吸波材料现状和应用-整理超经典

吸波材料的发展现状一.1.目前吸波材料分类较多，现大致分成下面4种：1．1按材料成型工艺和承载能力可分为涂覆型吸波材料和结构型吸波材料。1.2按吸波原理吸波材料又可分为吸收型和干涉型两类。吸收型吸波材料本身对雷达波进行吸收损耗，基本类型有复磁导率与复介电常数基本相等的吸收体、阻抗渐变“宽频”吸收体和衰减表面电流的薄层吸收体；干涉型则是利用吸波层表面和底层两列反射波的振幅相等相位相反进行干涉相消。1.3按材料的损耗机理吸波材料可分为电阻型、电介质型和磁介质型3大类。碳化硅、石墨等属于电阻型吸波材料，电磁能主要衰减在材料电阻上；钛酸钡之类属于电介质型吸波材料，其机理为介质极化驰豫损耗；磁介质型吸波材料的损耗机理主要归结为铁磁共振吸收，如铁氧体、羟基铁等。1.4按研究时期可分为传统吸波材料和新型吸波材料。铁氧体、钛酸钡、金属微粉、石墨、碳化硅、导电纤维等属于传统吸波材料，它们通常都具有吸收频带窄、密度大等缺点。其中铁氧体吸波材料和金属微粉吸波材料研究较多，性能也较好。新型吸波材料包括纳米材料、手性材料、导电高聚物、多晶铁纤维及电路模拟吸波材料等，它们具有不同于传统吸波材料的吸波机理。其中纳米材料和多晶铁纤维是众多新型吸波材料中性能最好的2种。2.无机吸波剂2.1铁系吸波剂2.1.1金属铁微粉金属铁微粉吸波剂主要是通过磁滞损耗、涡流损耗等吸收衰减电磁波，主要包括金属铁粉、铁合金粉、羰基铁粉等。金属铁微粉吸收剂具有较高的微波磁导率，温度稳定性好等优点，但是其抗氧化、抗酸碱能力差，介电常数大，频谱特性差，低频吸收性能较差，而且密度大。2.1.2多晶铁纤维多晶铁纤维具有很好的磁滞损耗、涡流损耗及较强的介电损耗，并且是良好的导体，在外界电场作用下，其内部自由电子发生振荡运动，产生振荡电流，将电磁波的能量转化成热能，从而削弱电磁波。2.1.3铁氧体铁氧体吸波材料是研究较多也较成熟的吸波材料。它的优点是吸收效率高、涂层薄、频带宽；不足之处是相对密度大，使部件增重，以至影响部件的整体性能，高频效应也不太理想。2.2碳系吸波剂2.2.1石墨、乙炔炭黑据报道乙炔炭黑属介电型吸收剂，由于其粒径为纳米级，不仅能吸收电磁波，还能有效抑制红外辐射；石墨在二战期间就被用来充填在飞机蒙皮的夹层中吸收雷达波，由于其密度低，也常被用来充填在蜂窝夹层结构中。导电炭黑还被用来与高分子材料复合，调节高分子复合材料的导电率，达到吸波效果，但石墨、乙炔炭黑作为高温吸收剂的缺点是高温抗氧化性差。2.2.2碳纤维碳纤维是由有机纤维或低分子烃气体原料加热所形成的纤维状碳材料，它是不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列的物质，其碳含量为90%以上。随碳化温度的升高，碳纤维结构由乱层结构向三维石墨结构转化，层间距减小，电导率逐步增大，易形成雷达波的强反射体，如高温处理的石墨纤维。低温处理的碳纤维，结构疏松散乱，是电磁波的吸收体，是良导电性的电损耗材料。因此，只有经过特殊处理的碳纤维才能吸收雷达波。2.2.3碳纳米管在1991年发现碳纳米管(CNTS)以来，众多研究者对它的纳米和微型器件的研究更加重视。碳纳米管作为导电物质，其特殊的物理和化学性能使得它广泛的被用作吸波材料。在用适量稀土氧化物改性，并与环氧树脂充分混和制成复合吸波材料后，碳纳米管的吸波性能可大幅提高。2.3陶瓷系吸波剂用于高速飞行器组件上的雷达吸波材料要承受长时间高温工作的特点，而陶瓷材料具有优良的力学性能和热物理性能，特别是耐高温、强度高、蠕变低、膨胀系数小、耐腐蚀性强和化学稳定性好，同时又具有吸波功能，能满足隐身的要求，因此已被广泛用作吸收剂。陶瓷吸波材料主要代表有碳化硅吸波材料、碳化硅复合吸波材料。2.3.1碳化硅在陶瓷吸波材料中，碳化硅是制作多波段吸波材料的主要组分，有实现轻质、薄层、宽频带和多频段吸收的可能，应用前景广阔。2.3.2碳化硅复合材料碳化硅-碳纤维材料综合了SiC耐高温氧化和碳纤维的高强度与导电优点而成为一类新型陶瓷纤维材料，它的损耗效应综合了介电损耗和磁损耗，这是由于该纤维是以β-SiC型微晶与自由状态的x(x可以是C、N、Pe、Ni、Co、Zr单独一种或同时多种元素)成混晶状态。通过聚碳硅烷与沥青共混纺丝，然后将其硫化使之成为热不熔化体，在N2气流下以200～250℃/h的升温速度加热至1000～1200℃，烧结一定时间，转化为SiC-C纤维。这种纤维具有吸收雷达波的功能，经过与环氧树脂复合制成平板，衰减-10dB的频带宽度超过10GHz。3有机物为主体吸波剂3.1导电高分子类吸波材料导电高分子是由具有共轭π键的高分子通过电化学或化学“掺杂”使其由绝缘体转变为导体的一类高分子材料，其导电机理一般认为是掺杂导电高分子的载流5.手性吸波材料手性是指一种物体与其镜像不存在几何对称性且不能通过任何操作使物体与镜像相重合的现象。手性材料与普通吸波材料相比有两个优势：一是调整手性参数比调整介电参数和磁导率容易。在其中传播的电磁波只能是左旋或右旋的圆偏振波，其优势在于调节手性参数就可以调节阻抗匹配。二是手性材料的频率敏感性比介常数和磁导率小，易于实现宽频吸收。以MnZn铁氧体与树脂的复合物为基质，以片式电感为手性掺杂体，可制备手性复合吸波材料，用网络分析仪在30～1000MHz时测定了材料的透过衰减，均超过了10dB，表现出较好的吸波效果。邱琴等，电磁吸波材料研究进展[J]。电子元件与材料，2009,28（8）:79-81.四.目前研究与应用比较多的有铁氧体吸波材料、金属微粉吸波材料、纳米吸波材料、多晶铁纤维吸波材料、导电高聚物吸波材料、手性吸波材料、等离子体型吸波材料及光学透明吸波材料等。光学透明吸波材料根据雷达波不透过原理,可分为吸收型和反射型2大类,其中反射型应用较为广泛。吸收型光学透明吸波材料要求雷达波完全损耗在透明薄膜之中,不发生反射也不透过透明件。目前主要有透明导电高聚物和电路模拟型吸波材料2种。赵灵智,胡社军等.吸波材料的吸波原理及其研究进展[J].现代防御技术，2007,35（1）:29-31.五.1.碳纤维结构吸波材料碳纤维复合材料具有高强、高模和轻质的优点，不仅广泛应用于一般飞行器和导弹，在隐身兵器中也日益显露头角。2．稀土吸波材料近年来，国内部分学者对稀土吸波材料的研究较为活跃，稀土吸波材料的研究主要集中在用稀土元素对铁氧体进行改性和以稀土材料为基制备电磁波吸收材料等方面。3.水泥基吸波材料目前研究的水泥基电磁屏蔽材料大部分是为了有效地抑制电磁波的辐射、泄漏、干扰和改善电磁环境，故这类水泥基复合材料主要以反射型电磁屏蔽材料为主。4.放射性同位素吸波材料在涂料中加人放射性同位素，利用其放射出的高能射线使目标附近的局部空间发生电离，产生一个等离子屏，形成含有大量的自由电子并与自由空间相匹配的等离子体区，可以吸收频带相当宽的电磁波。所用的同位素主要有Po-210、Cm-242和Sr-9O等。5.电路模拟(CA)吸波材料该技术是在合适的基底材料上涂覆导电的薄窄条、网络、十字型或更复杂的几何图形，或在复合材料内部埋人导电高分子材料形成电阻网络，实现阻抗匹配及损耗，以取代Salisbury屏幕或Jaumann吸收体中的绝缘材料层，从而实现高效吸收雷达波。这种吸波材料在给定的体积范围内，能产生高于较简单类型吸波材料的性能，但对每一种应用，都必须运用等效电路或用二维周期介质理论在计算机上进行特定的匹配设计，而且设计计算比较麻烦。郭小芳，王长征，吴世洋.吸波材料的研究现状与发展趋势[J].甘肃冶金，2010,32（4）:48-50.六．FeSiAl合金从1932年诞生以来,国内外学者对此进行了不断的研究，由于其硬而脆,耐磨,最早用作磁头铁芯，不过近年来,日本TOKIN公司研究人shigeyoshiYoshida等用水雾法得到FeSiAl球形颗粒,然后分别进行了100h和180h的砂磨,得到扁平状的微粉,这种微粉的显著特点是有很大的长径比(微粉某一长径与厚度之比),且微粉的厚度也小于GHz频段时的趋肤深度,发现了在GHz频段时有“双峰”频散的特性,磁导率虚部在很宽的频段内都保持较高的值.国内浙江大学硅材料国家重点实验室研究了用熔融纺丝法制备的FeSiAl合金微粉的结构和电磁特性，在70h球磨后有很大的长径比.另外,还有很多学者用其他方法,主要是机械合金法(MA法),得到FeSiAl,FeAl或FeSi合金粉,详细研究其合金化过程,合金粉结构,有序度等.总之,国内外学者对FeSiAl合金的结构和电磁特性进行了大量的研究,包括雾化粉球磨成扁平状微粉,或直接用Fe粉Al粉和Si粉通过机械球磨的方式得到合金,或研究FeSiAl薄膜的特性,也研究了二元系的结构,形成机理及电磁特性等,采用一种新的制备方式或适当的工艺,获得性能优异的纳米晶片状微粉是这种材料的发展趋势之一,同时,结合适当的理论进行实验结果的分析,研究微粉的电子结构与成分,球磨时间等的关系,为这种材料发展提供理论指导.周廷栋.FeSiAl片状微粉的制备、结构及性能研究[D].成都：电子科技大学，2009.七．磁性金属电磁波吸收剂的研究现状l)单元磁性金属粉目前研究较多的单元磁性金属粉吸收剂主要有两类:一类是羰基金属粉,如羰基Fe、羰基Ni、羰基Co等,其粒度在0.5-μm之间,目前大多使用拨基Fe粉。(2)多元合金化磁性金属粉磁性金属的多元化是避免单元金属缺点,实现宽频吸收目标的方法之一。也报道了核/壳结构的多元金属粉体,。(3)陶瓷基核/壳结构纳米磁性金属颗粒膜(4)纳米磁性金属薄膜材料(5)磁性金属纤维景茂祥，沈湘黔.纳米磁性金属电磁波吸收剂的研究进展及展[J].磁性金属物测定仪,2005,19(12):14-16.吸波材料的应用一.1.军事隐身领域军事隐身领域乃吸波材料最重要的应用领域。随着军事高新技术的飞速发展,世界各国防御体系的探测、跟踪、攻击能力越来越强,陆、海、空各兵种地面军事目标的生存能力以及武器系统的突防能力日益受到严重威胁,为此,必将大力发展隐身技术。隐身技术分为外形隐身和材料隐身两个方面,其中材料隐身就是指在军事目标上大量使用吸波材料来衰减入射雷达波,减小雷达散射截面。这必将促进吸波材料的应用和发展。目前,吸波材料已被广泛应用在飞机隐身、舰船隐身飞行导弹隐身以及坦克隐身等领域。2.广播、电视发射台的电磁辐射防护广播、电视发射台对周围区域会造成较强的场强。利用对电磁辐射的吸收特性,在辐射频率较高的波段,使用合适的吸收型涂料,覆盖建筑物,以衰减室内场强。另外,该涂料兼具屏蔽性能,是一种屏蔽吸收型涂料,在10MHz～1.5GHz范围有20～30dB的屏蔽性能。3.工业、科学和医疗设备电磁辐射的防护工业、科学和医疗设备等在工作过程中会产生大量的电磁辐射,如果处理不当,不仅会对自身的工作环境造成损害,同时也会对周围的设备造成干扰。最明显的例子就是机器内的二次杂波问题。二次杂波往往会带来机器、设备的程序紊乱,致使科学实验、医疗检测结果等出现较大的偏差,从而给科研、生产带来很大阻力,甚至会威胁到人的生命安全。另外,这些设备发出的电磁辐射也会对操作人员的身体健康带来危害。因此,对工业、科学和医疗设备进行电磁辐射防护十分必要。4.家用电器的电磁辐射防护所有的电器(如电冰箱、电视机等),在使用过程中都会发出电磁辐射,只是由于电磁波是一种无形的物质,因为电磁波是看不见,摸不着的能量物质,又无时不有、无处不在,因此更具有危险性和危害性,我们觉察不到而已。随着3C认证的实施,对电磁辐射防护的要求也越来越高,其实,象家用电器的电磁辐射,采取防护措施并不是什么难事,只是在生产制作过程中,加一道简单的工序———喷涂吸波材料而已,不过,对吸波涂料的选择要根据其频段来决定。5.手机、电脑的电磁辐射防护在科技发展的今天,手机、电脑给人们带来方便的同时,也带来了不容忽视的电磁辐射危害。为了尽可能地减少手机、电脑对人体,尤其是头部的辐射,除了尽可能地减少手机的辐射功率及保证使用手机时不要让它与人体接触,还应考虑其他防护措施,手机的辐射频率为800～1800MHz,电脑也会产生几百兆的电磁波,如果在生产过程中,能够在手机外壳、电脑机箱、电脑显示器内侧喷涂具有吸收功能的吸波涂料,将多余电磁波吸收,就不会再有电磁辐射的危害问题。6.办公、居住区的电磁辐射防护吸波材料在民用产品上的应用不仅仅只有这些,很快吸波材料会应用到您的日常生活当中,例如您的办公、居室内喷涂吸波材料,就不会再有电磁辐射的危害问题,它将您的办公、居室内的家用电器、办公设备辐射出的电磁波电子雾吸收转换成无害的物质,同时将外界的电磁波大部分吸收隔离,那将是一个非常干净的电磁环境空间。杨国栋,康永,孟前进.微波吸波材料的研究进展[J].应用化学，2010,39(4):587-588.二.民用领域成为吸波材料新的应用领域,主要有以下几类。(1)微波暗室材料,把碳系导电材料或铁氧体材料制成棱锥形或楔形,可用于建筑无反射的微波暗室,来替代开阔场地以进行电磁干扰性能的测试。(2)电磁防护材料,可以把吸波材料用在手机、电视、计算机、服装等上面,以减少电磁波辐射对人体的伤害。(3)建筑吸波材料,把具有吸波功能的混凝土材料用于建筑行业,以减少高大建筑物的电波反射作用,提高广播、电视播放质量。(4)把吸波材料用在微电机及其他电子设备上,以减少电磁干扰引起的电子电器失误。(5)把吸波材料用在波导或同轴衰减器的吸收负载上,作为微波衰减器,具有良好的吸收性能和稳定性。郑长进，李家俊等.吸波材料的设计和应用前景[J].宇航材料工艺,2004,5：3-4.三.吸波材料在手机辐射防护中的作用用FDTD数值模拟的方法，建立了涂敷吸波材料的手机与人体相互作用的计算模型。比较了使用吸波材料对降低手机辐射剂量SAR值的作用，并分析了其对手机通信性能的影响。结果表明：使用吸波材料可以明显降低手机对人体的辐射。宋治国,周晓明,刘伟.吸波材料在手机辐射防护中的作用[J].EMC材料应用,2009.四．吸波材料在手机电磁兼容设计中的应用手机在工作时，会不断往外发射电磁波，最大功率可以达到2w，这对周围环境的影响是很大的。比如，在手机通话的过程中，如果与固定电话距离较近，且固定电话也在通话，那么，我们经常会在固定电话的手柄中听到“滋滋滋”的声音，非常刺耳，这就是典型的手机对固定电话的干扰现象。因此，为避免手机在工作时对周围环境的干扰，必须对手机工作时的一些不必要的辐（spuriousemission）进行限制。吸波材料在解决手机产品的电磁兼容设计问题时是很有效的。随着电子产品的小型化、多功能化、数字化发展以及工作频率的不断提升，吸波材料，尤其是具有不导电性能的铁氧体吸波材料，在这些产品的电磁兼容设计方面，将可发挥越来越大的作用。王国强.吸波材料及其在手机电磁兼容设计中的应用[J].设计与实现.2010,18:64-65.五．磁性吸波材料的应用分为军民两个方面。就其军用而言，例如铁氧体吸波材料已广泛应用于隐身技术中，具有吸收强、频带较宽及成本低的特点，但它也具有大密度、高温特性较差的缺点。用磁介质吸波材料制作的微波暗室可广泛的应用于电子设备的干扰、雷达或通信设备的天线导弹、飞机和卫星等特性阻抗耦合度的测量、宇航员用背肩式天线方向图的测量、宇宙飞船安装测试和调整等；此外磁介质吸波材料在改善机载、舰载雷达设备的兼容性，使整机性能提高等方面亦有着广阔空间。在各种军用装备的表面上涂覆磁介质吸波材料，则可以消除雷达对该装备的跟踪，从而使这些军用装备容易突破敌方雷达的防区，克敌制胜，既是反雷达侦察的一种有力手段，又是军用装备免遭红外和激光制导武器击毁的一种途径。此外吸波材料还可用于隐蔽着陆等机场导航设备及其它地面终端设备、舰船桅杆、甲板、潜艇的潜望镜支架或通气管道等设备。在民用方面来说，我们知道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，将吸波材料应用于家电产品比如电视、音响、电脑、游戏机、微波炉、VCD机、手提电话等上面，可使其电磁波泄漏降到国家卫生安全限值以下（小于38微瓦／每平方厘米），确保人们身体健康。将其应用于高功率雷达、微波医疗器、微波破碎机，则能防止它们的电磁辐射泄漏，保护操作人员免受电磁辐射的伤害。电动汽车工业作为当今汽车工业的发展方向，已被各大汽车制造业商提到全球经济战略议程上来。然而电动机取代内燃机虽然解决了汽车尾气的化学污染，但由于使用电动机而产生的物理污染——电磁污染也同样是人类必须解决的棘手问题。磁介质吸波材料应用则使得电子化汽车、电动汽车变得更先进、更安全、更符合环保的要求。目前用于降低电磁波干扰的器件和吸波材料的产量正与日俱增，新产品也不断涌现。余声明.磁性吸波材料与应用[J].国际电子变压器,2009:100-102.六.1、隐身技术2、改善整机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。3、安全保护由于高功率雷达、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。4、微波暗室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。<<吸波材料及其应用>>六.美、日、韩吸波材料的发展与应用二战之后的美国试图研制一种能摆脱雷达追踪的隐身战机、隐身导弹、等隐形武器,在这些隐形武器表面所涂覆的正是吸波材料，与此同时吸波材料在民用领域也作出了重要贡献—如美国的3M吸波材料。日本人为吸波材料的研究奠定了坚实基础，由于二战后的日本受到《和平宪法》规定不能发展核武器以及一些重武器的制约，所以到目前为止日本都没有一款真正意义上的隐形战斗机，日本的吸波材料自然在军事工程上难以崭露头角，所以日本的吸波材料便投向了民族工业领域、吸波材料在电器EMC领域终于有了用武之地，以大同、NEC、TDK为招牌的吸波材料企业其盛名响彻世界，多数的电子企业指定使用日本的吸波材料，尽管它价格不菲，但其性能极其稳定，品质卓越赢得客户信赖。韩国吸波材料的研发最近几年取得了长足发展，其作用主要体现在民用领域，高集成化、轻薄便携式、高智能化的电子产品的发展为韩国吸波材料的发展起到了推动作用，韩国吸波材料也正从原来的树脂型向纳米材料、复合材料型方向发展，磁导率高、适用频带宽、轻薄、耐温等技术是韩国吸波材料发展的主导方向，随着市场需求量的增大，韩国的吸波材料也走向了作坊小规模生