(jìn)了寬頻帶高吸收率吸波材料的研究 武器方面 吸波材料和涂料技術(shù)直接的聯(lián)系也更為緊密一些 吸波材料 吸波材料的定義 吸波材料是一種使入射電磁波最大限度地進(jìn)入到材料內(nèi)部 并且能夠有效吸收衰減入射電磁波 將其轉(zhuǎn)化成熱能等其它形式的能量而損耗掉或使電磁波因干涉而消失的一種功能材料 理想的吸波材料應(yīng)具有吸收頻帶寬 質(zhì)量輕 厚度薄 機(jī)械性能好 使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn) 薄 輕 寬 強(qiáng) 非隱身材料與隱身材料比較示意圖 雷達(dá)依據(jù)目標(biāo)反射的電磁波來(lái)跟蹤目標(biāo) 根據(jù)反射信號(hào)的強(qiáng)弱 方位 時(shí)間等信息可計(jì)算出敵方目標(biāo)的方位 運(yùn)動(dòng)速度等 目標(biāo)的反射信號(hào)越強(qiáng) 雷達(dá)就越容易探測(cè)到目標(biāo) 雷達(dá)隱身材料 也稱(chēng)吸波材料 能吸收雷達(dá)波 使反射波減弱甚至不反射雷達(dá)波 從而達(dá)到隱身的目的 吸波材料主要是通過(guò)電磁能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散或者使電磁波因干涉而抵消 吸波材料的損耗機(jī)制大致可以分為以下幾類(lèi) 1 電阻型損耗 此類(lèi)吸收機(jī)制和材料的導(dǎo)電率有關(guān)的電阻性損耗 即導(dǎo)電率越大 載流子引起的宏觀電流 包括電場(chǎng)變化引起的電流以及磁場(chǎng)變化引起的渦流 越大 從而有利于電磁能轉(zhuǎn)化成為熱能 分類(lèi) 吸波材料的損耗機(jī)制大致可以分為以下幾類(lèi) 2 電介質(zhì)損耗 它是一類(lèi)和電極有關(guān)的介質(zhì)損耗吸收機(jī)制 即通過(guò)介質(zhì)反復(fù)極化產(chǎn)生的 摩擦 作用將電磁能轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉 電介質(zhì)極化過(guò)程包括 電子云位移極化 極性介質(zhì)電矩轉(zhuǎn)向極化 電鐵體電疇轉(zhuǎn)向極化以及壁位移等 分類(lèi) 吸波材料的損耗機(jī)制大致可以分為以下幾類(lèi) 3 磁損耗 此類(lèi)吸收機(jī)制是一類(lèi)和鐵磁性介質(zhì)的動(dòng)態(tài)磁化過(guò)程有關(guān)的磁損耗 此類(lèi)損耗可以細(xì)化為 磁滯損耗 旋磁渦流 阻尼損耗以及磁后效效應(yīng)等 其主要來(lái)源是和磁滯機(jī)制相似的磁疇轉(zhuǎn)向 磁疇壁位移以及磁疇自然共振等 此外 最新的納米材料微波損耗機(jī)制是如今吸波材料分析的一大熱點(diǎn) 分類(lèi) 吸波材料的分類(lèi) 分類(lèi)2 貼片 塑料 橡膠和陶瓷 將吸波涂料分散在有機(jī)高分子材料的黏結(jié)劑中 同時(shí)加入一些其它附加物 采用涂刷或噴涂方法加工 經(jīng)常溫固化形成涂層結(jié)構(gòu) 該涂層適用于復(fù)雜曲面形體 且耐候性及綜合機(jī)械性能良好 涂敷型吸波材料工藝簡(jiǎn)單 使用方便 容易調(diào)節(jié) 涂敷型吸波材料 1 鐵氧體吸波涂料 是把鐵氧體分散在有機(jī)高分子材料的黏結(jié)劑中 同時(shí)還加入一些其它附加物 鐵氧體可分為尖晶石型 石榴石型和磁鉛石型 自然共振是鐵氧體吸收電磁波的主要機(jī)制 自然共振是指鐵氧體在不加外恒磁場(chǎng)的情況下 由入射的交變磁場(chǎng)和晶體的磁性各向異性等共同作用產(chǎn)生的共振 由于鐵氧體既是磁介質(zhì)又是電介質(zhì) 具有磁吸收和電吸收兩種功能 是性能極佳的吸波材料 與其它吸波材料相比 它還具有體積小 吸波效果好 成本低的特點(diǎn) 但它也具有密度大 高溫特性差等缺點(diǎn) 2 超微磁性金屬粉 磁性金屬 合金粉末具有溫度穩(wěn)定性能好 磁導(dǎo)率 介電常數(shù)大 電磁損耗大 有利于達(dá)到阻抗匹配和展寬吸收頻帶等優(yōu)點(diǎn) 是其成吸收材料的主要發(fā)展方向 而超微磁性金屬粉材料就是將超細(xì)磁性金屬粉末與高分子黏結(jié)劑復(fù)合而成 可通過(guò)多相超細(xì)磁性金屬粉末的混合比例等調(diào)節(jié)電磁參數(shù) 達(dá)到較為理想的吸波效果 金屬微粉吸波材料主要有兩類(lèi) 一是羰基金屬微粉吸波材料 二是通過(guò)蒸發(fā) 還原 有機(jī)醇鹽等工藝得到的磁性金屬微粉吸波材料 金屬微粉吸波材料微波磁導(dǎo)率較高 溫度穩(wěn)定性好 但抗氧化 耐酸堿能力差 遠(yuǎn)不如鐵氧體 介電常數(shù)較大且頻譜特性差 低頻段吸收性能較差 密度較大 4 磁纖維吸波涂層 吸波涂層材料中所使用的球狀磁性吸收劑很難滿足裝備對(duì)吸波涂層的苛刻要求 由鐵 鎳 鈷及其合金制成的一種多層磁纖維吸波涂層 其中纖維可通過(guò)多種吸波機(jī)制來(lái)?yè)p耗微波能量 因而可在較寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)高吸收 且重量可減輕40 60 其中 多晶鐵纖維在微波低頻段的吸波性能尤為突出 5 導(dǎo)電高聚物 導(dǎo)電高聚物具有共軛 電子的線形或平面形構(gòu)型與高分子電荷轉(zhuǎn)移給絡(luò)合物的作用 其電導(dǎo)率可在絕緣體 半導(dǎo)體和金屬態(tài)范圍內(nèi)變化 電磁參量依賴(lài)于高聚物的主鏈結(jié)構(gòu) 室溫電導(dǎo)率 摻雜劑性質(zhì) 微觀形貌 涂層厚度 涂層結(jié)構(gòu)等 3 納米材料 材料組分特征尺寸在0 1 100nm 它具有極好的吸波特性 頻帶寬 兼容性好 質(zhì)量小和厚度薄 對(duì)電磁波的透射率及吸收率比微米級(jí)粉體要大得多 6 手性吸波材料 手性是指一種物質(zhì)與其鏡像不存在幾何對(duì)稱(chēng)性 且不能通過(guò)任何操作使其與鏡像重合 而手性吸波涂層是在基體樹(shù)脂中摻和一種或多種具有不同特性參數(shù)的手性媒質(zhì)構(gòu)成 手性材料具有雙各向同性的特性 其電場(chǎng)與磁場(chǎng)相互耦合 在實(shí)際應(yīng)用中主要有兩類(lèi)手性物體 本征手性和結(jié)構(gòu)手性物體 本征手性物體本身的幾何形狀即具有手性 如螺旋線等 目前研究的吸波手性材料是在基體材料中摻雜手性結(jié)構(gòu)物質(zhì)形成的結(jié)構(gòu)手性復(fù)合材料 盡管涂覆型吸波材料已得到廣泛應(yīng)用 但其頻帶窄 易脫落 涂層厚 比重大 使部件增重大等 近年來(lái) 在涂覆型吸波材料基礎(chǔ)上發(fā)展了結(jié)構(gòu)型吸波材料 它既有高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 又有好的吸波性能 而且在一些條件下緩沖了厚度與重量上的矛盾 結(jié)構(gòu)型吸波材料 1 混雜紗吸波復(fù)合材料 通過(guò)增強(qiáng)纖維之間一定的混雜比例和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式制造成的 滿足特殊性能要求或綜合性能較好的復(fù)合材料 這種材料具有優(yōu)良的吸透波性能 又兼具復(fù)合材料重量輕 強(qiáng)度大 韌性好等特點(diǎn) 作為制造隱身飛機(jī)機(jī)身 導(dǎo)彈殼體等部件 能大大減少隱身飛行器雷達(dá)散射截面 2 陶瓷型吸波材料 如SiC纖維 Al2O3纖維 Si3N4纖維吸波材料等陶瓷型吸波材料能滿足在特殊情況下耐高溫 高速熱氣流沖擊的要求 3 C C吸波材料 能很好的減少紅外信號(hào)和雷達(dá)信號(hào) 它具有極穩(wěn)定的化學(xué)鍵 抗高溫?zé)g性能好 強(qiáng)度高 韌性大 還具有優(yōu)良的吸波性能 缺點(diǎn)是抗氧化性差 在氧化氣氛下只能耐400 涂有SiC抗氧化涂層的C C材料抗氧化性能大大提高 以碳基磁性吸波材料的制備為例 吸波材料的制備方法 填充法 向多孔碳材料中填充鐵磁流體 首先填充磁性前驅(qū)體 隨后對(duì)前驅(qū)體進(jìn)行還原得到相應(yīng)的磁性物質(zhì) 碳基磁性吸波材料的制備方法 模板法 為了獲得高品質(zhì)的磁性碳基材料 研究者提出了模板法 即在受限空間內(nèi)完成碳源的碳化和磁性物質(zhì)的形成 常用的模板還包括陽(yáng)極氧化鋁 聚合物和表面活性劑 氣相沉積法 CVD法將包含沉積物的氣源通入反應(yīng)室 然后沉積在基體上形成涂層 是制備一維納米材料最常用的手段 許多課題組用CVD法制備納米或微米磁性碳材料 可將Fe Co和Ni等磁性金屬粒子用碳進(jìn)行包覆 溶膠凝膠法 該方法常被用來(lái)合成金屬或金屬氧化物與Si的納米復(fù)合材料 通過(guò)類(lèi)比 研究者用其制備金屬或金屬氧化物與碳的混雜復(fù)合材料 可以控制產(chǎn)物的尺寸 形狀 結(jié)構(gòu)和性能 溶膠凝膠法基于溶液中前驅(qū)體的羥基化和縮合 產(chǎn)物的質(zhì)量可以通過(guò)改變?nèi)軇?溫度 前驅(qū)體濃度 pH和攪拌速率等參數(shù)來(lái)進(jìn)行控制 自組裝法 是指在沒(méi)有外部引導(dǎo)的條件下 通過(guò)特定的局部反應(yīng) 利用已有的無(wú)序系統(tǒng)部件形成有組織的結(jié)構(gòu) 納米吸波材料 新型吸波材料 等離子體吸波材料 電路模擬吸波材料 新寵 以碳基磁性吸波材料的制備為例 吸波材料與涂料的結(jié)合應(yīng)用 原理納米隱身涂料的基本設(shè)計(jì)原理就是產(chǎn)生與背景一致的效果 在可見(jiàn)光下 產(chǎn)生與背景一致的顏色 在電磁波輻照下 產(chǎn)生與背景一致的反射波譜 使偽裝目標(biāo)與背景色調(diào)亮度一致或改變形狀 隱身涂料還應(yīng)該防止鏡面反射 涂料均為無(wú)光或平光 光澤最好在10 以下 納米隱身涂料分類(lèi)納米隱身涂料以其適用范圍分為 防可見(jiàn)光隱身涂料 防紅外線隱身涂料 防紫外線隱身涂料 防雷達(dá)波隱身涂料 防激光探測(cè)隱身涂料 以及防紅外線 可見(jiàn)光 雷達(dá)波等多種譜段隱身涂料 納米隱身涂料的發(fā)展趨