无纺布织物涂层的吸波性能
随着对雷达吸波材料实际应用需求的提高,采用单一吸波剂和单层吸波涂层远不能满足薄、轻、宽、强的要求。因此,设计和制备具有多元复合吸波剂和多层结构的吸波材料成为研究的重点。多元复合吸波剂通常是将两种或多种电磁性能相互弥补或增强的吸波剂复合,以拓展吸收频带,增强吸波能力,降低材料密度,如沈国柱等[1]制备的短切碳纤维-铁氧体吸波材料,厚度为2mm,在8~18GHz内小于-10dB的带宽达到35GHz。张昕等[2]用纳米二氧化锰掺杂炭黑颗粒制备了一种复合吸波剂,大大改善炭黑的微波吸收性能。
多层吸波材料一般从表面到底层为匹配层到损耗层的结构,目前的研究报道多以两层或三层为主。多层结构解决了单层不能同时满足的阻抗匹配和大衰减条件,有效提高吸波材料的吸波性能。但是,层数的增多往往使材料重量增加,厚度增大,给工程应用带来不便。因此,需要结合其他方法加以改进。研究表明,设计合理的结构,如制造微观孔洞[3],宏观多孔复合结构[4]或表面立体式结构[5]等可使电磁波易于进入吸波材料内部并得到有效衰减,这些几何结构增加了吸波材料与雷达波的作用几率,因而可在一定程度上降低吸波材料的面密度和厚度。
织物材料具有面密度低、柔韧性好、加工方便、价格低廉等优点,因此,织物涂层吸波材料与传统铝板上的涂层吸波材料相比密度较低、可直接覆盖于各种外形复杂的装备表面,易于按照要求加工成型,原料丰富。同时,若将织物的网眼孔隙结构直接用于吸波材料的结构设计,可改变电磁波进入材料内部后的传播路线,使入射电磁波在吸波材料内部通过一系列的散射反射吸收过程得到大损耗[6],因此织物涂层吸波材料有望发展为一种新型的吸波材料。目前大多与电磁波相关织物材料的主要功能是防护电磁波辐射,即大限度降低电磁波透射并将其反射出被保护物体之外,但是又造成二次污染。因此,从长远角度考虑,必须开发具有吸波能力的织物材料。现有的织物吸波材料尚处于试验开发阶段,多采用具有吸波能力的纤维直接编织而成[7],有关织物涂层吸波材料的研究报道较少。
本工作以无纺布为试验基材,制备无纺布织物涂层吸波材料,研究935GHz(测试仪器的中心频点,具有代表性)时吸波剂含量变化和内部结构调整对无纺布吸波材料吸波性能的影响。1试样制备与试验方法11原料试验基材为无纺布;某种水性粘结剂;丙酮;OP;LDT-20羰基铁粉,陕西兴化化学股份有限公司羰基铁粉厂;乙炔炭黑,粉状,北京市欣奕搏瑞化工厂。12试样制备丙酮作溶剂,加适量分散剂OP将不同比例的吸波剂(羰基铁粉和乙炔炭黑)分散均匀,超声处理10min,或研磨机研磨2~3次后,加入水性粘结剂中制成吸波涂料。无纺布经100去离子水浸泡1h前处理以除去表面可能残留的胶浆类物质,将各种不同比例吸波剂含量的吸波涂料调整至适当粘度,均匀刷涂于无纺布上,室温固化,即得各组无纺布织物涂层吸波材料(以下简称无纺布吸波材料或吸波材料)。
13试验方法将各组无纺布吸波材料裁剪为5mm5mm的试样,选取涂敷均匀的试样进行试验测试。面密度测试:各组试样中随机抽取10片,测量后求平均值。吸波性能测试:每组试样按层数依次递增叠加,即得不同层数的无纺布叠层吸波材料,用两点法[8]在3cm波导测量(由DH1121A型固态3cm信号源、隔离器、衰减器、波导测量线以及DH388A0选频放大器等组成)系统测试反射率,测试频率935GHz。将吸波材料放在测试系统的负载接口和短路片之间,用螺丝拧紧,减小短路板和样品以及样品各层之间的空气带来的误差[9]。厚度测试:每组层数依次递增的吸波材料夹在3cm波导测量系统的矩形波导和短路片中测试吸波性能时,用数显螺旋测微仪的读数减去矩形波导和短路片的总厚度,即得层数依次递增时织物涂层的总厚度,各次测量结果相减为单层织物涂层的厚度。
粘附强度测试:每组试样随机抽取3片反复折叠100次,涂层表面无起皮脱落现象,说明涂层和基体的结合性能很好。2结果与讨论21无纺布吸波材料图1为无纺布基材和无纺布吸波材料。在无纺布基材(图1a)上刷涂吸波涂料后(图1b)可见原来的菱形网眼部位多了一层吸波涂层,其他部位的吸波涂层有基材支撑,呈现一种凹凸不平的结构。图2模拟无纺布叠层吸波材料中的电磁波作用过程,图中每层菱形部位与图1b凹下去的吸波涂层对应,其余部位与图1b凸出部位对应。电磁波进入吸波材料内部后,非菱形部位结构较疏松,使电磁波容易进入无纺布叠层吸波材料内部,由于入射电磁波在每一层中都发生反射且角度不同,电磁波反射过程中碰到上一层吸波剂较密集部位时会被吸收和重新反射至材料内部,由此改变电磁波传播路线,增大电磁波与吸波材料作用几率,把更多的电磁波消耗在材料内部,终降低吸波材料反射率。
22吸波剂含量对材料吸波性能的影响根据电磁波传输理论,单层吸波材料与空气形成界面的反射率为:R=201gZ-1Z+1(1)其中输入阻抗:Z=-j-tanh[j2d0(-j)(-)](2)式中,d为吸波材料的厚度,0为空气中的波长,电导率=-,磁导率=-j。可见,吸波材料的反射率和其阻抗、电导率、磁导率及厚度密切相关。无纺布吸波材料中吸波剂选择乙炔炭黑和磷化羰基铁粉。乙炔炭黑属电阻损耗介质,呈球形多孔状(图3),羰基铁粉属电磁损耗介质,呈圆球状(图4)。乙炔炭黑的多孔结构和羰基铁粉的球形结构相结合会增强电磁波的散射损耗截面[10]。这两种吸波剂的电磁性能可相互弥补,少量乙炔炭黑可依靠隧道效应形成电阻损耗,同时在电磁场的作用下可产生滞后的极化电流,结合羰基铁粉本身的磁损耗和吸波剂颗粒的界面极化效应,将电磁波损耗吸收。可见,这两种吸波剂复合可以提高材料的吸波性能。
221乙炔炭黑含量对材料吸波性能的影响吸波涂料中羰基铁粉含量一定时,改变乙炔炭黑含量,制备不同乙炔炭黑含量的无纺布吸波材料。图5为羰基铁粉65w%t不同乙炔炭黑含量无纺布叠层吸波材料的反射率曲线。可以看出,在935GHz,随着乙炔炭黑含量的增加,吸波材料的反射率曲线有一个先左后右的移动过程,每条曲线的反射率峰值有先降低后升高的趋势,说明存在某一乙炔炭黑含量使材料的吸波性能佳,微量乙炔炭黑的加入使同一反射率下吸波材料的厚度降低。此外,叠层数大于11层后曲线的反射率可降至-6dB以下。图5中羰基铁粉65wt%,乙炔炭黑06w%t左右时材料的吸波效果较好,此时的吸波材料在厚度为227mm时的反射率为-86dB。图6为羰基铁粉85w%t吸波材料的反射率曲线,也有以上的类似规律。表1和表2分别为图5中和图6中各组试样对应的单层面密度和厚度,这种无纺布吸波材料面密度较小,单层面密度在02kg/m2左右。2羰基铁粉含量对材料吸波性能的影响吸波涂料中乙炔炭黑含量一定时,羰基铁粉含量分别为65w%t,75w%t,85w%t。图7和图8分别是乙炔炭黑为06w%t和12w%t时不同羰基铁粉含量的无纺布叠层吸波材料的反射率曲线。从图7可以看出,随羰基铁粉含量的增加,反射率曲线有下移的趋势,反射率峰值降低,叠层数大于11层后每条曲线的反射率可降至-6dB以下,羰基铁粉85w%t,乙炔炭黑06w%t的试样在厚度为223mm时的反射率为-119dB。
从图8可知,乙炔炭黑为12w%t时,随羰基铁粉含量的增加,反射率曲线左移,反射率峰值对应的厚度减小,但反射率峰值却有升高的趋势,羰基铁粉85w%t,乙炔炭黑12w%t的试样在厚度为171mm的反射率为-7dB。表3和表4分别为图7和图8中单层无纺布吸波材料面密度和厚度。复合吸波剂中各组分的比例直接影响吸波材料的电磁性能。图8与图7对比,当乙炔炭黑含量一定时,随羰基铁粉含量增加,反射率峰值有减小趋势,这可能一方面是由于乙炔炭黑含量过多造成了阻抗不匹配,电磁波来不及与吸波材料充分作用即被反射出吸波材料之外;另一方面,乙炔炭黑在吸波涂料中的含量增加到一定值后易发生颗粒团聚,降低涂料与基体的结合性能,进而引起材料吸波性能的降低。图5~图8中每条曲线随叠层数(厚度)的增加,反射率都有一个先减小再增大的过程,反射率达峰值之前都有一个陡降过程,在这段曲线内吸波材料厚度对反射率影响较大,这可能是因为在这个厚度范围内入射电磁波与吸波材料的作用几率大于其他厚度,从而得到大限度的损耗,材料厚度大于反射率峰值对应厚度之后,大部分电磁波达不到更深的材料内部。相关研究[11]及公式(1)和(2)证明这一规律。
因此这个厚度范围可看作电磁波与吸波材料的有效作用厚度,可以通过调整复合吸波剂的比例降低这一有效作用厚度。以上分析了复合吸波剂含量对材料吸波性能的影响,下面从研究多层吸波材料结构的角度出发,采用了不同的叠层结构,分析吸波材料内部变化对入射电磁波的影响。23不同叠层结构对材料吸波性能的影响为了研究吸波材料内部结构对吸波性能的影响,选取吸波能力较好的无纺布吸波材料,在简单叠层结构中穿插不具有吸波能力的无纺布基体,按照不同的叠加顺序(图9):(a)为(单层吸波涂层+单层基体)交替结构;(b)为(n层吸波涂层后+n层基体)结构;(c)为(单层吸波涂层+双层基体)交替结构,研究不同无纺布叠层结构的吸波性能。图10为三种无纺布吸波材料不同叠层结构的反射率曲线。可以看出,(单层吸波涂层+单层基体)交替结构的吸波效果优于(n层吸波涂层后+n层基体)结构。同时,排列方式为(单层吸波涂层+双层基体)交替结构的吸波效果优于(单层吸波涂层+单层基体)交替结构,说明吸波材料内部结构的改变可以增强其吸波能力。此外,每条(单层吸波涂层+双层基体)交替结构的反射率曲线都有一明显的峰值(反复测量),表明在这一厚度下反射率小,吸收损耗大,说明这种结构的吸波材料在此厚度下的吸波能力得到了充分发挥,如图10a(单层吸波涂层+双层基体)中交替结构的反射率曲线峰值为-118dB,吸波涂层层数大于6层后可使反射率降至-5dB以下。
10中的三组吸波材料在内部穿插基体材料后,与图7这三组吸波材料简单叠加结构的反射率曲线对比,吸波能力均有所提高。这可能是由于引入不具有吸波能力的基体延长了入射电磁波在吸波材料内部的波行距离,增加电磁波与吸波材料的作用几率。此外,插入无纺布基体材料减少了相同反射率下无纺布吸波涂层的层数,由于无纺布本身面密度很小,约为00185kg/m2,所以这种结构降低了吸波材料的面密度。
结论(1)采用叠层式结构制备一种无纺布织物涂层吸波材料。这种吸波材料本身的网眼孔隙可改变入射电磁波的传播路线,通过反射散射吸收过程把更多的电磁波消耗在吸波材料内部。同时,这种吸波材料的面密度较小,单层材料面密度在02kg/m2左右。(2)调整吸波涂料的组成改善复合吸波剂的电磁性能,进而提高材料的吸波能力。微量乙炔炭黑的加入或羰基铁粉含量的增加都可使同一反射率下吸波材料的厚度降低。(3)在结构上对无纺布吸波叠层进行改进,由原来的直接叠加到穿插不具有吸波能力的无纺布基体,提高无纺布吸波材料的吸波能力,同时降低材料的面密度。nryijGN8b
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