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吸波材料相關(guān)知識

發(fā)布時(shí)間:2021-10-21 18:06:00  瀏覽次數:665

吸波材料
吸波材料在解決高頻電磁干擾技術(shù)上,完全采用屏蔽的解決方式越來(lái)越不能滿(mǎn)足規則了。因為諸多設備中,端口的設置及通風(fēng)、視窗等的需求使得實(shí)際的屏蔽方法不可能形成像法拉第電籠那樣的全屏蔽電籠,端口尺寸技術(shù)是設備高頻化的一大威脅。另外,困擾人們的還有另外一個(gè)技術(shù),在設備實(shí)施了有效的屏蔽后,對外干擾技術(shù)雖然解決了,但電磁波干擾技術(shù)在屏蔽系統內部仍然存在,甚至因為屏蔽導致干擾加劇,甚至引發(fā)設備不能正常工作。這些都是屏蔽存在的技術(shù),也正是因為這些技術(shù)的存在,吸波材料有了用武之地。

    吸波材料是指能夠有效吸收入射電磁波并使其散射衰減的一類(lèi)材料,它通過(guò)材料的各種不同的損耗機制將入射電磁波轉化成熱能或者是其它能量形式而達到吸收電磁波目的。不同于屏蔽解決方案,其功效性在于減少干擾電磁波的數量。既可以單獨使用吸收電磁波,也可以和屏蔽體系配合,提高設備高頻功效。 

    目前常用的吸波材料可以對付的電磁干擾頻段范圍從0.72GHz到40GHz。當然應用在更高和更低頻段上的吸波材料也是有的。吸波材料大體可以分成涂層型、板材型和結構型;從吸波機理上可以分成電吸收型、磁吸收型;從結構上可以分為吸收型、干涉型和諧振型等吸波結構。吸波材料的吸波效果是由介質(zhì)內部各種電磁機制來(lái)決定,如電介質(zhì)的德拜弛豫、共振吸收、界面弛豫磁介質(zhì)疇壁的共振弛豫、電子擴散和微渦流等。 

    吸波材料的損耗機制大致可以分為以下幾類(lèi):其一,電阻型損耗,此類(lèi)吸收機制和材料的導電率有關(guān)的電阻性損耗,即導電率越大,載流子引起的宏觀(guān)電流(包括電場(chǎng)變化引起的電流以及磁場(chǎng)變化引起的渦流)越大,從而有利于電磁能轉化成為熱能。其二,電介質(zhì)損耗,它是一類(lèi)和電極有關(guān)的介質(zhì)損耗吸收機制,即通過(guò)介質(zhì)反復極化產(chǎn)生的“摩擦”作用將電磁能轉化成熱能耗散掉。電介質(zhì)極化過(guò)程包括:電子云位移極化,極性介質(zhì)電矩轉向極化,電鐵體電疇轉向極化以及壁位移等。其三,磁損耗,此類(lèi)吸收機制是一類(lèi)和鐵磁性介質(zhì)的動(dòng)態(tài)磁化過(guò)程有關(guān)的磁損耗,此類(lèi)損耗可以細化為:磁滯損耗,旋磁渦流、阻尼損耗以及磁后效效應等,其主要來(lái)源是和磁滯機制相似的磁疇轉向、磁疇壁位移以及磁疇自然共振等。此外,最新的納米材料微波損耗機制是目前吸波材料分析的一大熱點(diǎn)。 

    由于篇幅所限,本文對吸波材料的損耗機制僅做了最為簡(jiǎn)約的敘述,對其詳述及其結構設計及結構對吸波效能的干擾等方面將在以后的文章中做出解釋。 

    總之,高速趨勢的新科技正引領(lǐng)著(zhù)世界范圍內的各行各類(lèi)電氣、電子設備向高頻化、小型化方向趨勢,高頻電磁干擾技術(shù)必將越發(fā)突顯,吸波材料必然有越來(lái)越廣闊的應用空間。 
 
 
吸波材料的損耗型吸波機制

上一篇文章,我們只是粗略地說(shuō)明了一下吸波材料的類(lèi)型和和吸波原理相關(guān)的知識。那么您可能會(huì )問(wèn):吸波材料為什么會(huì )吸收電磁波?在接下來(lái)的文章中,我們會(huì )向您較詳細地說(shuō)明吸波材料的兩大類(lèi)吸波機制。今天我們向您說(shuō)明損耗型吸波機制。 
 
      材料損耗是指電磁波進(jìn)入吸波材料內部,其能量被材料有效吸收,轉化為熱能或其他形式能量而耗散掉。設計這種類(lèi)型的吸波材料一般需要考慮兩個(gè)方面:阻抗匹配設計和衰減設計。阻抗匹配設計是指創(chuàng )造特殊的邊界條件使入射電磁波在材料介質(zhì)表面的反射系數R 最小(理想情況R = 0),從而使電磁波最大程度地進(jìn)入材料內部。 
 
       根據電磁場(chǎng)理論[1] ,當電磁波由阻抗為Z0 的自由空間垂直入射到阻抗為Z 的半無(wú)限介質(zhì)表面時(shí),其反射系數R 滿(mǎn)足: 
 
 ----------- (1) 
 
式中:  
為介質(zhì)波阻抗: , 為自由空間波阻抗。在使盡可能多的電磁波入射進(jìn)入吸波材料內部,我們就是要盡可能降低反射系數R。
 
當介質(zhì)有損耗時(shí),相對磁導率 和相對介電常數 表示為復數: 
 , 
 

 
  
其中,實(shí)部 和 表征了材料的儲能容量,如磁化能和電容;而虛部 和 為極化損耗。由公式(1) 很容易推得,理想情況下的阻抗匹配公式: 
 --------(2) 
        然而,由于u和e都是和頻率 有關(guān)的函數,同一介質(zhì)某個(gè)頻率 的 和 難以都滿(mǎn)足公式(2) ,因此該公式是相當苛刻的。為此, 秦柏、秦汝虎等人提出說(shuō)說(shuō)更容易讓人接受的阻抗匹配公式: 
 
 
         即“廣義匹配定律”[2 ]:  
,并且指出該公式可以作為有效地選購材料和材料厚度的判據, 利用該公式容易獲得展寬、減輕、減薄的吸收劑。 
 
衰減設計是指選用合理的損耗介質(zhì)(吸收劑)以及合理的材料結構特征,以便使進(jìn)入材料內部的電磁波迅速地最大限度地衰減掉。損耗介質(zhì)對電磁波的衰減能力常用電損耗角正切 
和磁損耗角正切 來(lái)表示,其值越大,衰減能力越強。從這一點(diǎn)來(lái)看, 似乎意味著(zhù)介質(zhì)的 和 越

大,吸波能力越強。然而,損耗介質(zhì)的選用和材料的結構設計往往是緊密聯(lián)系在一起的。實(shí)際工作中,常常根據不同的結構設計方案來(lái)選用具有合適電磁參數的損耗介質(zhì)。因此,一心追求大的 或 的做法是不對的。 
 
        簡(jiǎn)而言之,損耗型吸波機制就是盡可能增大入射電磁波量,盡可能加強熱轉換率,從而達到盡可能大的電磁波吸收功效。 

吸波材料的結構型吸波機制
    結構型吸波材料主要是依靠相消原理【1】來(lái)吸收電磁波的。相位相消型吸波材料是按照電磁波的干涉原理來(lái)設計的?,F以單層吸波材料為例加以說(shuō)明。把吸波材料放置在金屬基體上,當厚度和入射電磁波長(cháng)的關(guān)系滿(mǎn)足:時(shí),我們參看下圖: 
 
 
 

    這 列平行的電磁波入射到吸波材料表面時(shí),發(fā)生折射和反射。入射部分電磁波經(jīng)底部金屬板反射,再從吸波材料的表面形成出射波,且傳播方向不發(fā)生變化。由于吸波材料的厚度是四分之一波長(cháng),所以出射波將和入射波的相位差正好是180度,波的干涉原理告訴我們此刻它們會(huì )發(fā)生完全相消,從而使得總反射波的發(fā)生大大衰減。這便是吸波材料的四分之一波長(cháng)吸波原理。 
 
    吸波原理是說(shuō)說(shuō)很有效的微波吸收理論,利用這一原理,我們可以設計出任一頻率電磁波的吸收材料。但事實(shí)上,我們還需考慮更深層次的技術(shù),因為我們發(fā)現單憑這一原理是很難制造出實(shí)用的吸波材料。原因很簡(jiǎn)單,假設入射電磁波是1GHz頻率的電磁波,根據公式,我們不難得到其波長(cháng)為300mm,其四分之一是75mm,對于這么厚的吸波材料在絕大多數場(chǎng)合我們是很難應用的,且價(jià)格也是接受不了的。 
 
    這時(shí)我們不得不更深層次地討論技術(shù)。 
 
    根據波的折射、反射原理,我們發(fā)現波的折射和反射系數跟空氣和入射材料介質(zhì)的性質(zhì)有很大關(guān)系。假定空氣的介電常數 和磁導率 為1,則可以得到1式: 
 
                  
 --------------------(1) 
 
    這時(shí)的 就是電磁波在介質(zhì)中的實(shí)際傳播波長(cháng)。因此我們只需要控制材料的介電常數 和磁導率 ,使其乘積值大于1,就可以減少材料的厚度,制成我們實(shí)際可以應用的吸波材料。因而真正的吸波材料技術(shù)也就成了控制材料介電常數和磁導率的技術(shù)。 
 
    當吸波材料的有效厚度d 一定時(shí), 則一定能吸收一定頻率的波長(cháng),然而人們發(fā)現當波長(cháng)發(fā)生變化時(shí),吸波材料的總反射率就會(huì )急速上升, 使得這種吸波材料工作頻帶很窄。如“Salisbury screen”,這是說(shuō)說(shuō)單波段吸波材料,其吸波特點(diǎn)是在某一對應的中心頻率有一強吸收峰,而這個(gè)有效吸波頻帶的寬度是很窄的。許多薄層吸波涂層以公式(1) 進(jìn)行設計,同樣干涉原理也可以在結構吸波材料的設計。例如,在幾層夾芯結構吸波材料(由復合面板、夾芯和衰減片組成) 中,控制衰減片(起主要的吸波作用) 的阻抗和衰減片之間的距離,使各次反射波相位相反,就可以產(chǎn)生相消干涉,從而衰減反射波的能量。 
 
    最后,我們不妨指明一下,對于任何材料的可應用性還包裹材料的物理和機械性能,吸波材料也不例外。對于這種有效性,人們的常用辦法是在不同基體材料添加有效粒子成份的辦法來(lái)制造吸波材料,因而吸波材料制造技術(shù)的分析實(shí)際上在分析填充粒子的種類(lèi)、密度同使用電磁波頻段的關(guān)系,輔以結構性和基材的分析以及在窄頻和寬頻應用時(shí)吸收能效考慮的綜合的實(shí)驗型技術(shù)。


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