气凝胶硅橡胶吸波复合材料的设计

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摘要

吸波材料是一种具有广泛的应用场合的重要功能材料，能吸收或者大幅减弱投射到它表面的电磁波能量。铁氧体吸波材料是目前应用范围最广的吸波材料。

为了梳理铁氧体吸波复合材料的研究进展，本文首先介绍了吸波材料的吸波机理。然后依据吸波机理、材料的成型工艺和承载能力以及化学组成对吸波材料分类，并以此为线索介绍了目前广泛被研究报道的吸波材料。

铁氧体材料从吸波机理上分类，属于吸收型吸波材料。进一步依据电磁损耗机理分类，属于以磁损耗为主的双复介质吸波材料。关于其发展动态，可以总结为三方面：

（1）目前尖晶石型铁氧体和磁铅石型铁氧体开发较多，特别是磁铅石型铁氧体。但是近年来也有一些石榴石型铁氧体的掺杂改性研究。

（2）铁氧体的粒径、形貌、相组成、晶体结构均会影响其吸波性能。为了提高铁氧体材料的介电性能，目前有大量将其与介电性能良好的吸波材料复合的研究。

（3）目前关于改善铁氧体材料密度和低频波段吸波性能的研究很多，但改善其高温性能的研究则陷入了瓶颈。

同时，本文对粒径和吸波材料基体对铁氧体吸波材料的吸波性能的影响进行了数据分析。现有研究成果表明：

（1）在一定范围内，粒径与铁氧体材料的吸波性能总体表现为负相关。

（2）吸波材料基体的特性，会影响吸波材料的吸波性能，可以通过助剂进行调节。通过设计特殊的吸波结构，能有效提高吸波复合材料的吸波性能。

最后，本文立足于现有的研究基础，设计了将硅橡胶与钡铁氧体气凝胶通过物

理共混方法制备具有吸波性能的钡铁氧体气凝胶/硅橡胶复合材料的研究方案。预期将通过傅立叶红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、比表面积分析仪（BET）对钡铁氧体气凝胶及复合材料的结构与形貌进行分析与表征，通过万能试验机、差示扫描量热（DSC）、热重分析（TG）、矢量网络分析仪对复合材料的热力学性能与吸波性能进行研究。

关键词：吸波材料；硅橡胶；BaFe

12

O

19

气凝胶；复合材料；力学性能；热性能；吸波性能

第1章绪论

1.1研究背景

电磁干扰对军事安全和民用电子信息领域的影响越来越严重[1~4]，高性能吸波与防护材料已经成为了当前电磁材料领域研制和开发的重点之一。吸波材料作为一种重要的军事功能材料，其作用是减弱或消除雷达、红外线等对目标的探测能力，以达到战场隐身提高自身生存力的目的。

铁氧体类吸波材料由于既有亚铁磁性又有介电特性，因而兼具磁性和介电两种材料的损耗特点。此外，铁氧体具有较高的相对磁导率和较低的制备成本，即使在低频、薄厚度的情况下仍有良好的吸波性能，因此从50年代至今广泛应用于雷达吸波领域中。

但是随着现代战争对武器装备设计要求的不断提高，传统的铁氧体类吸波材料

图1-1第四代隐身飞机

存在诸多问题。在吸波性能上，铁氧体材料虽然有一定介电性能，但是相比其磁性能有较大差距；同时吸波频带主要集中在8~18MHz，对于低频波段吸收性能较差。在吸波性能之外则存在密度大和工作温度较窄的问题。首先是铁氧体材料密度较大会增加飞行器重量，而机体重量越轻，飞行器的航程越大；其次，铁氧体材料的工作温度范围有限，而现代飞行器高速飞行下，尖端部位温度会快速上升。除此之外，与之相匹配的基体材料也需要不断进步。海洋环境下吸波涂层还会受到受高湿、盐雾以及微生物等形式的化学腐蚀，寿命大幅度缩短；吸波涂层过厚会导致气动外形的设计受到影响，进而引起空气动力性能的下降，并导致装容空间的减小和其他损失。

一言蔽之，实际应用中，除要求吸波材料拥有较宽的吸收频带并对电磁波具有高的吸收率外，还要求吸波材料具有质轻、吸波层薄、高温性能好、抗腐性能好、抗湿等[5]性能。作为其典型案例，美国现役舰载机F/A-18E/F就采用密度很低且耐腐蚀性优良的新型隐身材料[6]。

图 1-2辽宁号航空母舰

1.2吸波材料概述

吸波材料种类繁杂，应用广泛，研究吸波材料首先要清晰的梳理各类吸波材料的特征。本节将重点梳理吸波材料的吸波原理并简要介绍各类吸波材料。

1.2.1吸波材料的吸波原理

当电磁波入射到吸波涂层时，一部分电磁波被反射回去;另一部分电磁波会进入材料内部[5]。要使吸波材料获得良好的吸波性能，首先要满足电磁阻抗匹配(材料表面的相对磁导率和相对介电常数相近)，使电磁波能最大限度地进入材料内部而不被反射。同时，也要具备强电磁损耗能力，尽可能的使进入材料内部的电磁波被充分吸收或衰减。

图1-3吸波材料的吸波机理示意图

吸波材料主要是通过材料的介质损耗使电磁波在材料内部以热能的形式消耗掉，或使电磁波因多次反射而干涉相消，达到吸收和衰减投射到物体内部电磁波的目的。对于介质损耗按其作用原理可以分为电损耗型和磁损耗型。

1.2.1.1阻抗匹配

假设空气介质的阻抗为Z0，媒质的阻抗为Z1，反射系数为R，则有

R=(Z1−Z0)/（Z1+Z0）（1-1）

⁄（1-2）

已知Z=√με

⁄（1-3）

所以Z0=√μ0ε0

⁄（1-4）

Z1=√μ1ε1

式中，μ为磁导率；ε为介电常数。要使媒质的吸波性能很好，则理想状态是电磁波能最大限度地进入介质被完全吸收，即反射为零，即R 为零。

因此，Z 0=Z 1（1-5）

μ0ε0⁄=μ1ε1⁄（1-6）

由此可见，电磁波的吸收与材料的电磁参数，即介电常数与磁导率有关。

已知μ=μ'−iμ'' （1-7）

ε=ε'−iε'' （1-8）

μ'与ε'为磁导率与介电常数的实部；μ''与ε''为磁导率与介电常数的虚部。已知介质中单位体积内吸收的电磁波能量为：

T=1/2×1/4π(ε0ε''|E|2+μ0μ''|H|2)（1-9）

其中E 为电磁波的电场矢量；H 为电磁波的磁场矢量，由上式可见，电磁波的吸收能力与介电常数和磁导率的虚部有关，且虚部值越大，电磁波的吸收越大。

1.2.1.2 衰减匹配

衰减匹配即电磁损耗。对于介质而言，对电磁波能量的损耗，决定了材料的吸波性能。电磁损耗的能力可以分别通过电损耗角正切tan δE 和磁损耗角正切tan δM 来表征。

已知损耗因子

tan δ=tan δE+tan δM=ε''/ε'=μ''/μ'（1-10）

由上式可见，ε''与μ''对电磁波的吸收有决定作用，能引起电磁能量的衰减与损耗，且ε''与μ''越大，损耗因子越大，电磁波的能量损耗越大。

综上所述，吸波材料欲满足阻抗匹配与衰减匹配，可通过调节电磁参数ε与μ的值调节材料的吸波性，从而获得性能优良的吸波材料。

1.2.1.3 干涉损耗

吸波材料的干涉损耗机理就是电磁波的干涉相消。

目前干涉损耗最简单最常用的一种应用就是制备满足特定条件的干涉型涂层。当电磁波入射到材料表面时，一部分被反射出去，为第一反射波R1，其余部分则进入介质中，在材料内部之间进行多次反射，但在每次返回自由空间与材料的界面时均有部分电磁波穿出此界面，返回自由空间，这部分波叠加后形成第二反射波R2。如果R1和R2处在同一偏振面，且相位差180°，则发生干涉，从而使总的反射波衰减。