微波暗室吸波材料的研究现状

微波暗室吸波材料的研究现状

吸收材料种类和范围很广。根据其结构形状，可分为织物型、锥形型、楔形型、平板型、橡胶穿孔型、伪装针型、粉末型、磁块型等。根据生产工艺，可分为浸泡型、涂漆型、喷漆型、泡沫型、烧焦型等。并且随着隐身技术的不断发展，红外激光、手征材料、纳米材料等各种新型吸波材料不断出现，吸波材料的种类越来越多，专业分支更加细化。本文主要介绍电波暗室用吸波材料。1吸波材料的选择目前国内外电波暗室使用的吸波材料从材料性质，主要分为聚氨酯泡沫吸波材料、难燃型高功率吸波材料、铁氧体吸波材料、空心长角锥硅酸盐板支撑的薄膜吸波材料等。1.1阻燃导电液的配制上世纪30～40年代，国外开始制造此类吸波材料，主要是将聚氨酯泡沫按不同的锥角、锥数切割成实心角锥状，如图1所示。然后将其浸入在预先配好的阻燃、导电液内，拿出烘干即可。此材料具有生产工艺较为简单、柔韧性好、吸收率高等优点，但弯头、环保性能差，阻燃性能存在一定隐患。浸渍工序加工方式对产品质量的影响聚氨酯泡沫吸波材料生产工艺较为简单，如图2所示。以上工序中，切割、浸渍二道工序对质量的影响极其重要。目前国外吸波材料生产商均采用电脑数控切割，国内由于生产条件相对落后，直至上世纪国内主要生产商均采用电热丝加热在模具上仿形切割，此种加工方式对材料尺寸精度难以保证、生产效率低、同时由于加热熔化热塑性高分子材料时，释放出大量有毒气体，对操作人员身体伤害较大，而且产品表面较为粗糙，外观质量差，并且由于加热熔化将海绵表面泡孔封闭堵塞，在浸渍工序中，吸波剂、阻燃剂等主要原料难以进入吸波基体内部，从而影响产品的电性能和阻燃性能。采用电脑仿形切割（如图3所示），产品质量有了明显提高。浸渍工序主要是将配好的阻燃吸波涂料通过挤压方式吸收到海绵基体内部，浸渍的均匀一致性最终影响吸波材料的阻燃和电性能。采用人工杠杆原理进行挤压的传统方法中，工人劳动强度大、生产效率低，而且产品批量生产的均匀一致性无法保证。使用浸渍挤压设备，为产品质量的均匀性、稳定性提供了保证。1.2制作导电材料难燃型高功率吸波材料主要以高分子化纤作为基材，分别经过阻燃、导电处理后，通过压痕刀具冲压成扇形片状材料，然后制成单个空心角锥状，由多个单锥体粘接组成吸波单元块，一般底边尺寸为500mm×500mm，同时角锥内部根据不同使用频率、吸收率要求，插入不同内芯（材质与外锥相同）结构以提高吸波材料的吸收率，最后将材料底部安装好底框（一般底框下安装2只或4只金属挂钩，分别应用在侧墙和顶墙上），直接挂装在电波暗室内金属龙骨（一般由吸波材料承建方制作）上。此材料主要是国内吸波材料制造商生产，而国外高功率吸波材料同此材料相似，但基材先制成边长约3mm的蜂窝状六边形片材结构，厚度约为20mm，然后再将片材切割成三角形，将四块三角形片材粘贴成空心蜂窝状角锥吸波材料。难燃型高功率吸波材料保持与聚氨酯泡沫材料反射率相同的条件下,具有耐高功率、阻燃性能优良、环保、采光、无弯头等优点，难燃型高功率吸波材料主要由胶粘剂、吸收剂、阻燃剂等组成，此处不再赘述，但生产工艺与聚氨酯泡沫吸波材料完全不同。难燃型高功率吸波材料难燃型高功率吸波材料生产工艺复杂，工序流程多，如图4所示。由于难燃型高功率吸波材料较好地解决了聚氨酯泡沫吸波材料的阻燃、耐功率、环保等性能，近年来，难燃型高功率吸波材料在国内市场发展迅速，控制此材料的关键在刷涂工序，此工序分两部分，第一步刷涂阻燃涂料；第二步刷涂导电（吸波剂）涂料。早期生产这种材料主要采用人工将配好的阻燃和导电涂料刷涂在基体上，这种生产方式一方面生产效率低、人为因素影响大、均匀一致性难以保证等，另一方面受天气影响严重，如果气温低或生产场地有限，产能无法保证。为了解决以上问题，可采用机械刷涂自动烘干线，图5、图6分别为导电和阻燃二条机械刷涂生产线。1.3铁氧体与角锥铁氧体吸波材料主要包括薄片型、栅格型、橡胶贴片型三大类，而电波暗室用铁氧体吸波材料主要以薄片型为主，少量通风波导窗应用栅格型，橡胶贴片型主要用在军用武器的隐身和电子产品的电子干扰隔离等。薄片型铁氧体吸波材料通称为铁氧体瓦，主要以Fe3O4、Ni、Zn、Co、Cu等磁性材料通过磨粉、烧结等工艺成型。材料规格各厂家略有不同，但一般单元块尺寸为100mm×100mm，厚度有5.5mm、6.0mm、6.7mm等几种，随着厚度的增加，低频段（300MHz以前）时吸波性能会有提高，但继续增加厚度，吸收性能会下降，因此一般厚度为7mm左右。为了方便铁氧体安装时的螺丝固定，一般铁氧体瓦中心开∮10mm的孔，安装时可采用螺丝加塑料垫圈直接固定在过渡纤维板上，而铁氧体吸波材料间缝隙对吸收性能影响极大，所以对安装要求很严格。由于此材料仅适用400MHz以下频段范围，一般需与角锥吸波材料组合成复合型吸波材料在EMC半电波暗室内使用。生产工艺铁氧体吸波材料生产工艺如图7所示。铁氧体吸波材料自身吸收性能主要体现在低频段，EMC暗室中，铁氧体与角锥复合后的复合型吸波材料吸收性能是实现EMC暗室功能的关键。对于生产厂家如何使铁氧体与角锥吸波材料完全匹配至关重要。一方面从理论上考虑吸波材料配方的设计；另一方面需要通过多次实际研制测试。国外主要采用低频同轴线测试塔测试吸波材料低频反射率，但低频测试塔加工精度要求较高、复杂、费用昂贵。图8是一套低频同轴测试塔，主要测试30～1000MHz频率段吸波材料的反射率。1.4空心角锥材料此材料主要是国外制造商生产，近年来在中国建造了部分半电波暗室。将厚度约12mm硅酸盐板表面粘贴一层导电薄膜，切割成四片三角形，拼装组成空心角锥材料，此材料材质坚硬，能够做成较长角锥（最长可达到3m）而保证不弯头，并且具有阻燃性能优良、采光好、环保、美观等优点，但此材料高频性能不适用于天线测量要求，主要应用于EMC半电波暗室，不需用铁氧体复合，由于国内无制造商生产此种吸波材料，所以此生产工艺和控制点不做过多阐述。2吸收材料在波室中的主要性能指标2.1吸波材料特性分析表征吸波材料吸收电磁波能力的重要参数是反射系数，即电磁波以不同入射角投射到吸波材料表面，反射波对入射波的场强或功率之比，以分贝单位表示的反射系数称反射率。正常情况所说的反射率是指电磁波垂直入射时的反射性能，指吸波材料的最小反射率，特殊情况下可指明入射角，如30°、45°、60°斜入射等，但随入射角的加大，吸收性能逐渐下降，如图9所示。反射率是暗室用吸波材料的最关键的要素之一，它将直接影响到暗室的最终功能和测试精度。反射率主要与材料高度、角度、复介电常数、复磁导率、形状等有关，通常1000MHz以上高频段,吸波材料采用电吸收机理，而在300MHz以下低频采用磁吸收机理。通常吸波材料厚度大于等于最低频率的四分之一波长时，才具有较好的吸收性能，理论材料厚度与波长比对应的反射率关系一般可用下式计算：式中，Γ—反射系数，d为吸波材料的厚度，λ为波长。具体理论关系如表1所示。吸波材料反射系数也可从传输线原理得到，理论公式如下：式中，Pr—反射功率，Pi—入射功率，Z为吸波材料输入阻抗，Z0为大气波阻抗。材料的相对输入阻抗计算如下：式中,Z0=120π=337Ω,复介电常数,复磁导率,λ0为自由空间波长。所以当=1时,材料具有最小反射系数。式(1)为经验公式,式(2)、式(3)可用来计算吸波材料ε、µ值的选择。根据以上分析，吸波材料通常设计成角锥状，主要是使其传输阻抗尽可能与周围空气介质的阻抗匹配；频率越低，则角锥越长；另外可通过选择=1的材料改善反射系数。2.2吸波材料的燃烧特性防火性能主要从阻燃性考虑。我国对建筑材料防火等级由高至低划分为A级（不燃型）、B1（难燃型）、B2（可燃型）、B3（易燃型）四个级别。大多数用户要求吸波材料防火等级至少满足B2级，部分要求B1级。吸波材料的阻燃要求主要依据氧指数（GB/T2406-93《塑料燃烧性能试验方法—氧指数法》）和美国海军三项（NRLREPORT8093-Test1、Test2、Test3），而阻燃性能主要以氧指数为依据。表2是防火检测的规范要求。2.3吸波材料的耐功率性由于吸波材料将电磁能转化为热能消耗掉，所以吸波材料工作时会产生热量，发射功率越大，材料温度越高，因此对于部分大功率雷达、脉冲波发射源的工作场所，吸波材料的耐功率性必须考虑。吸波材料的耐功率与材料的选择、阻燃性能、总表面积等有关。目前电波暗室用各种吸波材料与耐功率关系如表3所示。2.4吸波材料的选用吸波材料物理性能主要包括尺寸、色差、重量、环保等方面，不同生产厂商要求会略有不同。国内角锥吸波材料的标准单元块底面尺寸一般为500mm×500mm，公差控制在±5mm范围内；国外为610mm×610mm，公差±3mm；颜色一般以天蓝色为主，部分采用乳白色，如空心长角锥硅酸盐板吸波材料即采用乳白色，其采光性更好。吸波材料重量随锥长