任 帥，宮元勛，趙宏杰，張耀輝，劉 卓，周 濟，李 勃

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通過流延法制備鐵粉基吸波電磁膜及其吸波性能研究

任 帥1，宮元勛2，趙宏杰2，張耀輝2，劉 卓1，周 濟1，李 勃1

（1. 清華大學 深圳研究生院能源與環(huán)境學部，廣東 深圳 518055；2. 航天特種材料及工藝技術研究所，北京 100084）

采用流延工藝制備含不同形貌鐵粉吸收劑的吸波電磁膜，研究了所制電磁膜的吸波性能。結果表明：電磁膜吸波性能受到作為吸收劑的鐵粉相貌的影響。采用片狀鐵粉吸收劑試樣在2~18 GHz頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)微波反射率基本達到–5 dB，采用球狀鐵粉吸收劑試樣在5~18 GHz頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)微波反射率基本達到–5 dB，吸收峰值均大于–20 dB。

流延；電磁膜；電磁參數(shù)；吸波性能；鐵粉；形貌

隱身技術是一種在遙感探測環(huán)境中降低目標的可探測性，使其在一定范圍內(nèi)難以被發(fā)現(xiàn)的技術[1]。雷達隱身技術的核心是降低目標的雷達散射界面即RCS（Radar Cross-Section），其技術途徑主要分為兩種：一是通過設計、修改目標的外形以達到降低RCS的目的；二是對目標使用具有吸收雷達波功能的材料，即雷達吸波材料（以下簡稱吸波材料）[2]。但外形設計的難度較大，這是因為受到工程力學、武器裝備等技術指標的限制，并且采用最優(yōu)化設計的外形可能會大大降低武器裝備的作戰(zhàn)能力和環(huán)境適應能力[3]。因此，吸波材料的研究已成為雷達隱身技術研究的熱點。其基本原理是當雷達波輻射到隱身材料表面及進入材料內(nèi)部后，隱身材料可將雷達波能量轉換成其他形式的能量，消耗掉雷達波部分能量，使其回波殘缺而不完整，從而極大破壞雷達的探測概率[4-5]。

目前，常用的吸波材料主要由吸波劑與高分子材料（如樹脂與橡膠及其改性材料）組成[6]。其中決定吸波性能優(yōu)劣的關鍵則是所選取的吸波劑的種類及其含量。就吸收劑的種類而言，根據(jù)吸波劑的吸收原理不同，通?？煞譃殡姄p耗型和磁損耗型兩大類，金屬鐵粉價格適中，具有一定的抗氧化能力，同時具有電損耗和磁損耗，對電磁波具有較好的反射和吸收能力，是一種比較理想的吸波材料[7]。就吸收劑含量而言，不同吸收劑含量的吸波材料在不同的頻段有著各自良好的吸波性能。本文研制了一類采用流延工藝制備不同吸收劑含量的吸波材料，研究了可以制備高吸收劑含量的吸波材料的方法并探討其在各個波段的吸波性能。

1 實驗

1.1 實驗材料

采用的鐵粉為片狀鐵粉和球狀鐵粉48 mm（300目，南京大學吸波材料和技術研究中心生產(chǎn)）；粘結劑為環(huán)氧樹脂，型號E-44(無錫樹脂廠生產(chǎn))；分散劑為四氫呋喃（分析純）和丙酮（分析純）的混合物。

1.2 制備工藝

采用流延工藝制備吸波電磁膜。首先配制適量的四氫呋喃和丙酮的混合溶液放入燒杯中待用，將環(huán)氧樹脂浸入混合溶液中充分軟化，分別稱取定量的球狀鐵粉和片狀鐵粉放入不銹鋼球磨罐中，加入混有軟化后樹脂的混合溶液，在QM-3SP4行星式球磨機上球磨3 h，轉速300 r/min，將制備好的漿料在流延機上流延成電磁膜，膜厚控制在50 μm，然后按試樣需求對單層進行疊層，得到預定的厚度后放入烘箱中固化3 h，固化溫度為180℃，得到吸波電磁膜。表1為鐵粉與樹脂的質量分數(shù)。

表1 鐵粉與樹脂質量分數(shù)

1.3 結構表征

采用Hitachi S-4800型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察樣品形貌，采用D/MAX 2500型X射線衍射儀（XRD）進行吸收劑微結構分析，測試條件為：Cu靶，Kα射線（=0.154 056 nm）為源。

1.4 電磁參數(shù)測試

采用E5230A型微波矢量網(wǎng)絡分析儀測量系統(tǒng)測量其在2.6~3.95 GHz頻率范圍內(nèi)的復介電常數(shù)和復磁導率，測量方法為矩形波導法，并利用真空袋工藝將單層電磁膜進行疊層以達到標準試樣的厚度，試樣規(guī)格為72.14 mm×32.04 mm×10 mm；采用弓形法測量其在2~18 GHz頻率范圍內(nèi)的平板反射率，同樣利用真空袋工藝制備標準試樣，試樣規(guī)格為180 mm×180 mm×12 mm。

2 結果與討論

2.1 XRD分析

對鐵粉原料、吸波電磁膜以及碾碎的吸波電磁膜進行了X射線衍射儀分析（見圖1）。從圖中可以看出吸波電磁膜以及碾碎的吸波電磁膜其相組成與鐵粉原料的相組成相同，在機械球磨、流延成型以及后續(xù)的加工使用過程中鐵粉并沒有發(fā)生明顯氧化現(xiàn)象。

圖1 試樣的XRD譜

2.2 SEM分析

采用Hitachi S-4800型掃描電子顯微鏡分別觀察所制備的球狀鐵粉和片狀鐵粉吸波電磁膜中吸收劑的分布情況。圖2(a)為球狀吸收劑流延后所得的吸波電磁膜的掃描電鏡形貌照片，可見流延后鐵粉顆粒仍保持球狀結構，平均粒徑約50 mm；并且吸收劑顆粒在PVDF薄膜基底上分布均勻，孔洞較少。

圖2 試樣SEM照片

圖2(b)為片狀吸收劑流延后所得的吸波電磁膜的掃描電鏡照片，可見流延后鐵粉顆粒仍保持片狀結構，片狀大小不夠均勻，對其吸波性能可能會有影響。

2.3 電磁性能分析

一般對于吸波性能良好的材料，吸波材料應該滿足兩個條件：（1）電磁波入射到材料上時，要使電磁波能夠最大限度地進入到材料內(nèi)部，即空氣和試樣表面的電磁匹配度要好，應盡量滿足/=1，而一般材料的磁導率比介電常數(shù)要小，故試樣要獲得良好的電磁匹配性，應使其磁導率增加而介電常數(shù)減小；（2）電磁波進入試樣內(nèi)部，電磁波能迅速地被消耗掉，即試樣的電磁損耗要大[8-9]。當介質有損耗時，其能量損耗tan可用介電常數(shù)和磁導率（其中1、2為介電常數(shù)的實部和虛部，1、2分別為磁導率的實部和虛部）表征，其關系式為tan=tan+tan=2/1+2/1式中：tan為電損耗，tan為磁損耗。由此可知，1和1在足夠大的基礎上，2和2越大越好，即兩個復數(shù)參量的虛部與實部的正切值越大，越有利于電磁波衰減損耗[10]。

圖3為不同質量分數(shù)球狀材料試樣的各電磁參數(shù)與電磁波頻率之間的關系曲線。從圖3可以看出，在S波段內(nèi)，隨著吸收劑含量的增加，球狀鐵粉試樣的介電常數(shù)和磁導率均有變大的趨勢；同時可以看出，在2.6~3.95 GHz頻率范圍內(nèi)，q90試樣相對于其他質量分數(shù)的試樣具有很高的介電常數(shù)實部和虛部，同時也具有較高的磁導率實部和虛部，這對于吸波材料在S波段內(nèi)具有良好的吸波性能意義重大。

(a)球狀鐵粉試樣介電常數(shù)實部曲線

(b)球狀鐵粉試樣介電常數(shù)虛部曲線

(c)球狀鐵粉試樣磁導率實部曲線

(d)球狀鐵粉試樣磁導率虛部曲線

圖3 球狀鐵粉試樣2.6~3.95 GHz的電磁譜

Fig.3 Electromagnetic spectra of spherical Fe powder at 2.6~3.95 GHz

采用弓形法測量試樣的平板反射率來表征吸波材料的微波吸收性能。鐵粉顆粒尺寸的數(shù)量級為10–5 m，而雷達波（2~18 GHz）的波長為0.1 m~0.02 m，這樣鐵粉顆粒對雷達波必然產(chǎn)生瑞利散射。散射粒子含量很多時，由于粒子之間的遮蔽，參與散射的粒子減少，使粒子對電磁波的散射作用降低，參加吸收的鐵粉顆粒也減少，因此被吸收劑吸收的散射波減少；鐵粉顆粒在微波頻率區(qū)間工作方式為自然共振吸收，在反射衰減曲線上表現(xiàn)為一尖峰，所以單一的鐵粉顆粒工作頻帶不寬，大量使用鐵粉將減少材料的有效帶寬。這二者的共同作用使得鐵粉含量越高，材料的吸收峰值趨向于低頻且吸收水平降低。隨著鐵粉顆粒量的減少，參與散射的粒子增加，瑞利散射效應加強，吸收劑的作用得到較強體現(xiàn)，使得電磁波的損耗增加[11]。但是鐵粉含量減少到低于一定量時，散射粒子占空比增加，瑞利散射的向后散射系數(shù)變大，同時自然共振吸收的作用也減少，吸收水平將會降低[12]。圖4為試樣大小180 mm×180 mm厚度為1.2 mm時不同質量分數(shù)的球狀鐵粉試樣的反射率與電磁波頻率之間的關系曲線。從圖4可以看出，當試樣厚度為1.2 mm時，不同質量分數(shù)的球狀鐵粉試樣構成的吸波材料在2~18 GHz下均出現(xiàn)吸收峰，峰值均>–20 dB，并且隨著鐵粉質量分數(shù)的增加吸收峰朝著低頻方向移動（q75試樣在頻率9.2 GHz出現(xiàn)吸收峰，q80試樣吸收峰出現(xiàn)在7.8 GHz頻率處，q85試樣吸收峰出現(xiàn)在6.2 GHz處，q90試樣吸收峰出現(xiàn)在4.5 GHz處）。同時可以看出，隨著鐵粉質量分數(shù)的增加吸波頻帶寬度有減小的趨勢（q75試樣有5 GHz頻段吸波效果>–10 dB，q80試樣有3.6 GHz頻段吸波效果>–10 dB，q85試樣有3.2 GHz頻段吸波效果>–10 dB，q90試樣有2.1 GHz頻段吸波效果>–10 dB）。

圖4 不同吸收劑含量試樣的反射率衰減曲線

上述結果表明，經(jīng)流延工藝制備的不同質量分數(shù)的球狀鐵粉吸波電磁膜在各自的頻段有著較好的吸波性能，可以用于寬頻、薄層、強吸收復合材料的設計制備。

圖5為鐵粉質量分數(shù)為80%時球狀鐵粉試樣和片狀鐵粉試樣的各電磁參數(shù)與電磁波頻率之間的關系曲線。從圖5可以看出，當鐵粉質量分數(shù)為80%時，在S波段內(nèi)，片狀鐵粉試樣的初始磁導率虛部為3.0而球狀鐵粉試樣的初始磁導率虛部為0.5，但是磁導率實部都在2.6~3.0之間，這有利于提高片狀鐵粉試樣的磁損耗特性，從而有利于吸波材料的薄型化；但片狀鐵粉試樣相對球狀鐵粉試樣在初始介電常數(shù)虛部相差不大的情況下，其介電常數(shù)實部為44，而球狀鐵粉試樣的介電常數(shù)實部只有13，這不利于其電損耗特性；同時介電常數(shù)實部的增加也不利于試樣表面與空氣的電磁匹配特性。磁導率虛部的大量增加彌補了介電常數(shù)實部增加帶來的電損耗和阻抗匹配的下降，決定了質量分數(shù)為80%時片狀鐵粉在低頻段具有較好的吸波特性，而球狀鐵粉在這一頻段的吸波特性較差。

(a)介電常數(shù)曲線

(b) 磁導率曲線

圖5 試樣在2.6~3.95 GHz的電磁譜

Fig.5 Electromagnetic spectra of samples at 2.6–3.95 GHz

圖6為試樣大小180 mm×180 mm，厚度1.2 mm時質量分數(shù)為80%的球狀鐵粉試樣和片狀鐵粉試樣的反射率與電磁波頻率之間的關系曲線。從圖6可以看出，球狀鐵粉和片狀鐵粉構成的吸波材料試樣在2~18 GHz下均出現(xiàn)吸收峰，且片狀鐵粉試樣吸收峰出現(xiàn)在S波段（3.6 GHz），球狀鐵粉試樣的吸收峰仍出現(xiàn)在7.8 GHz處，這是因為球狀鐵粉試樣相對片狀鐵粉試樣其介電常數(shù)較低，從而介質波長較大，可以用1/4介質波長干涉型吸波理論來有效解釋[13]。另外，片狀鐵粉試樣吸收峰值相對較低，峰值約為–14 dB，在2~18 GHz頻率范圍內(nèi)微波反射率基本達到–5 dB；而球狀鐵粉吸收峰值相對較高，峰值約為–34 dB，且在5~18 GHz頻率范圍內(nèi)微波反射率基本達到–5 dB，在6~9.6 GHz頻率范圍內(nèi)達到–10 dB。上述結果表明，經(jīng)流延工藝制備的片狀、球狀鐵粉吸波電磁膜在各自的頻段具有較好的吸波性能，可以用于寬頻、薄層、強吸收復合材料的設計制備。

圖6 試樣的反射率衰減曲線

3 結論

使用流延工藝可以制備吸波性能良好的鐵粉/樹脂吸波電磁膜，其單層電磁膜厚度可以控制在50 μm左右，所用的吸收劑可以是片狀鐵粉吸收劑或者球狀鐵粉吸收劑。吸收劑相同時，吸收劑含量越高，吸波性能好的頻段越低，且球狀鐵粉吸收劑的吸收峰值均>–20 dB；相同質量分數(shù)下，片狀鐵粉吸收劑在低頻波段吸波性能較好，在2~18 GHz頻率范圍內(nèi)微波反射率基本達到–5 dB，球狀鐵粉吸收劑在相對高頻波段吸波性能較好，在5~18 GHz頻率范圍內(nèi)微波反射率基本達到–5 dB。

文中討論的是試樣厚度為1.2 mm時數(shù)層吸收劑形貌、含量相同的電磁膜疊層固化后吸波電磁膜的吸波性能，由于單層膜厚只有50 μm，經(jīng)過進一步的優(yōu)化改進及模擬設計，采用不同吸收劑形貌、不同吸收劑含量的電磁膜疊層固化，可以使得吸波材料的有效頻帶進一步拓寬，反射衰減值進一步提高，從而為薄層吸波材料的設計和制備提供可能。

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Wave absorption performance of iron powder absorbingelectromagnetic membrane by stretch method

REN Shuai, GONG Yuanxun, ZHAO Hongjie, ZHANG Yaohui, LIU Zhuo, ZHOU Ji, LI Bo

(1. Energy and Environment Department, Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055, Guangdong Province, China; 2. Space of Special Materials and Technology Research Institute, Beijing 100084, China)

An absorbing electromagnetic membrane, employing different shapes of iron powder as absorbent, was prepared by the wet stretch method. The performance of prepred membrance was studied. The results show that the absorbing performance is affected by the shape of iron powder as absorbent. For the electromagnetic membranes based on sheet absorbent, the reflection loss is below –5 dB in 2－18 GHz. For the electromagnetic membranes based on spherical absorbent, the reflection loss is below –5 dB and the absorption peak is below –20 dB in 5－18 GHz.

wet stretch; electromagnetic membrane; electromagnetic parameters; wave absorption performance; iron powder; shape

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.10.006

TM25

A

1001-2028（2016）10-0025-05

2016-07-06

李勃

深圳市科技計劃資助項目

李勃（1976－），男，山東高密人，研究員，主要從事信息功能陶瓷和相關元器件研究，E-mail: boli@tsinghua.edu.cn ；

任帥（1990－），男，河北邢臺人，研究生，研究方向為功能陶瓷及吸波材料，E-mail: 799894628@qq.com 。

網(wǎng)絡出版時間：2016-09-29 10:08:43

網(wǎng)絡出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160929.1008.006.html

（編輯：曾革）