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吸波材料

吸波材料,指能吸收投射到它表面的电磁波能量的一类材料。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。

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。

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。

吸波材料的损耗机制大致可以分为以下几类:

其一,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。

其二,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。

其三,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。

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、硅酸盐板金属尖劈形吸波材料膜组装型等。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。

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。

2.3 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。

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。

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:136MHz25dB;300MHz30dB;500MHz,40dB;1GHz~40GHz,45dB

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。

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战略轰炸机由于涂复了吸收材料,其有效反射截面仅为B-52轰炸机的1/50;0H-6AH-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。

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。

RFID天线抗金属隔离应用  此应用主要是利用一类高磁道率,低损耗型吸波材料的高磁道率特性;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,减少通过金属板的几率, 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。

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