羰基鐵粉復(fù)合多孔吸波涂層的優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊平安，黃宇軒，李銳，孫楊，黃鑫，壽夢(mèng)杰，楊健健

（1.重慶郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400065；2.中國人民解放軍軍事科學(xué)院 防化研究院，武漢 710018）

隨著廣播電視、無線通信、雷達(dá)偵測(cè)、智能交通等國防或民用電子與通信設(shè)備的發(fā)展和廣泛使用，導(dǎo)致局部空間內(nèi)的電磁能量密度不斷增加，從而造成嚴(yán)重的電磁輻射污染[1]。長時(shí)間的強(qiáng)電磁輻射不僅影響電子和通信設(shè)備的正常工作[2-3]，還會(huì)對(duì)人體健康造成嚴(yán)重的威脅[4]。此外，關(guān)鍵電子設(shè)備泄露的電磁輻射如若被截獲和破譯，會(huì)造成信息泄露，進(jìn)而危害國家安全[5]。由于電磁吸波材料能夠?qū)⑷肷涞碾姶拍苻D(zhuǎn)換為熱能而徹底耗散，是提升電子與通信設(shè)備電磁防護(hù)能力和武器裝備雷達(dá)隱身水平的有效技術(shù)手段[6]。為此，高性能電磁吸波劑顆粒和涂層的研制受到世界各國的高度重視和研究者們的廣泛關(guān)注。

磁性金屬材料擁有高Snoke 限制頻率、高飽和磁化強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率，能夠較好地實(shí)現(xiàn)與空氣的阻抗匹配，從而降低涂層厚度，并提高吸波帶寬，是研制高性能微波吸收材料的理想選擇[7]。作為一種典型磁性金屬粉末，羰基鐵粉具有溫度穩(wěn)定性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)及生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前最常用的吸波劑[8]。然而，微型電子系統(tǒng)和軍事隱身技術(shù)的迭代升級(jí)，要求新一代吸波材料同時(shí)滿足質(zhì)量輕、頻帶寬、厚度薄、吸收強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[9]。而傳統(tǒng)羰基鐵粉密度大、吸收頻帶窄，無疑極大地限制著其在低頻吸波領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用[10-11]。盡管通過減少羰基鐵粉顆粒的填充含量能夠降低復(fù)合涂層的密度和整體質(zhì)量，但是顆粒含量的降低會(huì)引起磁損耗能力下降和阻抗匹配特性變差，從而導(dǎo)致吸收強(qiáng)度減弱、有效吸收帶寬變窄[12-13]。因此，如何在保持羰基鐵粉優(yōu)異電磁吸波性能的同時(shí)，降低復(fù)合涂層的密度并拓寬有效吸收帶寬，成為值得研究的重要問題。

三維多孔結(jié)構(gòu)能有效降低復(fù)合吸波材料的密度并改善阻抗失配，使電磁波最大程度地入射進(jìn)入材料進(jìn)行衰減，從而提高電磁波吸收效率，是構(gòu)筑輕質(zhì)寬頻吸波材料的常用方法[14]。Ren 等[14]以碳納米管和石墨烯納米片@CoFe2O4納米雜化物為原料，通過溶液混合和冷凍干燥工藝，制備出一種新型的三維三元復(fù)合氣凝膠。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，均勻的三維多孔結(jié)構(gòu)和緊密連接的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在獲得低密度的同時(shí)，賦予了多孔氣凝膠優(yōu)良的微波吸收性能。Li 等[15]研制并證實(shí)，分層SiC/碳泡沫復(fù)合材料非常適合用作超輕、超薄、高效的微波吸收劑，實(shí)驗(yàn)表明，厚度為1.5 mm 的試樣，最小反射損耗值和有效吸收帶寬分別可達(dá)–31.216 dB 和4.1 GHz。武志紅等[16]利用包埋法制備出具有蜂窩結(jié)構(gòu)的竹炭/SiC 復(fù)合材料，通過改善阻抗匹配性，在降低涂層密度的同時(shí)，顯著提高了吸波性能。相關(guān)研究表明，三維多孔結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)寬頻吸波材料方面具有巨大的發(fā)展和應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有的多孔電磁吸波材料的孔狀結(jié)構(gòu)基本呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的隨機(jī)分布，只能在一定程度上改善綜合吸波性能[17]。為此，需要對(duì)材料的多孔結(jié)構(gòu)和分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能獲得性能優(yōu)異的輕質(zhì)寬頻復(fù)合多孔吸波涂層。純粹由實(shí)驗(yàn)探尋多孔結(jié)構(gòu)與涂層吸波性能間最優(yōu)組合的方法，雖然簡(jiǎn)單、直接，但有很大的盲目性，并且研制周期較長[18]。由此可見，采用科學(xué)的技術(shù)途徑來優(yōu)化設(shè)計(jì)具有最佳綜合性能的輕質(zhì)寬頻復(fù)合多孔吸波涂層至關(guān)重要。利用有限元仿真進(jìn)行吸波涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化，已經(jīng)成為研制電磁吸波材料的一條高效而重要的途徑[19]。例如，Xinhua Song 等人[20]利用COMSOL 軟件模擬分析了鐵氧體/多壁碳納米管復(fù)合材料的反射損耗，發(fā)現(xiàn)仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性。綜上所述，為克服羰基鐵粉這一常用的優(yōu)異電磁吸波材料密度大的缺點(diǎn)，可以通過構(gòu)建羰基鐵粉輕質(zhì)寬頻復(fù)合多孔吸波涂層，來拓展其應(yīng)用。

本文擬在制備的不同質(zhì)量配比的CIP/石蠟復(fù)合材料上，測(cè)試并獲取電磁參數(shù)，利用有限元仿真軟件COMSOL 建立具有不同孔隙率、不同孔徑以及不同孔分布的羰基鐵粉/石蠟復(fù)合多孔吸波涂層的仿真模型，然后仿真計(jì)算并分析各模型下的反射損耗、有效吸收帶寬和密度，研究羰基鐵粉多孔結(jié)構(gòu)的吸波機(jī)理，最終確定具有最佳綜合性能的羰基鐵粉復(fù)合多孔吸波涂層的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 電磁參數(shù)測(cè)試與仿真模型構(gòu)建

1.1 材料與儀器

材料包括：羰基鐵粉CIP，粒徑約為3～5 μm，北京興榮源科技有限公司；切片石蠟（60 號(hào)精蠟），中國石油撫順石化公司生產(chǎn)；無水乙醇（分析純），國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；去離子水，自制。

儀器包括：場(chǎng)致發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，MIRA3 FEG 型），TESCAN 公司；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（85071E 型），安捷倫公司。

1.2 試樣制備與電磁參數(shù)表征及分析

稱取一定量的羰基鐵粉，分散在無水乙醇中，超聲振蕩洗滌10 min 后，用強(qiáng)磁鐵將羰基鐵粉顆粒與清洗液分離，并分別用無水乙醇和去離子水反復(fù)沖洗數(shù)次，再轉(zhuǎn)移到溫度為60 ℃的真空干燥箱中，干燥5 h，最終獲得表面潔凈的羰基鐵粉。由圖1 可以看出，超聲清洗后的羰基鐵粉表面光潔，呈現(xiàn)非規(guī)則的球形，分散性良好，并且平均粒徑為3～5 μm。

圖1 羰基鐵粉的SEM 圖Fig.1 SEM image of carbonyl iron powder

以超聲清洗分散后的潔凈羰基鐵粉和石蠟為原料，制備測(cè)試試樣，具體的樣品編號(hào)和組分含量如表1 所示。大致流程為，將切片石蠟搗碎為小顆粒，然后按比例稱取一定量的潔凈羰基鐵粉和細(xì)碎石蠟放入研缽中研磨均勻，放入真空干燥箱中加熱熔融并攪拌均勻后，倒入特制模具，壓制為內(nèi)徑尺寸為3.04 mm、外徑尺寸為7.00 mm、整體厚度為3.04 mm 的同軸環(huán)。

表1 試樣組分及密度Tab.1 Composition and density of four samples

通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（85071E，安捷倫），采用同軸法，在頻率為2～18 GHz 下對(duì)制備試樣的復(fù)介電常數(shù)（εr=ε'-jε''）和復(fù)磁導(dǎo)率（μr=μ'-jμ''）進(jìn)行測(cè)試[21]。一般而言，在相對(duì)復(fù)介電常數(shù)中，介電常數(shù)實(shí)部ε'和磁導(dǎo)率實(shí)部μ'表示儲(chǔ)存電荷或能量的能力，而介電常數(shù)虛部ε''和磁導(dǎo)率虛部μ''代表著對(duì)電磁能量的損耗能力[22]。

相對(duì)復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率是反映吸波涂層電磁特性的重要參數(shù)，圖2 為含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)羰基鐵粉的試樣在2～18 GHz 頻段的電磁參數(shù)。從圖2a 可以看到，介電常數(shù)實(shí)部ε'隨著羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。一般而言，ε'代表著材料的極化，也就是說樣品中羰基鐵粉的含量越多，樣品存在越高的極化[23]。這主要是因?yàn)?，樣品中顆粒的含量越多，顆粒與石蠟的界面越多，在電磁波作用下的極化就越強(qiáng)。從圖2b 看出，試樣的介電常數(shù)虛部ε''基本上呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，并且曲線上有很多振動(dòng)峰，呈現(xiàn)出典型的非線性諧振行為[24]。這種現(xiàn)象可以歸結(jié)為CIP 與石蠟基體之間的相互作用帶來的綜合效應(yīng)。試樣的復(fù)磁導(dǎo)率實(shí)部μ'和虛部μ''的變化曲線如圖2c、2d 所示。從圖2c 可以看到，在測(cè)試頻段內(nèi)，4 種樣品的磁導(dǎo)率實(shí)部μ'隨著頻率的升高，都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這說明試樣的磁共振頻率在2 GHz 以下[25]。同時(shí)，圖2d中，磁導(dǎo)率虛部μ''呈現(xiàn)的振動(dòng)峰說明試樣存在共振行為[26]，并且較低頻率的共振峰可以歸結(jié)于自然共振，而處于高頻的諧振可能由交換共振引起[27]。

圖2 4 種樣品的電磁參數(shù)Fig.2 Electromagnetic parameters of four samples: a) the real parts of complex permittivity; b) the imaginary parts of complex permittivity; c) the real parts of complex permeability; d) the imaginary parts of complex permeability

基于測(cè)量的相對(duì)復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率，對(duì)于以金屬為背板的單層吸波體，可以采用傳輸線理論分析復(fù)合涂層的反射損耗（Reflection Loss，RL，單位dB），具體的理論計(jì)算公式如下[28]：

根據(jù)傳輸線理論和4 種樣品的電磁參數(shù)，可以得到不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下羰基鐵粉復(fù)合材料的反射損耗曲線，如圖3 所示。隨著羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低，最小反射損耗和峰值頻率都逐漸增大，而吸收帶寬則呈下降的趨勢(shì)，特別是對(duì)于羰基鐵粉含量較低的樣品4而言，最小反射損耗在 2～18 GHz 頻段始終大于–10 dB，不存在有效吸收帶寬。為了確定后續(xù)設(shè)計(jì)多孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)象，需要綜合考慮4 種樣品的吸波性能。通過表2 可以看到，樣品1 具有最佳的最小反射損耗和更大的吸收帶寬，且由于其密度較大，存在充分的輕質(zhì)優(yōu)化空間。故選擇CIP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的樣品1 作為復(fù)合多孔吸波涂層優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)象。

圖3 4 種樣品的反射損耗曲線Fig.3 Reflection loss curves of four samples

表2 試樣組分及密度Tab.2 Composition and density of samples

1.3 試樣制備與電磁參數(shù)表征及分析

為了系統(tǒng)地分析電磁波在孔隙吸波材料中的傳播過程以及吸收性能，運(yùn)用COMSOL 有限元仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。本文通過GJB 2038—94《雷達(dá)吸波材料反射率測(cè)試方法》中的雷達(dá)截面（RCS）法測(cè)反射率，即在給定波長和極化條件下的電磁波從同一方向，以同一功率密度入射到吸波材料平面和良導(dǎo)體平面，二者的鏡面反射功率之比表示材料對(duì)電磁波的反射率（式（3））[29-30]。

式中：R為吸波材料的反射率；0P、P1分別為通過測(cè)量金屬平板和相同尺寸吸波材料平板在垂直入射時(shí)的頻域響應(yīng)而得到的二者隨頻率變化的回波功率。由此可見，R的值越小，吸波材料對(duì)電磁波的吸收性能越好。

基于COMSOL 有限元仿真軟件創(chuàng)建的三維電磁屏蔽模型如圖 4a 所示，模型結(jié)構(gòu)的整體尺寸為3 mm×3 mm×6 mm。整個(gè)模型分為3 個(gè)部分，最底層為吸波材料層，中間層為空氣層，最上層為完美匹配層（PML），厚度分別為3、2、1 mm。吸波材料層的底部設(shè)置有一層很薄的高導(dǎo)電層，可以完全反射電磁波，即完美電導(dǎo)體（PEC）。在吸波材料和空氣層的4 個(gè)側(cè)面上，使用Floquet-周期性邊界條件來模擬無限域。模型結(jié)構(gòu)頂部的PML 能夠吸收來自源端口的激發(fā)模式電磁波和周期性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的任何高階模式的電磁波。模型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分如圖4b 所示，吸波材料內(nèi)部與孔隙部分間的網(wǎng)格劃分越精細(xì)，越能夠精確地模擬電磁波在吸波材料內(nèi)部的傳播，而空氣層部分劃分相對(duì)粗糙是為了提高計(jì)算效率。

圖4 三維電磁屏蔽模型Fig.4 Three-dimensional electromagnetic shielding model: a)three dimensional simulation model; b) grid generation

為驗(yàn)證仿真模型的正確性，基于樣品1 的電磁參數(shù)，對(duì)基于傳輸線理論的計(jì)算結(jié)果與孔隙率為0 下的模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5 所示?？梢钥吹剑趥€(gè)別頻段（主要為12～15 GHz）和最小反射損耗處存在少量偏差外，理論計(jì)算和仿真結(jié)果在測(cè)試頻段都具有很好的一致性，充分說明所建立的有限元模型的正確與有效性。

圖5 基于傳輸線的理論計(jì)算與有限元仿真結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of theoretical calculations and finite element simulation results based on transmission lines

2 結(jié)果與討論

2.1 孔隙率對(duì)羰基鐵粉復(fù)合吸波涂層吸波性能的影響

基于樣品1 的電磁參數(shù)，分別設(shè)計(jì)出7 組不同孔隙率的仿真模型試樣，即孔隙率分別為0%、4%、8%、12%、16%、20%、24%。由一般方法制備的羰基鐵粉復(fù)合多孔材料的內(nèi)部孔徑都集中分布在毫米級(jí)[31]，并且仿真模型結(jié)構(gòu)中吸波涂層的尺寸為 3 mm×3 mm×3 mm，為此，將孔的半徑設(shè)定為0.401 mm（每個(gè)孔的體積剛好為吸波涂層的百分之一）。仿真計(jì)算時(shí)，電磁波由端口入射，沿著z軸反方向傳播，并且設(shè)置電場(chǎng)在x和y方向同時(shí)極化，以便真實(shí)模擬實(shí)際的電磁波。

樣品1 在不同孔隙率下的反射損耗如圖6a 所示。在此基礎(chǔ)上，提取最小反射損耗、峰值吸收頻率和有效吸收帶寬（RL<–10 dB），并繪制圖6b。從圖6b可以看到，樣品1 的最小反射損耗隨著孔隙率的增加，呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，并且在孔隙率為4%時(shí)，獲得最小值，同時(shí)峰值吸收頻率都隨著孔隙率的增加而向高頻移動(dòng)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因可能是，一定的孔隙有利于入射電磁波的多重反射，從而增強(qiáng)吸收效果。但是孔隙過大，會(huì)導(dǎo)致羰基鐵粉顆粒能夠分布的空間縮小，顆粒之間的間隔減小，電導(dǎo)率增加，使得阻抗匹配特性惡化，導(dǎo)致最小反射損耗增加，以及峰值吸收頻率向高頻移動(dòng)。此外，從圖6b還可以看到，隨著孔隙率的增加，樣品的有效吸收帶寬（RL<–10 dB）先減小、后增加、再減小，在孔隙率為16%時(shí)，達(dá)到最大值。從表3 可以看出，雖然相比于沒有空隙時(shí)，孔隙率為16%的試樣的最小反射損耗衰減了 1.86 dB（12.7%），但是有效吸收帶寬（RL<–10 dB）從4.03 GHz 增加到4.9 GHz，拓展了21.6%，并且密度也降低了4%。由此充分說明，通過構(gòu)筑三維多孔羰基鐵粉復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠在降低密度的同時(shí)，拓展有效吸收帶寬，從而實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)寬頻電磁吸波的目的。

圖6 不同孔隙率下樣品1 的吸波性能Fig.6 Microwave absorbing properties of sample 1 under different porosity: a) reflection loss curve; b) minimum reflection loss,absorption peak and effective bandwidth

表3 不同孔隙率對(duì)樣品1 吸波性能的影響Tab.3 Effect of different porosity on microwave absorbing properties of sample 1

2.2 孔徑對(duì)羰基鐵粉復(fù)合吸波涂層吸波性能的影響

根據(jù)前述研究，將孔隙率設(shè)置為16%，此時(shí)的吸波性能優(yōu)異。選擇0.636、0.469、0.401、0.325、0.274、0.218 mm 6 種不同孔徑，進(jìn)一步研究孔徑對(duì)羰基鐵粉復(fù)合涂層吸波性能的影響。保持孔隙率為16%，構(gòu)建孔徑分別為0.401 mm 和0.218 mm 時(shí)的三維多孔結(jié)構(gòu)有限元模型。

從圖7 可以看出，孔隙率一定時(shí)，孔的數(shù)量隨著孔徑減小而增加，從而可能對(duì)復(fù)合涂層的吸波性能產(chǎn)生影響[32]。為此，本文在研究孔隙率對(duì)復(fù)合吸波涂層吸波性能影響的基礎(chǔ)上，探究了孔徑對(duì)羰基鐵粉復(fù)合涂層吸波性能的影響。

圖7 復(fù)合涂層的孔隙率為16%時(shí)兩種孔徑的多孔結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.7 The finite element model of porous structure with two pore sizes when the porosity is 16%

孔隙率為16%、不同孔徑下樣品1 的反射損耗曲線如圖8 所示。從圖中可以看到，孔徑為0.636 mm的多孔結(jié)構(gòu)的反射損耗最大、峰值頻率最小、有效吸收帶寬最窄。隨著孔個(gè)數(shù)的增加，材料的吸波性能持續(xù)提升，但在孔徑小于0.325 mm 之后，孔徑大小基本不再影響吸波性能。這可能是因?yàn)?，電磁波在材料?nèi)部傳播時(shí)，遇到多孔結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生漫反射現(xiàn)象，而減小孔徑尺寸在一定程度上加劇了電磁波的反射程度，增加了電磁波傳輸?shù)穆烦蹋瑥亩黾恿瞬牧蠈?duì)電磁波的損耗吸收。因此這里可以得出結(jié)論，在孔隙率一定的情況下，減小孔徑可以適當(dāng)增加羰基鐵粉/石蠟復(fù)合材料的吸波性能，當(dāng)孔徑降低到一定值，不再增加復(fù)合材料的吸波性能。從表4 可以看出，相比于前述孔徑為0.401 mm 的試樣，孔徑為0.325 mm 的試樣最小反射損耗降低了0.58 dB（4.5%），有效吸收帶寬（RL<–10 dB）卻從4.9 GHz 增加到了5.39 GHz，拓展了10%。由此說明，通過降低三維多孔羰基鐵粉復(fù)合結(jié)構(gòu)中的孔徑尺寸，可以拓寬羰基鐵粉復(fù)合材料的有效吸收帶寬，且綜合考慮優(yōu)化效果和制備復(fù)雜性，確定三維多孔羰基鐵粉復(fù)合結(jié)構(gòu)的最佳孔徑尺寸為0.325 mm。

表4 孔隙率為16%時(shí)不同孔徑對(duì)樣品1 吸波性能的影響Tab.4 Effect of different pore radius on the microwave absorbing properties of sample 1 with porosity of 16%

圖8 不同孔徑下樣品1 的吸波性能Fig.8 Microwave absorbing properties of sample 1 under different pore radius: a) reflection loss curve; b) minimum reflection loss, absorption peak and effective bandwidth

2.3 孔隙分布對(duì)羰基鐵粉復(fù)合吸波涂層吸波性能的影響

一般而言，要獲得高性能的電磁吸波材料，需要同時(shí)滿足兩個(gè)基本條件：首先，具有良好的空間阻抗匹配特性，以使入射電磁波能夠最大程度地進(jìn)入到材料的內(nèi)部；其次，要具備高衰減特性，才能使進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波被盡量多地衰減和耗散[33]。研究表明，通過合理安排吸波材料的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成梯度功能材料，改善表面阻抗特性，能夠顯著提升吸波性能[34]。由此可見，羰基鐵粉復(fù)合吸波涂層中孔狀結(jié)構(gòu)的分布，將影響材料的阻抗匹配特性和衰減特性，從而帶來吸波性能的不同?；诖耍疚脑诳紫堵蕿?6%的情況下，針對(duì)不同孔徑尺寸，將孔隙按照隨機(jī)分布、有序分布、梯度遞增分布和梯度遞減分布4 種不同分布的方式進(jìn)行有限元建模，以研究孔隙分布對(duì)羰基鐵粉復(fù)合多孔吸波涂層性能的影響。圖 9 為孔隙率16%、孔徑0.325 mm 下，孔隙分別呈隨機(jī)、有序、梯度遞增和梯度遞減分布的4 種有限元仿真模型。

圖9 孔隙率為16%、孔徑為0.325 mm 下的4 種有限元仿真模型Fig.9 4 finite element simulation models with a porosity of 16% and a pore radius of 0.325 mm: a) the random distribution; b)ordered distribution; c) gradient increasing distribution; d) gradient decreasing distribution

孔隙率為16%、孔徑為0.325 mm、不同孔分布時(shí)樣品1 的反射損耗曲線見圖10。從圖10 可以看出，在8 GHz 之后，分布方式對(duì)材料反射損耗的影響逐漸體現(xiàn)出來。其中，梯度遞增分布的吸波性能最差，隨機(jī)分布的吸波性能較梯度遞增分布有所提升，有序分布的吸波性能較隨機(jī)分布好，而梯度遞減分布的吸波性能最好，最小反射損耗較前述隨機(jī)分布降低了1.18 dB（8.8%），達(dá)到–14.53 dB，有效吸收帶寬（RL<–10 dB）從5.39 GHz 增加到6.12 GHz，拓展了11.6%。

圖10 不同孔分布下樣品1 的反射損耗曲線Fig.10 Reflection loss curves of sample 1 with different pore radius

圖11 為前述6 種孔徑尺寸在不同孔分布方式下的最小反射損耗和有效吸收帶寬。在不同孔徑下，不同孔分布方式的優(yōu)化趨勢(shì)基本一致，梯度遞減分布都具有最優(yōu)異的吸波性能。因此可以得出，隨機(jī)、有序、梯度遞增、梯度遞減這4 種分布情況相比，梯度遞減分布時(shí)具有最優(yōu)異的吸收性能。這可能與阻抗匹配程度有關(guān)，即接近空氣的孔隙越多，材料電磁參數(shù)越接近于空氣，從而具備良好的通透性。當(dāng)電磁波通過表層后，再由內(nèi)部孔隙少的部分高效吸收電磁波。這類似于梯度復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理，即與空氣接觸的一層采用電磁參數(shù)較接近于空氣的材料作為阻抗匹配層，后面的層則由吸波效果較好的材料作為吸收層實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的最大限度吸收。

圖11 孔隙率為16%時(shí)不同孔徑和不同孔分布下的最小反射損耗和有效吸收帶寬Fig.11 Minimum reflection loss and effective bandwidth with porosity of 16%, different pore sizes and different pore distribution

3 結(jié)論

提出一種利用三維多孔結(jié)構(gòu)降低羰基鐵粉復(fù)合吸波涂層的密度，并改善阻抗失配，構(gòu)筑輕質(zhì)寬頻吸波涂層的方法。通過有限元仿真軟件COMSOL，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的羰基鐵樣品的電磁參數(shù)為基礎(chǔ)，建立起具有不同孔隙率、不同孔徑以及不同孔分布的羰基鐵粉/石蠟復(fù)合多孔吸波涂層的仿真模型，并利用仿真計(jì)算分析各模型下孔隙參數(shù)對(duì)涂層性能（反射損耗、有效吸收帶寬（RL<–10 dB）、峰值吸收頻率和密度）的影響規(guī)律，得到以下重要結(jié)論：

1）孔隙率對(duì)羰基鐵粉/石蠟復(fù)合涂層的主要影響表現(xiàn)在，峰值吸收頻率隨孔隙率的增加而增加，并且能夠在某些孔隙率下拓展有效吸收帶寬，而對(duì)最小反射損耗影響甚微。相比無孔結(jié)構(gòu)，復(fù)合涂層的有效吸收帶寬拓展了21.6%（從4.03 GHz 增加到4.9 GHz），密度降低了4%（從2.71 g/cm3降低到2.6 g/cm3），能夠?qū)崿F(xiàn)輕質(zhì)、寬頻的目的。

2）隨著孔徑的減?。ㄌ貏e是在孔徑大于0.325 mm時(shí)），羰基鐵粉/石蠟三維復(fù)合多孔吸波涂層的最小反射損耗減小，有效吸收帶寬和峰值吸收頻率增加，呈現(xiàn)良好的規(guī)律性。在16%的孔隙率下，相比于0.401 mm 的孔徑，0.325 mm 孔徑涂層的最小反射損耗減小了4.5%（從–12.77 dB 下降到–13.35 dB），有效吸收帶寬拓展了10%（從4.9 GHz 增加到5.39 GHz）。

3）在隨機(jī)、有序、梯度遞減和梯度遞增4 種分布方式中，由于梯度遞減分布能夠最大限度地提升阻抗匹配程度，因而具有最優(yōu)的吸波性能。在孔隙率和孔徑分別為16%和0.325 mm 的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，相比于隨機(jī)分布，梯度遞減分布的最小反射損耗和有效吸收帶寬分別提升了8.8%（–14.53 dB）、11.6%（6.12 GHz）。

綜合而言，孔隙率為16%、孔徑為0.325 mm、孔隙呈梯度遞減分布的三維多孔羰基鐵粉/石蠟復(fù)合涂層具有最佳綜合性能，最小反射損耗為–14.53 dB，有效吸收帶寬達(dá)6.12 GHz，密度為2.6 g/cm3，相比于無孔結(jié)構(gòu)，其有效吸收帶寬拓展了49.3%，密度降低了4%，而最小反射損耗相差無幾。由此表明，三維多孔結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)羰基鐵粉復(fù)合吸波涂層輕質(zhì)、寬頻的目的，并且能夠推廣到相關(guān)吸波劑顆粒涂層的密度降低和頻帶拓寬上。但是，目前適合于復(fù)合多孔吸波涂層吸收性能的相關(guān)理論尚不夠成熟，仍然需要進(jìn)一步完善。