碳化硅纖維吸波性能研究

唐浩　趙會友　肖品

摘 要： 對吸波材料的匹配機(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)用物理模型對吸波材料的損耗機(jī)理進(jìn)行了解釋與分析。并通過本實(shí)驗(yàn)室生成的纖維對其運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀測量電磁參數(shù)并進(jìn)行吸波性能模擬，研究了纖維含量，試樣厚度，以及頻率等對吸波性能造成的影響。并運(yùn)用上述機(jī)理對吸波變化進(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)、紅外線等對目標(biāo)的探測及輻射。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]：

對于單層吸波材料進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)時，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，此式說明介電常數(shù)或磁導(dǎo)率越大，對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)時如果在從各個電磁參數(shù)方面來控制阻抗匹配顯然過于繁雜，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)測試的不同要求，選擇不同厚度的測試圓環(huán)測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，反射峰的變化趨勢變?yōu)殡S頻率增大而降低。說明在纖維含量在25%以下時，石蠟對反射損耗起主導(dǎo)作用，在纖維含量超過30%時纖維對反射損耗方面的影響逐漸體現(xiàn)出來。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。

在本實(shí)驗(yàn)室中可大致定為含量小于25%時，此時纖維部分相互團(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，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，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，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。但同時也都存在一個缺點(diǎn)就是頻帶都比較窄，都只處在一個波段。

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

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（下轉(zhuǎn)第53頁）（上接第35頁）

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