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摘 要:本文从现代社会中的电磁辐射危害入手,对吸波材料的定义、原理、应用形式等方面进行了概述,并按照其材质特点进行分类研究,对碳纤维、碳化硅纤维和金属纤维等吸波材料的研究现状进行了综述。
关键词:吸波纤维;碳纤维;碳化硅纤维;金属纤维
1、前言
随着各种电器、电子设备在现代社会中的极大普及,电子电气设备的使用越来越频繁和广泛,所有这些不可避免向环境辐射电磁能量。这些电磁能量给人们正常的生活与工作带来许多危害。由此,吸波材料的性能研究与实际应用被越来越多地关注。
所谓吸波材料,是指能够吸收衰减入射的电磁波,并将其电磁能转换成热能而耗散掉或使电磁波因干涉而消失的一类材料。
吸波材料按材料成型工艺和承载能力可分为涂敷型和结构型。涂敷型吸波材料是将吸收剂与粘结剂混合后涂敷于目标表面形成吸波涂层;而结构型吸波材料,则通常是将吸收剂(粉剂、纤维等形式)分散在由特种纤维 (如石英纤维、玻璃纤维等)增强的结构材料中所形成的结构复合材料,它具有承载和吸收雷达波双重功能。其中,吸波纤维作为一类具有鲜明特点的结构型吸波材料,与日常织物共混后形成的纤维吸波材料,既具有较优良的吸波性能,又具有体积质量轻、实施方法易,敷设范围广等优点,因而成为近年来吸波材料的一大研究发展趋势。
按照纤维吸波材料的吸波纤维材质不同,比较具有代表性的主要有以下几种:
2、碳纤维
隐身用的特种碳纤维是制造吸波材料的关键。碳纤维结构吸波材料具有承载和减少雷达比反射面的双重功能,是功能与结构一体化的优良微波吸收材料。与其它吸波材料相比,它不仅具有硬度高、高温强度大、热膨胀系数小、热传导率高、耐蚀、抗氧化等特点,还具有质轻、吸收频带宽的优点。目前认为,碳纤维作为树脂增强体加入,添加的碳纤维量达40%甚至更多,这种碳纤维复合材料对电磁波几乎是全反射,只有经过特殊处理的碳纤维才具有一定的吸波性能。这些特殊处理方法主要有邹田春等人[3]将对称振子结构应用于吸波材料的设计中,采用粘胶基活性碳毡作为振子臂的材料,并在两臂间接以电阻。研究了电阻阻值、振子间距和振子阵列的位置对吸波性能的影响,结果表明:振子与入射电场平行时,本实验条件下可获得有效带宽13GHz,最大吸收峰值-30.3dB的反射衰减。
此外,天津大学郭伟凯硕士[2]通过研究发现,碳纤维的间距、排布方式对吸波性能有重要影响。将未经改性处理的碳纤维排布于环氧树脂基体中,同样可得到优良的吸波效果。并通过实验证明了碳纤维垂直排布方式制得的碳纤维/环氧树脂复合吸波材料的吸波性能呈各向同性。其吸波性能优于碳纤维的平行和正交排布方式下制得的吸波材料的性能。
3、碳化硅纤维
SiC纤维是近年来受材料界关注的高性能陶瓷纤维,它小仅密度小,比强度大,比模量高,线膨胀系数小,还具有耐高温氧化性能,与金属、陶瓷、聚合物都具有很好的复合相容性,是高性能复合材料的理想增强纤维。同时,其导电率可在较宽范围调节,根据制造条件不同而具有透波性与吸波性,是很有前途的隐身吸波材料[4]。
国防科技大学的刘旭光硕士[4]在前人研究基础上,制备了条形、五叶形和三折叶形截面碳化硅纤维,并对其成型工艺、性能及吸波机理进行了研究。并发现,随着电磁波频率的增加,异形SiC纤维的反射衰减增大。条形、五叶形和三折叶形纤维的最大衰减分别为17.7、7.2和18.2dB,其反射衰减大于10dB的频率分别为1.6、0、1.8GHZ。图2.4为异形SiC纤维的断面形貌:
而在刘长进[5]的研究中,通过对碳化硅纤维正交电路屏/环氧树脂复合吸波材料、化学镀镍碳化硅纤维正交电路屏/环氧树脂复合吸波材料的吸波性能的讨论和分析,发现采用碳化硅纤维和化学镀镍碳化硅纤维作为吸收剂的复合材料在高频段均具有较好的微波吸收性能。并发现纤维间距和纤维的增重率(镀覆时间)对这两种吸波纤维的影响很大。
4、金属纤维
金属纤维填充聚合物复合材料不仅使其具有导电、导热功能,而且作为电磁屏蔽材料和吸波材料具有广泛的应用前景。其直径在微米、亚微米甚至纳米量级,长度在几微米到几百微米范围变化,纵横比较大,属一维材料,同铁氧体、羰基铁一样均属于磁介质吸波材料。但由于它们的电磁参数具有显著的各向异性,因而提供了不同于各向同性介质的损耗机制,而且质量轻。其中,对多晶铁纤维吸波材料的研究始于20世纪80年代中期,它包括铁纤维、镍纤维、钴纤维及其合金纤维,在国外已商品化,进入实用阶段[6]。
于名讯等人[7]通过对非织造布隐身织物进行工艺改进,设计了湿纺隐身织物的制备工艺,赋予湿纺织物表面易于喷漆或彩印的特性,各类型纤维在湿纺织物中处于受约束状态,从而使湿纺织物性能具有稳定性和可重复性。试验结果表明:不锈钢纤维和多晶铁纤维的添加有利于织物厘米波段隐身性能的提高,但在毫米波段反射率方面,存在一个适中的多晶铁纤维添加量。
除此之外,针对混杂纤维和异形纤维的研究也比较常见,虽然这两种纤维吸波材料主要是利用原有材料进行改性探讨,而非新型材料开发,但是对吸波材料隐身性能的提高仍然具有相当大的建设性,研究前景非常广阔。
参考文献:
[1]骆武.防雷达新型三维伪装网的研究[D].北京工业大学硕士学位论文,2004.
[2]郭伟凯.碳纤维排布方式对结构吸波材料吸波性能的影响及其机理分析[D].天津大学硕士学位论文,2004.
[3]邹田春等.活性碳毡对称振子阵列/树脂复合吸波材料的研究[J].航空材料学报,2006,26(5).
[4]刘旭光.复杂异形界面碳化硅纤维的制备与性能[D].国防科技大学硕士论文,2005.
[5]刘长进.纤维(毡)/环氧树脂电路模拟吸波材料的制备与性能研究[D].天津大学硕士论文,2005.
[6]孟辉.纤维型雷达隐身吸波材料的研究进展[J].现代涂料与涂装,2005,(6).
[7]于名讯.厘米波/毫米波兼容隐身湿纺织物研究[J].功能材料,2006,37(6).
关键词:吸波纤维;碳纤维;碳化硅纤维;金属纤维
1、前言
随着各种电器、电子设备在现代社会中的极大普及,电子电气设备的使用越来越频繁和广泛,所有这些不可避免向环境辐射电磁能量。这些电磁能量给人们正常的生活与工作带来许多危害。由此,吸波材料的性能研究与实际应用被越来越多地关注。
所谓吸波材料,是指能够吸收衰减入射的电磁波,并将其电磁能转换成热能而耗散掉或使电磁波因干涉而消失的一类材料。
吸波材料按材料成型工艺和承载能力可分为涂敷型和结构型。涂敷型吸波材料是将吸收剂与粘结剂混合后涂敷于目标表面形成吸波涂层;而结构型吸波材料,则通常是将吸收剂(粉剂、纤维等形式)分散在由特种纤维 (如石英纤维、玻璃纤维等)增强的结构材料中所形成的结构复合材料,它具有承载和吸收雷达波双重功能。其中,吸波纤维作为一类具有鲜明特点的结构型吸波材料,与日常织物共混后形成的纤维吸波材料,既具有较优良的吸波性能,又具有体积质量轻、实施方法易,敷设范围广等优点,因而成为近年来吸波材料的一大研究发展趋势。
按照纤维吸波材料的吸波纤维材质不同,比较具有代表性的主要有以下几种:
2、碳纤维
隐身用的特种碳纤维是制造吸波材料的关键。碳纤维结构吸波材料具有承载和减少雷达比反射面的双重功能,是功能与结构一体化的优良微波吸收材料。与其它吸波材料相比,它不仅具有硬度高、高温强度大、热膨胀系数小、热传导率高、耐蚀、抗氧化等特点,还具有质轻、吸收频带宽的优点。目前认为,碳纤维作为树脂增强体加入,添加的碳纤维量达40%甚至更多,这种碳纤维复合材料对电磁波几乎是全反射,只有经过特殊处理的碳纤维才具有一定的吸波性能。这些特殊处理方法主要有邹田春等人[3]将对称振子结构应用于吸波材料的设计中,采用粘胶基活性碳毡作为振子臂的材料,并在两臂间接以电阻。研究了电阻阻值、振子间距和振子阵列的位置对吸波性能的影响,结果表明:振子与入射电场平行时,本实验条件下可获得有效带宽13GHz,最大吸收峰值-30.3dB的反射衰减。
此外,天津大学郭伟凯硕士[2]通过研究发现,碳纤维的间距、排布方式对吸波性能有重要影响。将未经改性处理的碳纤维排布于环氧树脂基体中,同样可得到优良的吸波效果。并通过实验证明了碳纤维垂直排布方式制得的碳纤维/环氧树脂复合吸波材料的吸波性能呈各向同性。其吸波性能优于碳纤维的平行和正交排布方式下制得的吸波材料的性能。
3、碳化硅纤维
SiC纤维是近年来受材料界关注的高性能陶瓷纤维,它小仅密度小,比强度大,比模量高,线膨胀系数小,还具有耐高温氧化性能,与金属、陶瓷、聚合物都具有很好的复合相容性,是高性能复合材料的理想增强纤维。同时,其导电率可在较宽范围调节,根据制造条件不同而具有透波性与吸波性,是很有前途的隐身吸波材料[4]。
国防科技大学的刘旭光硕士[4]在前人研究基础上,制备了条形、五叶形和三折叶形截面碳化硅纤维,并对其成型工艺、性能及吸波机理进行了研究。并发现,随着电磁波频率的增加,异形SiC纤维的反射衰减增大。条形、五叶形和三折叶形纤维的最大衰减分别为17.7、7.2和18.2dB,其反射衰减大于10dB的频率分别为1.6、0、1.8GHZ。图2.4为异形SiC纤维的断面形貌:
而在刘长进[5]的研究中,通过对碳化硅纤维正交电路屏/环氧树脂复合吸波材料、化学镀镍碳化硅纤维正交电路屏/环氧树脂复合吸波材料的吸波性能的讨论和分析,发现采用碳化硅纤维和化学镀镍碳化硅纤维作为吸收剂的复合材料在高频段均具有较好的微波吸收性能。并发现纤维间距和纤维的增重率(镀覆时间)对这两种吸波纤维的影响很大。
4、金属纤维
金属纤维填充聚合物复合材料不仅使其具有导电、导热功能,而且作为电磁屏蔽材料和吸波材料具有广泛的应用前景。其直径在微米、亚微米甚至纳米量级,长度在几微米到几百微米范围变化,纵横比较大,属一维材料,同铁氧体、羰基铁一样均属于磁介质吸波材料。但由于它们的电磁参数具有显著的各向异性,因而提供了不同于各向同性介质的损耗机制,而且质量轻。其中,对多晶铁纤维吸波材料的研究始于20世纪80年代中期,它包括铁纤维、镍纤维、钴纤维及其合金纤维,在国外已商品化,进入实用阶段[6]。
于名讯等人[7]通过对非织造布隐身织物进行工艺改进,设计了湿纺隐身织物的制备工艺,赋予湿纺织物表面易于喷漆或彩印的特性,各类型纤维在湿纺织物中处于受约束状态,从而使湿纺织物性能具有稳定性和可重复性。试验结果表明:不锈钢纤维和多晶铁纤维的添加有利于织物厘米波段隐身性能的提高,但在毫米波段反射率方面,存在一个适中的多晶铁纤维添加量。
除此之外,针对混杂纤维和异形纤维的研究也比较常见,虽然这两种纤维吸波材料主要是利用原有材料进行改性探讨,而非新型材料开发,但是对吸波材料隐身性能的提高仍然具有相当大的建设性,研究前景非常广阔。
参考文献:
[1]骆武.防雷达新型三维伪装网的研究[D].北京工业大学硕士学位论文,2004.
[2]郭伟凯.碳纤维排布方式对结构吸波材料吸波性能的影响及其机理分析[D].天津大学硕士学位论文,2004.
[3]邹田春等.活性碳毡对称振子阵列/树脂复合吸波材料的研究[J].航空材料学报,2006,26(5).
[4]刘旭光.复杂异形界面碳化硅纤维的制备与性能[D].国防科技大学硕士论文,2005.
[5]刘长进.纤维(毡)/环氧树脂电路模拟吸波材料的制备与性能研究[D].天津大学硕士论文,2005.
[6]孟辉.纤维型雷达隐身吸波材料的研究进展[J].现代涂料与涂装,2005,(6).
[7]于名讯.厘米波/毫米波兼容隐身湿纺织物研究[J].功能材料,2006,37(6).