纳米复合薄膜吸波材料的研究进展.pdf
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1、纳米复合薄膜吸波材料的研究进展Advance of Investigation on Nano2composite FilmElectromagnetic Wave Absorber李世涛1,乔学亮1,陈建国1,王洪水1,谈发堂1,邱小林1,2(1华中科技大学 模具技术国家重点实验室,武汉430074;2南昌理工学院 纳米材料研究中心,南昌330013)LI Shi2tao1,QIAO Xue2liang1,CHEN Jian2guo1,WANG Hong2shui1,TAN Fa2tang1,QIU Xiao2lin1,2(1 State key Lab of Die&Mould Techn
2、ology,Huazhong University ofScience and Technology,Wuhan 430074,China;2 Research of Center ofNano2material,Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330013,China)摘要:介绍纳米吸波剂的吸波剂机理,综述其研究现状,并总结各种薄膜吸波剂的优、缺点。最后对制备强、宽、轻、薄的纳米复合吸波剂进行展望。关键词:纳米复合;吸波材料;铁氧体;薄膜;透明导电中图分类号:TN 304.0255;O484.4 文献标识码:A 文章编号:100124381
3、(2006)Suppl20469204Abstract:The mechanism of electromagnetic wave absorption was briefly introduced.The recent re2search advances of radar absorber materials were described.The absorbers such as nano2compositethin films were summered up.Finally,the research future of nano2absorber is pointed out,whi
4、ch isstrong absorption,brand frequency,light density and thin thickness.Key words:nano2composite;radar magnetic absorber materials;ferrite;thin film;transparent&conduc2tive 随着现代科学技术的高速发展,电磁辐射充斥着人们的生活空间,造成了严重的电磁污染,引起世界各国的关注。科学家预言:在21世纪,电磁波污染将成为生态环境首屈一指的物理污染。为此1996年1月1日,欧盟颁布了CE标准,规定一切电子设备要投放市场就必须通过电磁兼
5、容指标的检查。美国制定了抗电磁干扰法规(FCC法)和“Tempest”技术标准。国际无线电抗干扰特别委员会(CISPR)制定了CISPR国际标准1。随着中国加入WTO,电磁兼容和电磁屏蔽已成为电子产品进入市场的通行证和提高国内电子产品在世界市场上的竞争力的关键技术之一。航空飞行器座舱系统中的座舱透明材料属于透波材料。根据目标产生电磁(EM)场散射的机理,雷达波在座舱系统中将发生强反射,同时表面行波、二次或多次散射以及表面不连续或表面曲率的不连续都会使雷达波散射强度增大,致使目标雷达散射截面(Radar Cross Sec2tion,RCS)很大,其与雷达、进气道并称为飞行器头部方向 45 范围
6、内三大强散射源。此外,飞行器上的光学探测器镜头也是典型的雷达波强反射结构。所以需要采取隐身方法以提高战机的作战和反雷达能力,其技术主要是通过雷达吸收材料和外形隐身设计,其中外形隐身一直是全隐身战斗机座舱系统研究的重点之一。美国已研制出一种称作“超黑粉”的纳米吸波材料2,3,其对雷达波的吸收率高达99%,并在B22隐形轰炸机上成功应用,目前正在研究覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料4-6。由于在未来战争中,雷达仍将是探测目标的最可靠手段,所以雷达隐身技术仍是最有效的措施,其核心是降低雷达散射截面7,8,其技术途径主要包括外形技术和雷达吸波材料(RAMs)技术9,10,从而提高了
7、其隐身作战能力。因此吸波材料的研究和应用成为研究热点之一。现代高新技术的飞速发展,给吸波材料提出了“强、宽、轻、薄”等方面的要求。1 纳米吸波涂层的吸波机理吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量,并通过材料的介质损耗使电磁波能量转化为热能964 纳米复合薄膜吸波材料的研究进展或其他形式的能量而消耗掉。吸波材料一般由基体材料(或粘接剂)与吸收介质(吸收剂)复合而成。吸波材料可以分为电损耗型和磁损耗型两类11,12。当材料粒子尺寸在纳米级时,量子效应使纳米粒子的电子能级发生分裂,分裂能级间隔正处于与微波对应的能量范围(10-210-5eV)内13,从而导致新的吸波效应。同时由于比表面积大、表面
8、原子比例高、悬挂键增多,因此截面极化和多重散射成为重要的吸波机制14。另外,磁性纳米粒子具有较高的矫顽力,可引起大的磁滞损耗15。以上这些机理都有不足之处,有待进一步深入研究。一般认为,吸收剂对电磁波能量的吸收主要取决于介质的复介电常数和介质的复磁导率的虚部,介质中单位体积内吸收的电磁波能量可以表达为:=1/21/(4)(0|E|2+0|H|2)(1)式中:0是真空介电常数;0是真空磁导率;是的虚部;是的虚部;E是电磁波的电场矢量;H是电磁波的磁场矢量。可以看出,吸收剂的吸波性能主要与其复介电常数=-i 和复磁导率=-i 有关。为满足制备宽频带吸波材料的目的,设计采用了多层结构吸波涂层。第k层
9、面上的反射系数为:=Zk-1Zk+1(2)如用分贝(dB)表示吸波涂层的吸波能力,则第k层面的反射率R为:R=20lg|(3)现在一般采用三层结构进行吸波涂层设计,即k=3,所以:Z3=31tanh(j1d1)+2tanh(j2d2)+1+12tanh(j2d2)3tanh(j3d3)1+12tanh(j1d1)tanh(j2d2)3+1tanh(j1d1)+3tanh(j2d2)tanh(j3d3)(4)可以看出,要使吸波涂层材料具有最小的表面反射率,就需调节组合各参数,使式(2)中的Zk趋向于1,因此可以采用多层结构设计,例如为3层结构。最上面的一层要求对电磁波完全透过,中间一层要求对电磁
10、波有强烈的吸收并且能透过电磁波,而底层要求对电磁波进行强反射,从而保证电磁波能被最大限度的吸收。同时使分子与分母趋于相等,从而使材料满足反射率小、吸收频带宽的要求,但是这给材料的设计带来了很大的困难。2 研究现状2.1 纳米复合薄膜吸波剂近年来国外对多层纳米颗粒膜应用于电磁波吸收材料领域开展了较多研究,美、俄、法、德、日等国都取得了很多成果。2000年俄罗斯又成功地利用纳米晶薄膜制备了厚度仅为20m的超薄型多层膜微波吸收材料。法国16最近研制成功一种宽频吸波涂层,它由粘结剂和纳米级微屑填充材料构成。纳米级微屑由超薄不定形磁性薄层及绝缘层堆叠而成,磁性层厚度为3nm,绝缘层厚度为5nm。据报道,
11、这种真空沉积的多层薄膜叠合而成的夹层结构具有很好的微波磁导率,其实部 和虚部 均大于6(在0.118GHz宽频带内),电阻率高于5 cm,与粘结剂复合成的吸波涂层在50MHz50GHz频率范围内具有良好的吸波性能。文献17报道了一种纳米复合薄膜和粘结剂组成的吸波隐身材料。这种纳米复合薄膜微屑由吸波的无定性软磁层和电绝缘层交替沉积而得到,具有很强的吸波能力。文献18,19报道了纳米金属膜/绝缘介质球吸收剂,这类吸收剂是把纳米量级的金属膜沉积到绝缘介质球上,体积充填率为50%左右时,涂层密度为0.40.6g/cm3,其中金属损耗层的质量分数为0.01%。为了解决软磁金属材料不适合做电磁吸波材料这个
12、难题,日本研究者20,21提出将软磁金属、氧化物、Ni,C和具有良好亲和力、吸波性能的金属氧化物溅射在有机薄膜上,通过热处理后在高频范围内具有良好的吸波能力,但是设备昂贵。日本专利22报道了采用磁控法在塑料基体(PAMM)上制备了厚度为1900nm的Co59(Zr0.3O0.7)41的薄膜,其在0.1016GHz范围内具有良好的吸波性能,最大吸波率可以达到-40dB。1998年美国明尼苏达采矿和制造公司23在中空玻璃球(直径D=2060nm)表面利用溅射成膜技术生成多层纳米颗粒膜吸收剂,通过适当的工艺设计和涂层控制可以制备出吸波频带更宽(6.520GHz)、吸收更强(-20dB)、密度小(d=
13、0.20.6g/cm3)的涂层。Sung2Soo Kima等24用化学镀的工艺在空心陶瓷基体上沉积了Co,Co2Fe薄膜,这种方法制备的吸波剂不仅具有很低的密度,还具有很强的吸波能力。通过调整薄膜中Co的含量可以改变吸波剂的吸收峰和频谱效应。其涂层的厚度可达1.5mm。目前采用球形多层颗粒膜可达到如下水平:厚度2mm时,01119GHz,吸 收 率 为10dB;厚 度215mm时,818GHz,吸收率为20dB。采用这种颗粒膜,可以克服金属、铁氧体材料密度大的缺点,充分发挥单位质量损耗作用,对单个吸收颗粒引入了匹配设计机理。074 材料工程/2006年 增刊1纳米技术和薄膜技术相结合,通过膜系
14、设计和膜层控制,可以实现对吸波剂电磁参数的调整,最终制备出密度小、吸波能力强的吸波剂。国外在这个方面已经展开了深入的研究,国内在这方面的研究还比较少。本课题组在华中科技大学博士论文基金的资助下,采用磁控溅射的方法,制备密度小、厚度薄的Ni与C的复合薄膜吸波剂。2.2 透明导电高聚物吸波材料透明高聚物,是现代战机座舱中透明件的主要材料,属于绝缘体,但是通过掺杂或者化学合成等手段,使得其具有导电功能,并能满足自由电子吸收最大、等离子体波长小于雷达波波长。由于大多数雷达波吸收剂是不透明的,为了得到可见光透明、红外高反射、对雷达波强吸收,选择掺杂剂和掺杂浓度从而控制其体系中的载流子浓度是关键,这样才能
15、保证雷达波进入基体后入载流子碰撞而消耗掉,达到降低雷达波反射率的目的。这一设想在1977年被日本的H.Shiraka2wa25-28变成现实 在聚乙炔中掺杂I2发现了聚合物的导电现象,从此为TCF的研究开辟了新的研究空间2由传统的无机物研究拓展到有机物领域。目前光学透明导电吸波涂层(Transparent conductive Films,TCF)中掺杂剂主要有聚苯胺(PAn)、碳纳米管29、C60以及其衍生物。据报道30,将C60在强极化场中酸洗处理制取具有雷达波吸收功能的氰酸盐晶须,并与PAn混合分散悬浮在聚氨酯或其他透明聚合物中,能制成隐身功能与工艺性兼具的TCF涂层,这有可能成为先进战
16、斗机座舱透明件配套使用的RAMs,美国已经在这一领域内开展研究。关于透明导电高聚物作为吸波材料的评述有很多31,这里不再详细探讨。2.3 电路模拟型吸波材料把透明导电材料安排在诸如薄条、网格、十字或更复杂的图形上,制成薄片,以此取代在“索尔慈伯里”或“乔曼(Jaumann)”32吸波材料中的电阻片,能够得到另一类光学透明导电RAMs,即电路模拟吸波材料(Circuit Analysis2RAMs,CA2RAMs)。这种由计算机设计并严格控制结构的透明导电薄片能够透过可见光而屏蔽雷达波,并阻尼雷达波感应产生的电场,从而吸收雷达波,避免了反射型TCF的反射能量。与简单的吸收型材料相比,CA2RAM
17、s具有较好的隐身性能33,34。迄今隐身水平最高的战斗机 美国F2117飞机,其座舱透明件就采用了CA2RAMs。其实施方法就是将具有一定图形结构的透明薄膜电路网格植入透明高聚物涂层中,并与飞机连接成导电通路,使得整个透明材料变成一个CA2RAMs。例如“Jaumann”吸收体是一种多层电阻片型吸波材料。为了获得最佳吸收效果,电阻片的电阻从前至后逐渐变小。吸收体的带宽与所采用的电阻片个数有关。通过改变各层片阻抗,能够“调节”整个设计,这些单独的层片通常用蜂窝夹芯或塑料隔离。单独的层片可为薄膜或纤维复合材料,它是由控制沉积物厚度或电阻率变化而构成的材料,方阻Rs变化可以为平方、立方、指数或对数关
18、系等方式,这取决于应用电阻片的飞机表面外形。研究表明:所用的电阻片愈多,吸收体的吸收性能愈好35,但会增加涂层的厚度而影响飞机的灵巧性。电性能及物理力学性能技术指标的综合确定,电阻片型及渐变介质型结构吸波材料电气性能设计,电阻片的数量及阻值变化规律的设计是CA2RAMs设计时必须综合考虑的关键因素。Kim36通过电路模拟设计出了方阻为377/的ITO薄膜与厚度满足/4高介电常数的电介质形成电路涂层,对电磁波的反射达到-20dB。Masato Haru2ta37设计了由透明的PC作为隔离装置、镀有不同方阻ITO的PET高分子膜作为微波吸收和反射层,并用黏结剂将两者复合得到透明导电的CA2RAM。
19、其对电磁波的吸收特性显示:这种CA2RAM是种宽频谱(8.511GHz)、强吸收(3238dB)、质量轻的吸波剂。Tetsu Soh38制备了由隔离层和三层ITO层做成的微米波吸波剂,其中两层作为吸波层,另外一层作为反射层。这种CA2RAM在60GHz和76GHz的吸波能力达到了40dB。Koji Takizawa39-41报道了ITO作为CA2RAM,其对电磁波的吸收性能与ITO的方阻有很大的关系,当ITO方阻为10.8/时,涂层的吸波率达到了25.09dB。3 结论国内对纳米复合吸波剂的研究与国外存在一定的差距,还没有达到“强、宽、轻、薄”的要求,而采用纳米吸波剂可以实现。由于大多数雷达波
20、吸收剂是不透明的,为了得到可见光透明、红外高反射、对雷达波强吸收的吸波剂,透明导电薄膜材料有望解决这一问题。电路模拟吸波材料由计算机设计,并严格控制结构的透明导电薄片,能够透过可见光而屏蔽雷达波,并阻尼雷达波感应产生的电场,从而吸收雷达波。现在认为“纳米复合薄膜”具有光、电、磁方面的特异性能,是一类具有广泛应用前景的纳米材料,它具有吸收强、频带宽、兼容性好、质量小和厚度薄等特点,是一种有发展前途的雷达吸波材料。参考文献1RUAN Sheng2ping,XU Bao2kun,SUO Hui.Microwave absorp2174 纳米复合薄膜吸波材料的研究进展tive behavior of
21、ZnCo2substituted W2type Ba hexaferrite nano2crystalline composite material J.J of Magnetism and MagneticMaterials,2000,212:175-177.2LEDERER P G.An introduction to radar materials P.ADP:A169895,1985-06-25.3BERTHAUL T A,ROUSSELLE D,ZERAH G.Magnetic prop2erties of permalloy microparticles J.J of Magnet
22、ism&Magnet2ic Materials,1992,112:12-18.4OLMEDO L,CHATEAU G,DELEUZE C,et al.Microwavecharacterization and modelization of magnetic granular materialsJ.J Appl Phys,1993,73(10):6992-6994.5 MESHRAMA M R,NAWALK AGRAWALA,BHAROTISINHAA,et al.Characterization of M2type barium hexagonalferrite2based wide ban
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