矿物材料对电磁波的吸收特性及其应用

第5期2006年10月

矿产综合利用

M ulti purpose Utili za ti on of M i n era l Resources

No .5

O ct .2006　综合评述　

矿物材料对电磁波的吸收特性及其应用

管登高1

,王树根

2

(1.成都理工大学材料与化学化工学院,四川　成都　610059;2.中国地质科学院矿产综合利用研究所,四川　成都　610041)

摘要:分析了矿物的宏观电磁参数(σ、μ′、μ″、ε′、ε″)对电磁波吸收性能的影响及其在地质、冶金和材料科学中的应用。结果表明,矿物的电磁参数会影响其波阻抗与空气阻抗的匹配程度,提高阻抗匹配程度,可降低矿物对入射电磁波的反射,增加矿物对进入其内部的电磁波的吸收;矿物对电磁波的吸收损耗取决于该矿物的电磁参数及电磁波的频率f;不同矿物的导电性、介电损耗和磁损耗特性差异较大,矿物电磁参数随频率的改变而改变。搞清矿物的电磁特性对地质遥感、矿冶工程以及电磁功能材料制备有较强的实用意义。

关键词:矿物材料;电磁参量;吸波特性;电导率;介电常数;磁导率中图分类号:P579　文献标识码:A 文章编号:100026532(2006)0520017205

地质过程中形成的数量众多、不同类型的矿物和岩石对入射电磁波有一定的反射、吸收、散射和透

射性能。这既是遥感测量和矿产资源普查的前提,也是鉴定、分离矿物及其利用矿物制备电磁功能材料的物理依据。在电子和信息时代,信息的产生、传递、接收、处理和存储要以电磁波为载体,地球表面的矿物和岩石对电磁波的不同吸收反射性能会对信息的传播产生明显的影响。随着电子电气设备的大量应用,电磁空间环境污染日益严重,市场对电磁波屏蔽吸收材料的数量和品质有了更高的要求。天然矿物成本低廉,若将某些具有优异电磁特性的天然矿物经过特殊处理,可研制出低成本高性能的这类功能材料。因此,研究矿物对电磁波的吸波性能及其应用具有重要的现实意义。

1　矿物对电磁波的吸收

1.1　矿物对电磁波的吸收作用

具有一定能量的电磁波入射到矿物表面时,由于矿物的波阻抗与空气的波阻抗不匹配,电磁波会被反射回空气中。当剩余电磁波进入矿物时会作用于其内的电子、离子和偶极子及磁畴等,使这些粒子的运动方式发生改变,如形成涡流、极化、驰豫、偶极子转动、共振、磁化、畴壁移动等,从而使电磁波能量被损耗掉,这就是矿物对入射电磁波的吸收作用。1.2　矿物电磁波吸收性能的影响因素

为分析问题方便,设平面电磁波E (t )=E 0e i ωt

,

H (t )=H 0e i ωt

沿X 方向垂直于表面进入矿物,由麦克

斯韦方程可得出反射波E r (t )、透射波E t (t )分别为:

E r (t )=Z -Z 0Z +Z 0

　E 0e

i ωt

(1)great infecti on on liquor abs orbing capacity of super abs orbent poly mer .According t o the I R analysis,the composite super abs orbent poly mer has a unif or m constucti on and the comm inuted fly ash has well linked with the organic resin .

Key words:Fly ash;Acrylic acid;Calcinati on for re moving carbon;Super abs orbent poly mer

收稿日期:2005210228

作者简介:管登高(1970-),男,博士后,讲师。

矿产综合利用2006年

E

t (t)=

2　ZZ0

Z+Z0

　E

e iωt(2)

其中,Z,Z

分别为电磁波在矿物和真空中的波

阻抗,Z=　μ

r

　ε

r

=

　μ′+iμ″

　ε′+iε″

　Z

=

　μ

　ε

=377Ω

式中,μ′、ε′分别为磁导率的实部;μ″、ε″分别为

磁导率的虚部;μ

0、ε

分别为真空中的磁导率和介

电常数;μ

r 、ε

r

分别为矿物的磁导率和介电常数。

由于与矿物内部各粒子的相互作用,电磁波进入矿物内部后将消耗能量被吸收,此时,其电磁波的表达式为:

Ex(t)=E0e iωt-rx=E0e iωt-(α+iβ)x=E0e-αx e i(ωt-βx)

(3)

H y(t)=

1

iωμ

9E x

9x=

γ

iωμ

E x=

γ

iωμ

E0e-αx e i(ωt-βx)

(4)

式中,α为衰减常数,β为相移常数,且有

α=ω　με

2

(1+

σ2

ω2ε2

-1)(5)

β=ω　με

2

(1+

σ2

ω2ε2

+1)(6)

其中,ω=2πf,μ=μ′+iμ″,ε=ε′+iε″

从以上分析可以看出:(1)矿物的电磁参数(μ′、μ″、ε′、ε″)对阻抗匹配有重要影响,提高矿物的波阻抗与空气的阻抗的匹配程度,可降低矿物对入射电磁波的反射,增加矿物对进入其内部的电磁波的吸收;(2)矿物对电磁波的吸收损耗程度取决于该矿物的电磁参数(σ、μ′、μ″、ε′、ε″)及电磁波的频率f。

可见,矿物的电磁参数决定了对入射电磁波的吸收程度。而自然界的每一种矿物的组成、结构、化学键型等差别较大;矿物类质同相置换普遍,容易引起矿物晶格畸变,改变晶胞参数变化和原子键力,从而改变其电磁波参数。因此各类天然矿物的电磁参数及其对电磁波的吸收性能有较大的差异。

1.3　天然矿物的导电特性及其对电磁波吸收性能

的影响

由于带电粒子浓度和迁移率差异较大,不同类型的矿物的电导率相差甚大(见表1所示)。单质金属矿物具有很好的导电性,其电导率σ可达到104～108S/m,由于趋肤效应,电磁波的透射深度很小,因此,电磁波的反射作用较强,相应地,对电磁波的吸收较弱。硫化物、氧化物、硅酸盐等类型的矿物的电导率σ可达到10-14～104S/m,由于其趋肤深度较大,大部分的电磁波可以进入矿物中,如果其电磁参量匹配适当,可实现对电磁波的低反射和高吸收。

1.4　天然矿物的介电特性及其对电磁波吸收性能

的影响

自然界的矿物介电特性变化很大。部分矿物介电常数的变化范围见表2所示。

可见,大多数硫化矿和硫化物在微波频段具有较大的介电常数(ε′=4.4～600,ε″=0.025～90.

0)。对阳离子相同的矿物,氧化矿和氧化物的ε″低于相应的硫化矿和硫化物。对于含有稀有气体型阳离子(Mg2+、Ca2+、Si4+、A l3+)的氧化矿和氧化物不能很好地吸收微波,它们的ε″在所测定的氧化矿和氧化物中是最低的,而含有Pb3+、Mn4+、Fe3+、Fe2+、Cu2+的相应矿物的介电损耗较大。磁铁矿、钛磁铁矿、软锰矿等含有大量的Mn2+、Fe3+、Fe2+等磁性离子,它们既具有较高的介电常数,又有一定的磁化率,因此,是双复介质,在微波频段具有较好的吸收性能。除了阴阳离子的类型外,矿物的介电损耗还受杂质的影响。当矿物含有杂质时,便会在矿物中产生空位、间隙原子和位错等结构缺陷,尽管这些缺陷不多,但能显著降低价带与导带之间的能量差,从而增加矿物的电导,因此,矿物的杂质对电磁波的吸收性能有一定影响。

1.5　天然矿物的磁损耗特性及其对电磁波吸收性

能的影响

矿物的磁性包括地球磁场对矿物的电磁感应所产生的磁性和冻结在矿物中的磁性。矿物的磁性主要是由含Fe、Mn、N i等的铁磁性矿物产生的。具有较高磁化强度的主要是尖晶石和类似尖晶石的铁氧体矿物,它们多为含Fe、Mn、N i等的氧化物或硫化物,如表3所示。这些矿物对入射电磁波具有磁损耗性能。

1.6　矿物电磁参数的频率特性及其对电磁波吸收

性能的影响

不同频率下的介电谱、磁谱对应于矿物内电子、原子、分子、偶极子振动和介面极化以及磁畴、畴壁的运动和磁性离子的共振吸收等,情况复杂,因此矿物的介电谱、磁谱会随着频率的变化发生较大的改

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