唐浩　趙會(huì)友　肖品

摘 要： 對(duì)吸波材料的匹配機(jī)理阻抗匹配運(yùn)用傳輸線理論進(jìn)行了宏觀上的解釋與理解，結(jié)合運(yùn)用物理模型對(duì)吸波材料的損耗機(jī)理進(jìn)行了解釋與分析。并通過(guò)本實(shí)驗(yàn)室生成的纖維對(duì)其運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀測(cè)量電磁參數(shù)并進(jìn)行吸波性能模擬，研究了纖維含量，試樣厚度，以及頻率等對(duì)吸波性能造成的影響。并運(yùn)用上述機(jī)理對(duì)吸波變化進(jìn)行解釋，發(fā)現(xiàn)含量40%，厚度1.5mm的纖維最大反射率達(dá)到-37.94dB。

關(guān)鍵詞： 傳輸線理論；阻抗匹配；纖維；反射率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.032

1 引言

吸波材料如今在軍事和環(huán)保方面都發(fā)揮著巨大作用，但無(wú)論運(yùn)用在何處，吸波材料都有相似的設(shè)計(jì)機(jī)理，其作用都是為了減少或消除雷達(dá)、紅外線等對(duì)目標(biāo)的探測(cè)及輻射。此外，在環(huán)保工程中，電磁污染已經(jīng)成為世界性公害，世界衛(wèi)生組織已將其列為繼水污染大氣污染、噪聲污染之后的第四大污染[1] ，為了防止電磁污染，吸波材料還具有重要應(yīng)用價(jià)值。而其中影響材料吸波性能的主要因素包括，復(fù)磁導(dǎo)率、復(fù)介電常數(shù)、損耗因子、以及吸波材料的厚度等[2]。如今由于吸波材料在軍事上的迅猛發(fā)展，對(duì)其性能也有了更高的要求，“薄、輕、寬、強(qiáng)”四方面的要求已經(jīng)成為新型吸波材料設(shè)計(jì)方向。（厚度薄，質(zhì)量輕，吸收頻帶寬，強(qiáng)吸收）[3]，而纖維在厚度，以及質(zhì)輕，增韌方面必然會(huì)有顯著的作用[4]。為此，作者采用本實(shí)驗(yàn)室生成的sic纖維對(duì)其吸波性能方面進(jìn)行了研究。

2 吸波機(jī)理

在吸波體的設(shè)計(jì)當(dāng)中入射波能最終會(huì)被分為，反射部分，介質(zhì)損耗，透射部分。而理想吸波材料目的就是為了最大化降低反射部分[5]。

SE=SER +SEB +SEC

吸波材料對(duì)電磁波是否有好的吸收性能不僅取決于材料是否具有大的損耗，還取決于電磁波能否從自由空間順利進(jìn)入材料內(nèi)部。這就要求材料表面的電阻抗與自由空間的阻抗接近，也就是阻抗匹配[6]。

文獻(xiàn)[7]用傳輸線模型對(duì)阻抗匹配條件進(jìn)行了解釋，但并未涉及介電常數(shù)，磁導(dǎo)率等參數(shù)，因此后文將引入這些參數(shù)：

在廣義匹配定義中[8]：

對(duì)于單層吸波材料進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)時(shí)，反射率Γ為0，得到μ/ε=μ”/ε”=1，推出ε”/ε=μ”/μ=M，由本式可推出d=c/4fA其中A為復(fù)磁導(dǎo)率μr或復(fù)介電常數(shù)εr的模，此式說(shuō)明介電常數(shù)或磁導(dǎo)率越大，對(duì)單層吸波材料在增薄方面越有利。但此前提是在滿足匹配設(shè)計(jì)的前提下。

但在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中無(wú)論軍工或是民用當(dāng)中，電磁波的頻率并不是確定值都有一定的波段。所以，若在用上式中的單層匹配設(shè)計(jì)就不再適用。因此考慮到多層吸波材料設(shè)計(jì)。

在多層材料設(shè)計(jì)時(shí)如果在從各個(gè)電磁參數(shù)方面來(lái)控制阻抗匹配顯然過(guò)于繁雜，因此可以控制一些變量變?yōu)槌Ａ俊?/p>

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 碳化硅纖維和石蠟

將本實(shí)驗(yàn)室生成的碳化硅纖維打碎，與石蠟混合制成碳化硅纖維-石蠟測(cè)試圓環(huán)。按纖維的百分含量變化進(jìn)行分組。以及圓環(huán)不同厚度進(jìn)行分組。

根據(jù)測(cè)試的不同要求，選擇不同厚度的測(cè)試圓環(huán)測(cè)量不同厚度不同纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的介電常數(shù)，磁導(dǎo)率[10]。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)石蠟的反射峰是隨頻率的增大而增大，纖維含量20%，25%的反射峰也隨頻率的增大而增大，但纖維量達(dá)到百分之三十以后，反射峰的變化趨勢(shì)變?yōu)殡S頻率增大而降低。說(shuō)明在纖維含量在25%以下時(shí)，石蠟對(duì)反射損耗起主導(dǎo)作用，在纖維含量超過(guò)30%時(shí)纖維對(duì)反射損耗方面的影響逐漸體現(xiàn)出來(lái)。這里用導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)解釋，當(dāng)纖維相互聯(lián)系以后而非各自獨(dú)立，纖維的性能將逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。

在本實(shí)驗(yàn)室中可大致定為含量小于25%時(shí)，此時(shí)纖維部分相互團(tuán)聚、纏繞，也存在單獨(dú)的纖維分布?？傮w上纖維之間被基體相互隔開，未形成網(wǎng)絡(luò)。因此主體上還是體現(xiàn)出基體的性質(zhì)。

而當(dāng)纖維含量達(dá)到30%以后，由于纖維含量的增加（在本實(shí)驗(yàn)中定義為含量大于30%）使得相互孤立的纖維相互搭接，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整體體現(xiàn)出SiC纖維的性能，而不是如之前的纖維被基體孤立開來(lái)，只能在局部顯現(xiàn)出纖維的性能。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中每種纖維含量選擇吸收效果最好一組。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，纖維含量40%的反射損耗大，頻帶寬，厚度較小。纖維含量50%，2.5mm反射損耗最大，但頻帶較窄。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)表2可以知道纖維含量在50%，厚度2.5mm時(shí)，反射峰峰值為-41.66dB，反射率≤-10dB的頻帶范圍為6.72 ～ 8.64GHz，處在C波段。纖維含量40%，厚度1.5mm時(shí)，反射峰峰值為-37.94dB，反射率≤-10dB的頻帶范圍為12.72 ～ 16.00GHz，處在Ku波段。在滿足“薄，輕，寬，強(qiáng)”的前提下纖維含量40%，厚度1.5mm的試樣更能滿足要求。但同時(shí)也都存在一個(gè)缺點(diǎn)就是頻帶都比較窄，都只處在一個(gè)波段。

（2）以5.5mm試樣為例，它的前兩個(gè)反射峰值處的頻率正好與通過(guò)干涉理論計(jì)算出來(lái)的頻率吻合，說(shuō)明在吸波材料設(shè)計(jì)中，波的干涉將是要考慮的重要因素。

參考文獻(xiàn)：

[1]Adey W R. Biological effects of electromagnetic fields[J]. Journal of cellular biochemistry，1993，51（04）：410-416.

[2]Yu X，Lin G，Zhang D，et al. An optimizing method for design of microwave absorbing materials[J]. Materials & design，

（下轉(zhuǎn)第53頁(yè)）（上接第35頁(yè)）

2006，27（08）：700-705.

[3]劉順華，郭輝進(jìn).電磁屏蔽與吸波材料[J].功能材料與器件學(xué)報(bào)， 2002，8（03）：213-217.

[4]Yajima S， Hayashi J， Omori M. Continuous silicon carbide fiber of high tensile strength[J]. Chemistry Letters，1975， 4（09）：931-934.

[5]李黎明，徐政.吸波材料的微波損耗機(jī)理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，2004，25（02）：31-34.

[6]曹茂盛，房曉勇.多涂層吸波體的計(jì)算機(jī)智能化設(shè)計(jì)[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，25（01）：9-13.

[7]Rozanov K N. Ultimate thickness to bandwidth ratio of radar absorbers[J]. Antennas and Propagation， IEEE Transactions on， 2000， 48（8）： 1230-1234.

[8]秦柏，秦汝虎.“廣義匹配規(guī)律”的論證及在隱身材料中的應(yīng)用[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，29（04）：115-117.

[9]Wang G Q， Zhang P， Liu Z L， et al. Study on the reflection of EM wave from chiral material[J]. Applied surface science， 2004，225（01）：78-85.

[10]Janis A，Yao Y， Klement U. Dielectric properties of SiC nanowires with different chemical compositions[J]. Nanotechnology， IEEE Transactions on， 2011， 10（4）： 751-756.