碳化硅纤维吸波性能研究

唐浩　赵会友　肖品

摘 要： 对吸波材料的匹配机理阻抗匹配运用传输线理论进行了宏观上的解释与理解，结合运用物理模型对吸波材料的损耗机理进行了解释与分析。并通过本实验室生成的纤维对其运用网络矢量分析仪测量电磁参数并进行吸波性能模拟，研究了纤维含量，试样厚度，以及频率等对吸波性能造成的影响。并运用上述机理对吸波变化进行解释，发现含量40%，厚度1.5mm的纤维最大反射率达到-37.94dB。

关键词： 传输线理论；阻抗匹配；纤维；反射率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.032

1 引言

吸波材料如今在军事和环保方面都发挥着巨大作用，但无论运用在何处，吸波材料都有相似的设计机理，其作用都是为了减少或消除雷达、红外线等对目标的探测及辐射。此外，在环保工程中，电磁污染已经成为世界性公害，世界卫生组织已将其列为继水污染大气污染、噪声污染之后的第四大污染[1] ，为了防止电磁污染，吸波材料还具有重要应用价值。而其中影响材料吸波性能的主要因素包括，复磁导率、复介电常数、损耗因子、以及吸波材料的厚度等[2]。如今由于吸波材料在军事上的迅猛发展，对其性能也有了更高的要求，“薄、轻、宽、强”四方面的要求已经成为新型吸波材料设计方向。（厚度薄，质量轻，吸收频带宽，强吸收）[3]，而纤维在厚度，以及质轻，增韧方面必然会有显著的作用[4]。为此，作者采用本实验室生成的sic纤维对其吸波性能方面进行了研究。

2 吸波机理

在吸波体的设计当中入射波能最终会被分为，反射部分，介质损耗，透射部分。而理想吸波材料目的就是为了最大化降低反射部分[5]。

SE=SER +SEB +SEC

吸波材料对电磁波是否有好的吸收性能不仅取决于材料是否具有大的损耗，还取决于电磁波能否从自由空间顺利进入材料内部。这就要求材料表面的电阻抗与自由空间的阻抗接近，也就是阻抗匹配[6]。

文献[7]用传输线模型对阻抗匹配条件进行了解释，但并未涉及介电常数，磁导率等参数，因此后文将引入这些参数：

在广义匹配定义中[8]：

对于单层吸波材料进行匹配设计时，反射率Γ为0，得到μ/ε=μ”/ε”=1，推出ε”/ε=μ”/μ=M，由本式可推出d=c/4fA其中A为复磁导率μr或复介电常数εr的模，此式说明介电常数或磁导率越大，对单层吸波材料在增薄方面越有利。但此前提是在满足匹配设计的前提下。

但在现实的应用中无论军工或是民用当中，电磁波的频率并不是确定值都有一定的波段。所以，若在用上式中的单层匹配设计就不再适用。因此考虑到多层吸波材料设计。

在多层材料设计时如果在从各个电磁参数方面来控制阻抗匹配显然过于繁杂，因此可以控制一些变量变为常量。

3 实验

3.1 碳化硅纤维和石蜡

将本实验室生成的碳化硅纤维打碎，与石蜡混合制成碳化硅纤维-石蜡测试圆环。按纤维的百分含量变化进行分组。以及圆环不同厚度进行分组。

根据测试的不同要求，选择不同厚度的测试圆环测量不同厚度不同纤维质量分数的介电常数，磁导率[10]。

3.2 实验分析

由实验数据可以发现石蜡的反射峰是随频率的增大而增大，纤维含量20%，25%的反射峰也随频率的增大而增大，但纤维量达到百分之三十以后，反射峰的变化趋势变为随频率增大而降低。说明在纤维含量在25%以下时，石蜡对反射损耗起主导作用，在纤维含量超过30%时纤维对反射损耗方面的影响逐渐体现出来。这里用导电网络解释，当纤维相互联系以后而非各自独立，纤维的性能将逐渐显现出来。

在本实验室中可大致定为含量小于25%时，此时纤维部分相互团聚、缠绕，也存在单独的纤维分布。总体上纤维之间被基体相互隔开，未形成网络。因此主体上还是体现出基体的性质。

而当纤维含量达到30%以后，由于纤维含量的增加（在本实验中定义为含量大于30%）使得相互孤立的纤维相互搭接，形成导电网络结构，整体体现出SiC纤维的性能，而不是如之前的纤维被基体孤立开来，只能在局部显现出纤维的性能。

根据实验中每种纤维含量选择吸收效果最好一组。根据实验数据可以看出，纤维含量40%的反射损耗大，频带宽，厚度较小。纤维含量50%，2.5mm反射损耗最大，但频带较窄。

4 结论

（1）根据表2可以知道纤维含量在50%，厚度2.5mm时，反射峰峰值为-41.66dB，反射率≤-10dB的频带范围为6.72 ～ 8.64GHz，处在C波段。纤维含量40%，厚度1.5mm时，反射峰峰值为-37.94dB，反射率≤-10dB的频带范围为12.72 ～ 16.00GHz，处在Ku波段。在满足“薄，轻，宽，强”的前提下纤维含量40%，厚度1.5mm的试样更能满足要求。但同时也都存在一个缺点就是频带都比较窄，都只处在一个波段。

（2）以5.5mm试样为例，它的前两个反射峰值处的频率正好与通过干涉理论计算出来的频率吻合，说明在吸波材料设计中，波的干涉将是要考虑的重要因素。

参考文献：

[1]Adey W R. Biological effects of electromagnetic fields[J]. Journal of cellular biochemistry，1993，51（04）：410-416.

[2]Yu X，Lin G，Zhang D，et al. An optimizing method for design of microwave absorbing materials[J]. Materials & design，

（下转第53页）（上接第35页）

2006，27（08）：700-705.

[3]刘顺华，郭辉进.电磁屏蔽与吸波材料[J].功能材料与器件学报， 2002，8（03）：213-217.

[4]Yajima S， Hayashi J， Omori M. Continuous silicon carbide fiber of high tensile strength[J]. Chemistry Letters，1975， 4（09）：931-934.

[5]李黎明，徐政.吸波材料的微波损耗机理及结构设计[J].现代技术陶瓷，2004，25（02）：31-34.

[6]曹茂盛，房晓勇.多涂层吸波体的计算机智能化设计[J].燕山大学学报，2001，25（01）：9-13.

[7]Rozanov K N. Ultimate thickness to bandwidth ratio of radar absorbers[J]. Antennas and Propagation， IEEE Transactions on， 2000， 48（8）： 1230-1234.

[8]秦柏，秦汝虎.“广义匹配规律”的论证及在隐身材料中的应用[J]. 哈尔滨工业大学学报，1997，29（04）：115-117.

[9]Wang G Q， Zhang P， Liu Z L， et al. Study on the reflection of EM wave from chiral material[J]. Applied surface science， 2004，225（01）：78-85.

[10]Janis A，Yao Y， Klement U. Dielectric properties of SiC nanowires with different chemical compositions[J]. Nanotechnology， IEEE Transactions on， 2011， 10（4）： 751-756.