螺旋纳米碳纤维的电磁吸收特性研究

王 丽

(华南理工大学广州汽车学院, 广东 广州 510800)

0 引 言

19世纪末，人们在研究类热解时，发现在催化剂表面生成物中混有极小的纤维状物质，这是纳米碳纤维(CNFS)的最早发现.20世纪90年代S. Iijima发现纳米碳管以后，人们才开始有目的地合成纳米碳纤维，其质量轻、厚度薄、韧性好、强度大、导电性强、低密度、宽频带的多功能特性受到了极大关注.通过几十年的发展，CNFS的研究已越来越广泛，且技术也越来越完善，制备的性能也越来越好，应用也越来越广泛.

1 螺旋纳米碳纤维的制备方法及特点

制备螺旋CNFS的方法采用化学气相沉积法(CVD法)，该方法主要以低碳烃化合物乙炔(C2H2)为碳源，含硫化合物为生长促进剂，Ni为催化剂，H2和Ar为载气，石英舟作基片.CVD法有以下几个优点：

(1)设备简单：无须高真空和高温加热设备，优化了实验装置，有利于实验的快速进行.

(2)成本较低，可就地取材.

(3)用途广泛：我们制备的螺旋纳米碳纤维用途是很广泛的.如用于电磁信息发射，可防止信息泄露，避免政治、经济、国防、科技等方面因信息泄露而造成的损失.

设备组装好后制备CNFS，要使石英管内源源不断地供应气体，而又不使气体压强过大影响实验结果，则应使流入反应管内的气体量与流出的气体量保持平衡.不同工艺条件制备的CNFS其性能如表1所示.

纳米碳纤维的形貌(特别是直径)和微观结构对其物理、化学性质有着极大的影响，在不同的制备方法和工艺条件下可以得到各种不同形貌和微观结构的纳米碳纤维.

2 螺旋纳米碳纤维的电磁吸收特性研究

2.1 材料吸收特性的基本规律

真空中的电磁场为

表1 不同工艺条件制备的CNFS

D=ε0E，B=μ0H

(1)

式中E为电场强度，D为电感应强度，H为磁场强度，B为磁感应强度，ε0和μ0均为常数.

类似得到物质方程式：

D=εε0E，B=μμ0H

(2)

ε=1+xE，μ=1+xt

(3)

xE和xt分别称为电介质的极化率和磁化率.确定电感应强度D和磁感应强度B与电场强度E′磁场强度H之间关系的等式(2)称为物质方程.xE和xt表征了材料内部存在电磁场的实际介质以及相应的性质.还有另外一个物质方程，以使传导电流密度I与电场强度联系起来，即

I=σE

(4)

式中σ为材料的电导率，电导率是材料电阻率的倒数.

把ε和μ表示为复数：

ε=ε′-jε″，μ=μ′-jμ″

(5)

上式中ε′和μ′分别为在电场或磁场作用下产生的极化和磁化程度的变量，而ε″是外加电场作用下材料电偶矩产生重排引起损耗的程度，μ″是外加磁场作用下材料磁偶矩产生重排引起损耗的量度.其损耗角正切分别为：

(6)

(7)

式中ω为角频率.这些参数也可用复波数(或传播常数)k表示：

(8)

式中c为真空中的光速.

一般来说，材料的性质都借助于综合参数ε和μ来表征，这两个参数决定着介质中电磁能的积蓄和消耗[1].根据ε和μ特性的不同，材料对电磁波辐射的吸收能力也不一样.理想电解质的介电常数和磁导率是实数，因此不能吸收电磁波辐射，但在一般情况下介质或材料的介电常数和磁导率具有参数性质.如果其介电常数和磁导率的虚部与实部相比很小，则可忽略不计，因此仍不能吸收电磁波辐射，这类介质或材料为透波介质或透波材料.当介质或材料的介电常数和磁导率的虚部不能忽略时，便具有吸收电磁波的辐射的性质，称其为吸波介质或吸波材料[2].由此可见，虚部主要承担对电磁波辐射的吸收.

除了ε和μ以外还常常采用表征同一现象的其他一些参数，其中一个参数是介质损耗角正切tgδ.在损耗取决于电导率σ时，

(9)

为了评价介质的质量，常采用Q值，它称为品质因数，即

(10)

在计算中，常常用来描述材料特征的另一个参数是复波数，

(11)

如果没有磁损耗(μ″=0)，则复波数的实部和虚部为

(12)

2.2 电磁波吸收的基本原理

对电磁波的传播过程可简称如下：当电磁波在空气中传播而遇到媒质时，由于媒质的阻抗与自由空间的阻抗不匹配则电磁波在媒质与空气的前界面发生反射.除反射波外，透射波进入媒质内部并在其中传播.在传播中，由于电磁波与媒质相互作用而发生能量损耗.当电磁波遇到与空气的后界面时，再次出现阻抗不匹配，从而一部分电磁波出射进入空气,另外一部分被后界面反射回而继续在媒质中重复上述过程.而最后电磁波吸收性能与材料的性质—电磁参数：复介电常数和复磁导率相关[3].

2.3 螺旋 CNFS的电磁吸收特性测试

测试方法为一个比较经典的方法—反射法.其测试原理主要依据3.1与3.2中所述原理.在这种方法中，将介质试样置于测量系统的末端，其输出端接短路板或开路器以产生全反射，根据试样引起的驻波节点和驻波系数，可确定试样的相对介电常数和损耗因子.

在装有介质试样的终端短路波导中，从介质试样的输入端面输入的等效阻抗Z1为:Z1=Zαlhγlt，式中Zα为介质波导的特性阻抗，γ=α+jβ为波在介质波导中的传播系数，lt为介质的长度.Z1也可看作空气中波导的负载阻抗，而这个阻抗由驻波系数和驻波最小点离开负载端(即介质式样的输入端面)的距离d来决定，它们是：

由此超越方程解出γ后，则可得到生物组织试样的相对介电常数和损耗因子.

在传输TE10波的矩形测量系统中

式中λ0为自由空间波长，α为波导的宽边尺寸.

用反射法测试CNFS吸波性能时，所用PX16频率计、YM 1123标准信号发生器产生入射波，经隔离器调节后，到达测量线选择驻波节点，在YM 13892选频放大器上观察. 测试数据列于表2.

表2 吸波性能测试表

2.4 CNFS的电磁吸收特性测试数据分析

(1) 由表2可见：材料的介电常数的虚部不为0，即ε≠0，而根据文献[4]ε是外加电磁场作用下材料电偶矩产生重排引起损耗的量度，且文献[2]中所述：介电常数的虚部存在时，便具有吸收电磁波的性质，可见我们测量的材料是有吸波性能的.对于表2中所示的样品，实部与虚部相差不多，根据文献[2]，虚部与实部相比不能忽略时，即相差不大时，便具有可很好的吸波电磁波的性能，说明我们制备的CNFS稀吸波性能优良.

(2) 从电磁波的衰减来看，5#产品入射波频率为1 GHz，经过0.628 cm的CNFS衰减到0.08 GHz，即相当于21.7 db，吸收率达92%.对于6#产品入射频率为1 GHz，经过0.628 cm的CNFS衰减到0.05 GHz，即相当于26 db，吸收率达95%.对于7#产品，入射1 GHz波后经过0.628 cm距离的CNFS衰减到了0.018 GHz，即相当于35 db，吸收率达98.2%.由此可见，相同的入射波在经过相同的距离后7#产品衰减的最多，则7#产品的吸波性能最佳.

3 结束语

制备的螺旋CNFS的吸收特性测试结果表明，其实部与虚部相差不大，根据文献[4]中的原理，说明制备的螺旋CNFS的吸波性能优良，且催化剂为200目制备的螺旋CNFS比催化剂数目大于200目的螺旋CNFS的吸波性能好.H2∶Ar∶C2H2=8∶3∶3制备的螺旋CNFS的吸波性能要优于 H2∶Ar∶C2H2=20∶10∶11制备的螺旋CNFS.

由上述结果，我们可以设想：当入射波入射碰到材料后，经过处理使波全部进入材料达到98%衰减后，经材料的后表面反射再次进入材料又为98%的衰减，这样多次衰减则吸收率可达99.99%.

参考文献

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[2] 陈会明.纳米碳管制备、结构、物性及应用[M].北京：化学工业出版社，2002.

[3] 倪而湖.材料科学中的介电谱技术[M].北京：科学出版社,1999：180.

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[6] 苏 革，杜金红.用不同催化剂制备纳米炭纤维的生长机理[J].材料研究学报，2001，(6)：623.

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