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          衡陽市金則利特種合金股份有限公司

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      4. 磁性吸波材料的基本原理和類型
        發布時間:2014-12-30 來源:本站 點擊數:221
        1、前沿
          隱身技術是一門新興邊緣科學,涉及多個學科與技術領域,應用十分廣泛。從各種武器裝備、飛行器的隱身到現代電子信息設備的抗干擾系統都是不可缺少的實用技術和組成部分。
          就武器而言,隱身技術是通過降低電器、武器或飛行器的光、電、熱可探性而達到隱身目的的一種技術;或者說是采用多種技術措施,降低對外來信號(光、電、磁波、紅外線等)的反射,使反射信號與它所處的背景信號難以區別,最大限度地減弱自身的特征信號,以達到自身隱蔽的效果。隱身技術可分為有源隱身技術和無源隱身技術。所謂有源是利用計算機分析外來探測信號,并及時主動發射相應的干擾信號,以達到自身的隱蔽。而無源隱身技術是一種被動隱身技術,它包括隱身結構技術和隱身材料技術。隱身結構技術是在盡量不影響功能的條件下降低自身特征信號,并設法減少雷達反射截面積,這在軍事上顯得特別重要??梢婋[身結構技術和隱身材料技術是隱身技術不可分割的兩部分,而隱身材料在實現隱身中起著重要作用,也是研究隱身技術的主要內容之一。
          隨著電子技術的飛速發展,電子產品特別是移動通訊、計算機、家用電器的普及,人們生存環境遭受到電磁波嚴重污染,城市高層建筑的增多又引起電子環境的惡化,如何降低電磁波干擾已成為全世界電子行業普遍關注的問題。隱身材料也是解決電子產品抗電磁干擾的有效方法之一。
          隱身材料又稱之為吸波材料,其作用把外來的電磁波能量轉換為熱能,降低反射波的強度,達到隱身或抗干擾的效果。按吸波材料損耗機理可分為:電阻型、電介質型和磁介質型。為了達到最佳的隱身效果,常常把多種吸波材料結合起來,構成復合型吸波材料,廣泛用于雷達、航天、微波通訊及電子對抗、電子兼容的吸收屏蔽等領域。
          2 磁性吸波材料
          2.1 吸波材料工作的基本原理
          所謂吸波就是吸收電磁波,吸波材料的工作基本原理是 :
          對于一般材料,材料的介電常數ε與磁導率μ可寫成以下復數形式:
          ε*=ε′-jε′′  μ*=μ′-jμ′ ′ (1)
          式中:ε′和μ′分別為吸波材料在電場或磁場作用下產生的極化和磁化強度的變量,而ε"為在外加磁場作用下,材料電偶矩產生重排引起損耗的度量,μ"為在外加磁場作用下,材料磁偶矩產生重排引起損耗的度量。對介質而言,承擔著對電磁波吸波功能的是ε″和μ″,它們引起能量的損耗,損耗因子為tanδ可由下式表示:
          (2)
          可見,tanδ隨ε″和μ″的增大而增大。
          設計吸波材料除了盡可能提高損耗外,還要考慮另一關鍵因素,即波阻抗匹配問題,使介質表面對波的反射系數(γ)為0或最小,電磁波入射到介質進而被吸收。反射系數γ的定義如式(3)所示:
          (3)
          當波阻抗為Zo的平面電磁波由自由空間(μ0、ε0)垂直入射到磁導率為μr、介電常數為εr的吸收媒質時,界面上就會發生反射和透射。吸收媒質對電磁波的反射損耗我們用R來表示,單位是dB:
          (4)
          式中,Zo一自由空間波阻抗,
          Zin一輸入波阻抗,
          式中,μr,εr分別為材料的相對磁導率,相對介電率。
          要獲得反射損耗為零(實際上不可能而只能達到最?。?,吸收媒質的波阻抗必須與自由空間的波阻抗相匹配,即Zin=Zo,這時反射損耗最小,說明電磁波能量被媒質所吸收。
          對于有限厚度的吸收媒質,輸入波阻抗可表示為:
          (5)
          式中,f — 電磁波頻率:
          d — 吸收媒質的厚度;
          c — 光速。
          將(5)式代入(4)式,反射損耗等式就變成一個復數超越函數,它表示反射損耗與媒質的電磁參數存在著復雜的函數關系,只有特定的邊界條件才能得到有效解。
          對于吸收媒質厚度d為無限大時,輸入波阻抗,要滿足反射損耗最小則要求:
          (6)
          實際上一般媒質的εr和μr值相差甚遠,只有采用特定的媒質和特殊的工藝設計來調節εr和μr,才能達到吸收媒質的波阻抗與自由空間的波阻抗相匹配。如鐵氧體粉末要提高它的吸收性能就采用與導電聚合物復合來降低鐵氧體的介電常數,而金屬磁性粉末則加絕緣樹脂來提高介電常數,或改變粉末的外形、尺寸來調整εr和μr,以滿足(6)式要求,從而降低反射損耗提高吸收性能。實際操作相當復雜,但對于一般通訊設備,只要反射損耗小于20dB,電磁波即被媒質99%吸收。
          鐵氧體吸波材料的匹配條件為:
          (7)
          式中:λ為自由空間中電磁波長;d為吸收體的厚度。由此可見,要獲得性能優良的吸波材料必須滿足以下要求:
          (1) 入射波最大限度地進入材料內部,而不在其前表面上反射,即材料的匹配特性;
          (2) 進入材料內部的電磁波能迅速地被材料吸收衰減掉,即材料的衰減特性。但正如許多工程問題一樣,這兩個要求經常是互相矛盾的。
          2.2 磁性吸波材料的分類與特性
          通常說來,具有吸波特性的磁性材料(介質)可分為金屬與非金屬(鐵氧體)兩大類,下面予以介紹。
          2.2.1 鐵氧體吸波材料
          鐵氧體吸波材料是應用最早、最多且較成熟的一類磁性材料,即使在低頻、厚度薄的情況下仍有良好的吸波性能。它的基本原理是鐵氧體材料的鐵磁自然共振吸收。
          在不加外恒磁場的情況下,當入射的交變磁場的角頻率和晶體的磁各向異性等效場Hk 所決定的本征角頻率相等時,鐵氧體吸波材料將大量吸收電磁波能量。本征角頻率ωk由ωk =γHk 確定,γ為旋磁比。在米波至厘米波范圍內,可使反射能量衰減17~20DdB,從50年代至今仍被廣泛使用。按微觀結構的不同,可分為六角晶系、尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型鐵氧體。作為吸波材料應用最廣泛的是六角晶系和尖晶石晶系,因為六角晶系具有片狀結構,而片狀結構是吸收劑的最佳形狀。尖晶石型鐵氧體的介電常數ε′和磁導率μ′比較低,用純鐵氧體粉末分散在非磁性體中而制成的復合鐵氧體,則可通過鐵氧體粉末的粒徑、鐵氧體粉末與非磁性體的混合比例及鐵氧體組成來控制其電磁參數。目前已研制并廣泛應用的有Ni-Zn、Li-Zn、Ni-Mg-Zn、Li-Cd、Ni-Cd、Co-Ni-Zn、Mg-Cu-Zn 等鐵氧體。
          鐵氧體吸收材料是利用磁性材料在高頻下磁損耗和磁導率的頻散來吸收電磁波能量的,從磁導率的頻散曲線(圖1)可以看出曲線分為5個區域,這五個區域出現的吸收機理各不相同。圖中μ為磁導率的實數部分,μ"為磁導率的虛數部分。在低頻區域(I)f<104Hz時,μ幾乎不隨頻率而改變,μ"的變化也很??;在區域(II)f為l04~106Hz時,μ和μ"的變化也很小,但μ"出現峰值,該峰值是由樣品的尺寸共振所引起的吸收,由樣品的幾何尺寸與傳播的電磁波的半波長相而產生的駐波所引起的共振吸收,與材料特性無關;在區域(Ⅲ)f為l06~l08Hz時,μ急劇下降,μ"迅速增加,此時磁損耗迅速增大出現共振吸收,這主要是疇壁位移引起的共振吸收;在區域(IV)f為l08~l011Hz時,μ繼續下降,而μ"在此區域又出現峰值,這是由于磁疇內磁矩轉動所引起的自然共振吸收;在極高頻區域(V)f>1010Hz時,屬于自然交換共振,實驗觀察并不多見。對于鐵氧體粉末材料來說吸波機理主要是自然共振。不同結構的鐵氧體其自然共振頻率不同。
          傳統的立方晶系尖晶石型的鐵氧體(Zn-Ni,Li-Zn)其共振頻率可表達為:
          (8)
          從公式中可見其自然共振頻率與材料的Ms成正比,與磁導率μr成反比,即磁化強度高的材料fc高,磁導率高的材料fc低,對于尖晶石型鐵氧體一般只能在小于3GHz頻段使用。共振頻率還與磁各向異性有關,如對于平面六方晶系鐵氧體,有強的單軸各向異性,如Co2Z型的Ba3Co2Fe24O41鐵氧體,其共振頻率可表達為:
          (9)
          其中Hkθ為與軸向夾角θ的磁各向異性場;Hkφ為與軸向夾角φ的磁各向異性場,Hkθ 比Hkφ大二個數量級。表1示出了兩種晶系共振頻率的比較,可以看出磁導率高的共振頻率低,六角晶系共振頻率比立方晶系高2~3個數量級,適合于做超高頻吸收材料。
          2.2.2 新型鐵氧體吸波材料
          1) 金屬磁性超微粉吸波材料
          隱身技術始于第二次世界大戰。作為提高武器系統生存能力和突防能力的有效手段,已被當今世界各國視為重點開發的軍事高新技術,尤其是隨著雷達探測技術的發展,原有的隱身技術面臨著很大的挑戰,迫切需要厚度薄、質量輕、頻帶寬、功能多的新型隱身材料。
        新型吸波材料要求薄、輕、寬、強,即要求密度小,重量輕,吸收頻率寬,吸收能力強。如果把相關數據代人(4),那么材料的吸收損耗就表示為
          (10)
          式中,R為材料的吸收損耗, σr為材料的導電常數,μr為材料的磁導率。
          由于鐵氧體材料的σr、μr要比金屬材料低,所以提高鐵氧體材料吸收損耗只有增加材料的厚度d,顯然這將影響它的應用。從理論上講,金屬材料因居里點高(770K)而耐高溫,Ms可達鐵氧體的3~4倍,從公式(9)看出,金屬自然共振頻率比鐵氧體高得多,有更好的吸收性能,但塊狀金屬吸波材料會受到金屬趨膚效應的限制。隨著金屬或合金的粒徑減小,材料對電磁波的吸收性能逐步增加,反射性能逐漸減弱。法國巴黎大學研究指出,微米級Ni、Co磁粉在1~8GHz時有強的吸收性能。金屬超細粉吸波材料,又稱為磁介質吸波材料。國內外對金屬微粉研究認為磁性金屬微粉的吸波能力優于普通金屬,這是因為除了有電子吸收外,還存在磁損和頻散,而且棒狀、片狀、纖維狀等形狀各向異性的磁性粉末優于顆粒狀的磁性粉末,可見金屬超微粉是及其重要的吸收材料,可以彌補鐵氧體的重量重、高頻特性不理想的缺點。
          2) 磁性納米吸波材料
          近年來,隨著多學科的交叉研究,吸波材料在材料的選擇上有了更大的空間,特別是與具有不同特性材料的復合,使吸波材料的性能有了更大進展。近年來材料技術的重點熱門一納米技術在吸波材料制備過程中的成功應用,使吸波材料的性質在本質上也呈現出驚人的飛躍。而計算機輔助設計的蓬勃發展和最優化理論的運用對于確定出介質參量ε*(復介電系數)和μ*(相對復導磁率)隨頻率變化時介質對微波吸波性能的影響,幫助掌握各種配方與介質參量的關系,深入討論影響介質的各種機制,從而做到按需要調整材料的參量都有很大地幫助,更可以起到指導實驗方向,加快研發過程的作用。
          下面一個例子就是納米技術在吸波材料中的應用,它表現了當吸波材料鐵氧體在進入納米級別后吸波性能的優化。圖2是鐵氧體與導電復合物的質量分數為20%的納米復合物(其中納米粒子是共沉淀法制備的10nm的鐵氧體)與非納米復合物在8-12GHz范圍內對電磁波的反射系數R隨頻率f變化的曲線。從圖中可以看出,兩者的曲線走勢基本相同,不同之處是整個頻段內納米復合物的吸收率均高于非納米復合物。
          當顆粒尺寸減小到10~100nm時,粒子的物理和化學性能發生巨大的變化。隨粒子尺寸的減小,粒子表面積增大,表面原子所占的比例變大,受內部原子約束變小,晶體缺陷增加,化學性極為活潑。金屬原子導電電子能帶從連續變為分裂的能級。不同能級躍遷就可以吸收不同波段的能量。如果納米粒子的粒徑按大小分布,與聚氨乙烯混合組成復合吸收體,就可以對毫米波、遠紅外、近紅外有很強的吸收,其吸波頻帶比上述吸波材料寬得多,可謂是寬頻帶吸波材料。而且兼容性好、質量小、厚度薄。如納米γ-FeNi金屬粉末尺寸小于10nm,對厘米和毫米波的最高吸收率高達99.95%。最近人們開展了鐵氧體納米化研究,將納米鐵氧體與導電聚合物復合成新穎的納米復合微波吸收材料,從理論上來說具有磁損和介電損耗的吸收功能又有納米微粒本身的吸波性能。合成材料是一種質輕、頻寬、性能優良的吸波材料。國內外對納米吸波材料給予高度重視,美國已研制出第四代納米吸波材料,對雷達波吸收率可達99%,而其厚度只是微米級。
          3)復合磁性吸波材料
          各種材料具有不同的吸波特性,適應不同的波段,而目前吸波材料的一個主要研究方向就是多頻率。所以如果能復合這些材料,會使吸波材料的應用范圍大大加寬。這些材料并不是無機相與有機相的的簡單加合,兩相界面間只存在較強或較弱的化學鍵。它們的復合將實現集無機、有機、納米粒子的諸多特異性質于一身的新材料。特別是無機和有機的界面特性使其具有更廣闊的應用前景。有機材料優異的光學性質、高彈性和韌性,以及易加工性,可改善無機材料的脆性;更主要的是,有機物的存在可以提供一個優異的載體環境,提高納米級無機相的穩定性,從而實現其獨特的微觀控制,在光電磁催化等方面的特性能得到更好的發揮,甚至可能產生奇異特性的新型材料。
          然而單純的無機納米粒子是不易分散于有機物中的,有機物與無機粒子之間常有嚴重的相分離現象。有機無機相間應存在較強的相互作用,才能較好的利用有機基質來防止無機納米微粒的團聚,使納米微粒能長期穩定的存在。所以制備復合吸波材料并不僅僅是無機相和有機相單獨的納米技術,更主要的是復合的納米技術,材料的分子設計就顯得十分重要。
          近年來發展建立起來的復合材料的制備方法也多種多樣,可大致歸為四大類:納米單元與高分子直接共混;在高分子基體中原位生成納米單元;在納米單元存在下單體分子原位聚合生成高分子;納米單元和高分子同時生成。各種制備納米復合材料方法的核心思想都是要對復合體系中納米單元的自身幾何參數、空間分布參數和體積分數等進行有效的控制,尤其是要通過對制備條件(空間限制條件、反應動力學因素、熱力學因素等)的控制,以保證體系的某一組成為一維尺寸至少在納米尺度范圍內(即控制納米單元的初級結構),其次是考慮控制納米單元聚集體的次級結構。
          納米鐵氧體吸波復合材料
          鐵氧體吸波復合材料是既有一定介電常數和介電損耗,又有一定磁導率和磁損耗的雙復介質,其作用機理可概括為鐵氧體對電磁波的磁損耗和介電損耗,將鐵氧體納米顆粒與聚合物復合而成的納米復合吸波材料,能有效吸收和衰減電磁波和聲波,被認為是一種極好的吸波材料。鐵氧體納米復合材料多層膜在7~17GHz的頻率段內的峰值吸收為(-40dB),小于(-10dB)的頻寬為2GHz。
        磁性納米金屬粉吸波復合材料
          從金屬的電子能級躍遷、原子相對振動的光學波、原子的轉動能級和原子磁能級的分析可以看出,具有磁性的金屬超細顆粒與電磁波有強烈的相互作用,具備大量吸收電磁波能量的條件,納米金屬粉吸波復合材料具有微波磁導率較高、溫度穩定性好(居里溫度高達770K)等突出優點,己得到了廣泛應用。納米金屬粉吸波復合材料主要包括羰基納米金屬粉復合材料和納米磁性金屬粉復合材料兩類,其中羰基納米金屬粉主要包括羰基Fe、羰基Ni和羰基Co等;納米磁性金屬粉主要包括Co、Ni、CoNi和FeNi等。
          文章來源互聯網,轉載請注明磁性材料http://www.mymajidwrite.com/!



        衡陽市金則利特種合金股份有限公司成立于1999年,公司主營電磁不銹鋼,為湖南省高新技術企業。公司自成立以來,即致力于電磁不銹鋼的研發。公司已具備年產電磁不銹鋼1萬噸的生產能力。

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