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电磁波吸波材料的研究现状

作者:来源:日期:2019-5-2 13:43:57人气:20
电子设备的电磁环境安全性在民用电子信息产品领域也同样在进行研究。与TEMPEST技术不同的是民用电子信息产品主要所考虑的不只是自身的信息泄露问题,而是外部的电磁场是否会影响自身设备的正常工作和自身散发的电磁场是否会影响其它电子信息产品的正常工作,称为EMC(Electromagnetic Compatibility)技术。EMC的确切含义是:当某设备与其它设备处于共同的电磁环境下时,该设备不会由于同一环境下其它设备的电磁发射而遭受不允许的降级,同时它在正常工作状态下的电磁辐射也不会使同一环境下的其它设备遭受不允许的降级。为了使处于同一电磁环境下的不同电子电气设备达到“电磁兼容”,必须对不同类型的设备规定相应的EMC标准,由此产生了大量的国际、区域(如欧洲)、国家和行业标准。有些是推荐标准,有些是强制性标准。截止1999年8月,我国共发布了76个EMC国家标准。
1、电磁波吸收材料的研究现状
1.1 电磁波吸收材料
电磁波吸收材料的研究涉及材料科学、电磁场理论、电磁波吸收材料和吸收体理论、计算数学等,随着材料设计理论和方法的逐渐受到重视,电磁波吸收材料的研究逐渐成为EMC和材料科学中的一个重要分支。从理论上来讲EMC技术对电磁波吸收材料的基本要求有两点:
(1)无反射(既完全吸收);
(2)吸收频带尽可能的宽。
寻找无反射吸收材料的新设计方法一直是人们寻求的目的,但吸收材料也同屏蔽材料一样存在着对电磁波的反射问题。虽然到目前为止人们已经研究了不少的电磁波吸收材料,但是还无法做到无反射吸收。但在实际应用中,电子与电气设备要求的电磁波吸收材料大都是低反射率的的电磁波吸收材料。
目前国外正在研制和已经实用化的吸波材料和吸波体主要有以下几种:
(1) 铁氧体系列吸波材料(镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、钡铁氧体等):由于铁磁材料的共振吸收和磁导率的频散效应,铁氧体材料具有吸收强、频带宽的优点,被广泛地应用于各种隐身技术领域。日本NEC公司研究的铁氧体吸波材料厚度为3.8mm和0.9mm的两层构成,单位面积质量8kg/m2,衰减-20dB的带宽为8.5~12.2GHz,衰减-10dB时带宽为6~13GHz。
(2) 微粉吸波材料:微粉材料(尤其纳米吸波材料)由于其奇特的物理化学性质而受到各方面的重视,对电磁波的反射小、吸收高,是一种值得重视的新材料,在超微粉材料的颗粒中表面原子占整个颗粒原子的较大比例,表面原子由于悬挂键、空键较多,其活性大大增加。当电磁波入射到这类粒子上时,分子、电子的运动加剧,电磁能转化为热能的效率高,电磁损耗大,其透射和吸收性能取决于粒度大小,利用这个特点可以实现层间匝配和展宽频带的目的。例如,由纳米碳化硅纤维为基材制成的电磁波吸收体在8~12GHz的频率范围内,达到-15dB吸收的带宽大于1GHz,经特殊处理过的碳纤维在雷达波段具有较好的应用价值。对于金属粉如羟基Fe粉、Ni粉、Co粉,其粒径一般在10~50nm之间,也受到了广泛的研究,但由于抗氧化等性能较差其应用性受到限制。
(3) 多晶铁磁性金属纤维:多晶铁磁性金属纤维具有独特的形状特征和复合损耗机理(磁损耗和介电损耗),具有重量轻(密度<2kg/m2)、频带宽(4~18GHz)和斜入射性能好的优点,以及可通过调节纤维的长度、直径及排列方式调节吸波体的电磁参数,是一种值得研究的吸波材料。
(4) 希克夫盐基视黄脂:像石墨一样呈黑色,吸波性能优于其它材料,而重量只有铁球吸波材料的1/10。这种材料的吸波频带宽,从长波到8mm波段都有效,通过离子位移方式它将电磁波能量全部转换成热能,但材料本身的温升并不明显。
(5) 电介质陶瓷吸波材料:PZT(锆钛酸铅)、BaTiO3 等电介质材料也具有良好的吸波效果,但吸收带宽小。
(6) 导电高分子材料:与其它吸波材料相比具有密度小(只有铁氧体的1/5)的特点,通过掺杂调节电导率来控制其吸波性能,国外报道在毫米波段具有-10dB和12GHz的带宽。
(7) 手性吸波材料:它与普通材料相比最大的特点具有手性参数,在其中传播的电磁波只能是左旋或右旋的圆偏振波,其优势在于调节手性参数就可以调节阻抗匹配,并且比调节μ、ε容易得多;另外,它的频率敏感性低,易于实现宽频吸收。该材料实用的技术一旦有所突破,将对EMC技术产生重大影响。
1.2 电磁波吸收体
上述几类材料是目前所研究和开发的主要吸收体用材料,然而就目前的研究和生产水平而言,采用单一材料做成吸收体实现宽频带的吸收是不现实的,并且无法解决无反射问题。实际应用中一般较少采用单一的材料和直接使用,而是采用电磁波吸收体的形式。
电磁波吸收体是为了取得最佳电磁波吸收效果而结构化的电磁波吸收材料,它可以以商品的形式出现。国际上多采用复合化和结构设计方法来解决某一频段的吸收问题,并在军用上最先取得应用,像B-1.3、YF-22、YF-23等隐形飞机都采用了结构化吸收体。
电磁波吸收体的研究是以吸收材料的研究为基础,目前已获得实用化的吸收体结构有:
(1)单层结构:表现为复合材料的单涂层和单层吸收体。
(2)多层结构:由透波层、阻抗匹配层、吸收层以及反射背衬等组成。设计中经常要用到入射波与反射波相互抵消技术,此时虽然会出现相应的吸收峰但其吸收带宽受到影响。
目前美、日、西欧国家在电磁波吸收体的研究上处于世界领先地位,它们已分别研究出了毫米厚度的民用电磁波吸收体。最先进的吸收体结构是美国用在军用隐身飞机上的电磁波吸收体结构,这种结构可以在较宽的频带内使雷达波的反射降低7~10dB。
我国的吸波材料和电磁波吸收体的实验室研究开始于80年代,90年代中后期进入较全面的研究阶段。相对于国外来讲,无论是材料研究和电磁波吸收体的研究方面整体上处于跟踪和探索阶段,但在某些方面上取得了很好的进展,并形成了一些自己的特色。其研究重点大多是某种吸波材料的研究,对于吸收体的设计方法研究相对较少。对于吸收体设计方法的研究主要集中于单层和多层结构的设计上。但是由于材料本身的吸收频带宽度、阻抗匹配、粘合剂加入造成吸波特性降低等影响。
总体上来讲吸波材料和电磁波吸收体的理论研究和应用研究仍在发展之中,还没有形成成熟的理论。电磁波吸收体用于不同的电器产品时,其EMC所需要的频带和带宽可以通过材料改进来实现,最大的问题是阻抗匹配问题。但值得欣慰的是我国不少电器生产厂家已对产品EMC问题日渐关注,并投入力量研究,但是作为商品化的电子产品用电磁波吸收材料的研究尚需加强。
2、电磁波吸收材料的研究中的趋势和问题
由于历史的原因,军用TEMPEST技术发展在先,民用EMC技术发展在后,军用电磁波吸收材料的研究也始终领先于民用电磁波吸收材料的研究,电磁波吸收体的研究也是如此。就整体上来说,由于技术发展的要求,对电磁波吸收材料的性能和电磁波吸收体的设计提出了更高的要求,单一的材料和结构已不能满足要求。
对于军用电磁波吸收材料来讲,由单一频段、窄频带材料向多频段和宽频带方向发展。超微细结构和复合结构成为重要的发展方向,新型电磁波吸收材料和电磁波吸收结构成为研究热点。
电磁波吸收体不但可以作为吸波材料用于电磁波屏蔽暗室,还可以用于各种电子设备中用于电磁波的吸收和电磁场的设计。电磁波吸收体是电磁波屏蔽暗室必不可少的吸波材料,有角锥状浸有吸波粉料的复合海绵吸波体,其尺寸与吸波频率有关,形状设计是为了电磁波的阻抗匹配,可以满足30MHz—40GHz频带、10—20dB的电磁波吸收率;平板状、网格状和双层型铁氧体吸波材料,可以满足30MHz—2GHz频带、10dB的电磁波吸收率。电磁波屏蔽暗室用的电磁波吸收体是与暗室的尺寸相适应的,并且为了有效的利用空间也在不断地减小厚度。

电磁波屏蔽暗室用的电磁波吸收体由于其体积和重量的限制,在民用电子信息产品上无法使用。毫米厚度的电磁波吸收体在军事上已经取得实战上的应用,但在民用上因为种种原因发展比较慢,但是日本和西欧国家已经有厚度为毫米量级的电磁波吸收体展示,国内在这方面的产品还不多见。

另外在实际的电磁泄露防护技术中,还要考虑到具体电路的情况来采用不同的方式。由于电子与电气设备的电磁干扰以传导和辐射两种方式进行,响应EMC技术的也有两类。(1)传导,与电源频率不同的谐波和杂波通过导线传入电网,并由此对其它设备产生影响并造成信息泄露。传导的电磁波一般频率较低,可以通过滤波器的设计来实现抑制。(2)辐射,设备内部的高频电磁振荡以波的形式向外辐射,直接对其它设备造成影响。为了降低设备的电磁辐射,一般采用以下几种方法来抑制:
(1)低辐射电路设计,
(2)设备的屏蔽,包括机箱的屏蔽、接线孔和接缝的屏蔽,
(3)隔离技术,包括设备工作环境的屏蔽(如美国五角大楼安装了电磁波屏蔽材料),
(4)电源线和信号线的屏蔽,
(5)电源线和信号线的滤波,
(6)电磁波吸收材料方法。
由于受电路设计技术和成本的限制,许多产品在达不到EMC标准时,需要采用屏蔽和吸波方法。屏蔽和吸波的目的都是将电磁波局限在某一个区域内,所不同的是屏蔽主要利用导电材料对电磁波的反射作用来限制电磁波的传播。一般需要将整个辐射源全部屏蔽,否则的话会出现一个方向减弱,而其它方向增加的现象。

吸波则是利用材料对电磁波的吸收,使电磁波的电磁场能转变为其它形式的能(一般是转变为热能)。电磁波吸收材料不要求具有高导电性,在设备中应用起来相对容易,使用技术要求也就低一些。EMC材料的研究目前主要集中在屏蔽材料,对电磁波吸收材料和吸收体的研究相对较少。实际上电磁波吸收材料和吸收体在EMC技术上具有屏蔽材料等技术所不可代替的作用,目前正在成为EMC学科发展的一个热点。

然而,实用化的电磁波吸收材料除了对材料的性能有具体的要求之外,也有使用环境对材料提出的具体要求,例如使用温度和使用尺寸,这些都是电磁波吸收材料实用化必须要解决的问题,也是今后一个阶段的研究目标。
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