吸波材料的制备及其研究方法讲解

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1、2016年5月13日 目录 吸波材料研究背景 吸波材料的分类 吸波材料的制备方法 吸波材料与涂料的结合应用 随着科学技术和电子工 业的告诉发展，各种数字化 ，高频化的电子电器设备如 计算机、无线电通讯设备等 不断的普及应用，它们在工 作室的电影迅速变化，向空 间辐射了大量不同波长和频 率的电磁污染（EMI），电 磁污染越来越严重，电磁辐 射已成为继大气污染、水污 染后又一大严重污染。 研究背景 研究背景 军用科技领域，探 测技术(雷达、红外等) 与武器装备的隐身技术 之间的相互斗法，也促 进了宽频带高吸收率吸 波材料的研究。武器方 面，吸波材料和涂料技 术直接的联系也更为紧 密一些。 吸波材料

2、 吸波材料的定义 吸波材料是一种使入射电磁波最大限度地进入到材 料内部，并且能够有效吸收衰减入射电磁波，将其 转化成热能等其它形式的能量而损耗掉或使电磁波 因干涉而消失的一种功能材料。 理想的吸波材料应具有吸收频带宽、质量轻、厚度 薄、机械性能好、使用简便等特点。 薄、轻、宽、强 非隐身材料与隐身材料比较示意图 雷达依据目标反射的电磁波来跟踪目标。根据反射信号的强 弱、方位、时间等信息可计算出敌方目标的方位、运动速度等。 目标的反射信号越强，雷达就越容易探测到目标。雷达隐身材料 （也称吸波材料）能吸收雷达波，使反射波减弱甚至不反射雷达 波，从而达到隐身的目的。吸波材料主要是通过电磁能转化为热

3、能而耗散或者使电磁波因干涉而抵消。 吸波材料的损耗机制大致可以分为以下几类： 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。 分类 吸波材料的损耗机制大致可以分为以下几类： 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。 分类 吸波材料的损耗机制大致可以分为以下几类： 3）磁损耗，此类吸收机

4、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 分类 吸 波 材 料 的 分 类 分类2 涂覆型 涂料(如铁氧体) 结构型 碳纤维骨架和 碳基体（碳粒 、碳化硅粉等 ） 组成的复合材 料 贴片（塑料、橡胶 和陶瓷） 将吸波涂料分散在有机高分子材料的黏结剂中，同时将吸波涂料分散在有机高分子材料的黏结剂中，同时 加入一些其它附加物，采用涂刷或喷涂方法加工，经常温加入一些其它附加物，采用涂刷或喷

5、涂方法加工，经常温 固化形成涂层结构。该涂层适用于复杂曲面形体，且耐候固化形成涂层结构。该涂层适用于复杂曲面形体，且耐候 性及综合机械性能良好。涂敷型吸波材料工艺简单、使用性及综合机械性能良好。涂敷型吸波材料工艺简单、使用 方便、容易调节。方便、容易调节。 涂涂 敷敷 型型 吸吸 波波 材材 料料 (1)(1)铁氧体吸波涂料：铁氧体吸波涂料：是把是把铁氧体铁氧体分散在有机高分子材料的黏分散在有机高分子材料的黏 结剂中，同时还加入一些其它附加物。铁氧体可分为结剂中，同时还加入一些其它附加物。铁氧体可分为尖晶石型尖晶石型 、石榴石型和磁铅石型、石榴石型和磁铅石型。自然共振自然共振是铁氧体吸收电磁波

6、的主要是铁氧体吸收电磁波的主要 机制。自然共振是指铁氧体在不加外恒磁场的情况下，由入射机制。自然共振是指铁氧体在不加外恒磁场的情况下，由入射 的交变磁场和晶体的磁性各向异性等共同作用产生的共振。由的交变磁场和晶体的磁性各向异性等共同作用产生的共振。由 于铁氧体既是磁介质又是电介质，具有于铁氧体既是磁介质又是电介质，具有磁吸收磁吸收和和电吸收电吸收两种功两种功 能，是性能极佳的吸波材料，与其它吸波材料相比，它还具有能，是性能极佳的吸波材料，与其它吸波材料相比，它还具有 体积小、吸波效果好、成本低的特点。但它也具有密度大、高体积小、吸波效果好、成本低的特点。但它也具有密度大、高 温特性差等缺点。温

7、特性差等缺点。 (2)(2)超微磁性金属粉：超微磁性金属粉：磁性金属、合金粉末具有温度稳定性能好磁性金属、合金粉末具有温度稳定性能好 ，磁导率、介电常数大，电磁损耗大，有利于达到阻抗匹配和，磁导率、介电常数大，电磁损耗大，有利于达到阻抗匹配和 展宽吸收频带等优点，是其成吸收材料的主要发展方向。而展宽吸收频带等优点，是其成吸收材料的主要发展方向。而超超 微磁性金属粉材料就是将超细磁性金属粉末与高分子黏结剂复微磁性金属粉材料就是将超细磁性金属粉末与高分子黏结剂复 合而成合而成，可通过多相超细磁性金属粉末的混合比例等调节电磁，可通过多相超细磁性金属粉末的混合比例等调节电磁 参数，达到较为理想的吸波效

8、果。金属微粉吸波材料主要有两参数，达到较为理想的吸波效果。金属微粉吸波材料主要有两 类：一是类：一是羰基金属微粉吸波材料羰基金属微粉吸波材料；二是通过蒸发、还原、有机；二是通过蒸发、还原、有机 醇盐等工艺得到的磁性金属微粉吸波材料。金属微粉吸波材料醇盐等工艺得到的磁性金属微粉吸波材料。金属微粉吸波材料 微波磁导率较高、温度稳定性好，但抗氧化、耐酸碱能力差，微波磁导率较高、温度稳定性好，但抗氧化、耐酸碱能力差， 远不如铁氧体；介电常数较大且频谱特性差，低频段吸收性能远不如铁氧体；介电常数较大且频谱特性差，低频段吸收性能 较差；密度较大。较差；密度较大。 (4)(4)磁纤维吸波涂层：磁纤维吸波涂层

9、：吸波涂层材料中所使用的球状磁性吸收剂很难满足装备吸波涂层材料中所使用的球状磁性吸收剂很难满足装备 对吸波涂层的苛刻要求。由铁、镍、钴及其合金制成的一种对吸波涂层的苛刻要求。由铁、镍、钴及其合金制成的一种多层磁纤维吸波多层磁纤维吸波 涂层涂层，其中纤维可通过多种吸波机制来损耗微波能量，因而可在较宽频带内，其中纤维可通过多种吸波机制来损耗微波能量，因而可在较宽频带内 实现高吸收，且重量可减轻实现高吸收，且重量可减轻40-60%40-60%。其中，多晶铁纤维在微波低频段的吸波。其中，多晶铁纤维在微波低频段的吸波 性能尤为突出。性能尤为突出。 (5)(5)导电高聚物：导电高聚物：导电高聚物导电高聚物

10、具有共轭具有共轭电子的线形或平面形构型与高分子电电子的线形或平面形构型与高分子电 荷转移给络合物的作用，其电导率可在绝缘体、半导体和金属态范围内变化荷转移给络合物的作用，其电导率可在绝缘体、半导体和金属态范围内变化 ，电磁参量依赖于高聚物的主链结构、室温电导率、掺杂剂性质、微观形貌，电磁参量依赖于高聚物的主链结构、室温电导率、掺杂剂性质、微观形貌 、涂层厚度、涂层结构等。、涂层厚度、涂层结构等。 (3)(3)纳米材料：纳米材料：材料组分特征尺寸在材料组分特征尺寸在0.1-100nm0.1-100nm，它具有极好的吸波特性，频，它具有极好的吸波特性，频 带宽、兼容性好、质量小和厚度薄，对电磁波的

11、透射率及吸收率比微米级粉带宽、兼容性好、质量小和厚度薄，对电磁波的透射率及吸收率比微米级粉 体要大得多。体要大得多。 (6)(6)手性吸波材料：手性吸波材料：手性是指一种物质手性是指一种物质与其镜像与其镜像不存在几何对称不存在几何对称 性，且不能通过任何操作使其与镜像重合。而手性吸波涂层是在性，且不能通过任何操作使其与镜像重合。而手性吸波涂层是在 基体树脂中掺和一种或多种具有不同特性参数的手性媒质构成。基体树脂中掺和一种或多种具有不同特性参数的手性媒质构成。 手性材料具有手性材料具有双各向同性双各向同性的特性，其电场与磁场相互耦合。在实的特性，其电场与磁场相互耦合。在实 际应用中主要有两类手性

12、物体：际应用中主要有两类手性物体：本征手性和结构手性物体本征手性和结构手性物体。本征。本征 手性物体本身的几何形状即具有手性，如螺旋线等。目前研究的手性物体本身的几何形状即具有手性，如螺旋线等。目前研究的 吸波手性材料是在基体材料中掺杂吸波手性材料是在基体材料中掺杂手性结构物质手性结构物质形成的结构手性形成的结构手性 复合材料。复合材料。 尽管涂覆型吸波材料已得到广泛应用，但其频带尽管涂覆型吸波材料已得到广泛应用，但其频带 窄、易脱落、涂层厚、比重大、使部件增重大等。近窄、易脱落、涂层厚、比重大、使部件增重大等。近 年来，在涂覆型吸波材料基础上发展了结构型吸波材年来，在涂覆型吸波材料基础上发展

13、了结构型吸波材 料。它既有高的结构强度，又有好的吸波性能，而且料。它既有高的结构强度，又有好的吸波性能，而且 在一些条件下缓冲了厚度与重量上的矛盾。在一些条件下缓冲了厚度与重量上的矛盾。 结构型吸波材料结构型吸波材料 (1)(1)混杂纱吸波复合材料混杂纱吸波复合材料：通过增强纤维之间一定的混杂比例和通过增强纤维之间一定的混杂比例和 结构设计形式制造成的、满足特殊性能要求或综合性能较好的结构设计形式制造成的、满足特殊性能要求或综合性能较好的 复合材料。这种材料具有优良的吸透波性能，又兼具复合材料复合材料。这种材料具有优良的吸透波性能，又兼具复合材料 重量轻、强度大、韧性好等特点。作为制造隐身飞机

14、机身、导重量轻、强度大、韧性好等特点。作为制造隐身飞机机身、导 弹壳体等部件，能大大减少隐身飞行器雷达散射截面。弹壳体等部件，能大大减少隐身飞行器雷达散射截面。 (2)(2)陶瓷型吸波材料：陶瓷型吸波材料：如如SiCSiC纤维、纤维、AlAl 2 2O O3 3 纤维、纤维、SiSi 3 3N N4 4 纤维吸波材纤维吸波材 料等陶瓷型吸波材料能满足在特殊情况下耐高温、高速热气流料等陶瓷型吸波材料能满足在特殊情况下耐高温、高速热气流 冲击的要求。冲击的要求。 (3) (3) C-C C-C 吸波材料吸波材料：能很好的减少红外信号和雷达信号。它具能很好的减少红外信号和雷达信号。它具 有极稳定的化

15、学键，抗高温烧蚀性能好、强度高、韧性大，还有极稳定的化学键，抗高温烧蚀性能好、强度高、韧性大，还 具有优良的吸波性能。缺点是抗氧化性差，在氧化气氛下只能具有优良的吸波性能。缺点是抗氧化性差，在氧化气氛下只能 耐耐400400，涂有，涂有SiCSiC抗氧化涂层的抗氧化涂层的C-CC-C材料抗氧化性能大大提高。材料抗氧化性能大大提高。 以碳基磁性吸波材料的制备为例 吸波材料的制备方法 填充法 向多孔碳材料中填充铁磁流体 首先填充磁性前驱体，随后对前驱体进行还原得到相 应的磁性物质 碳基磁性吸波材料的制备方法 模板法 为了获得高品质的磁性碳基材料，研究者提出了模 板法，即在受限空间内完成碳源的碳化和

16、磁性物质 的形成 常用的模板还包括阳极氧化铝、聚合物和表面活性剂 气相沉积法 CVD法将包含沉积物的气源通入反应室，然后沉积在 基体上形成涂层，是制备一维纳米材料最常用的手段 许多课题组用CVD法制备纳米或微米磁性碳材料，可 将Fe、Co和Ni等磁性金属粒子用碳进行包覆 溶胶凝胶法 该方法常被用来合成金属或金属氧化物与Si的纳米复 合材料。通过类比，研究者用其制备金属或金属氧化 物与碳的混杂复合材料，可以控制产物的尺寸、形状 、结构和性能 溶胶凝胶法基于溶液中前驱体的羟基化和缩合，产物 的质量可以通过改变溶剂、温度、前驱体浓度、pH和 搅拌速率等参数来进行控制 自组装法 是指在没有外部引导的条件下，通过特定的局部反应 ，利用已有的无序系统部件形成有组织的结构 纳米吸波材料 新型吸波材料 等离子体吸波材料 电路模拟吸波材料 新宠：以碳基磁性吸波材料的制备为例 吸波材料与涂料的结合应用 原理 纳米隐身涂料的基本设计原理就是 产生与背景一致的效果。在可见光下，产 生与背景一致的颜色；在电磁波辐照下， 产生与背景一致的反射波谱，使伪装目标 与背景色调亮度一致或改变形状。隐身涂 料