磁损耗吸波涂层的损耗特性

2022-03-17姜晓文黄大庆王智勇

宇航材料工艺 2022年1期

姜晓文黄大庆何山王智勇周淳

（北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

随着电子工业的迅猛发展，高效吸波材料研制成为研究热点［1-5］。在种类繁多的吸波材料中，磁损耗型吸波材料应用最广泛和成熟。由羰基铁粉作为吸收剂填料制备的涂覆型吸波涂层，是应用较早的一类磁损耗微波吸收材料，具有磁导率高，磁损耗大等优点，是薄层吸波材料的主要吸收剂之一［6-7］。

刚骏涛等［8］制备SiO2包覆羰基铁粉复合吸波剂，用Agilent/HP-8720ET 矢量网络分析仪对样品进行吸波性能分析，当吸波剂的涂覆层厚度为d=1.9 mm时，在6.4～11.4 GHz 波段范围的反射吸收率小于-10 dB，最低反射率达到-58.6 dB。胡晶等［9］用多元助剂有效降低羰基铁粉的复介电常数，增加复磁导率虚部，提高吸波材料的电磁匹配性能，改善吸收剂的低频吸收效果，在厚度为2 mm 时，三元助剂改性羰基铁粉的反射损耗峰值在2 GHz附近达到-15 dB。WEI 等［10］利用高能球磨制备了纳米片状羰基铁粉并测试了材料电磁参数，结果表明频率为2 GHz 时，磁导率实部达到3.2。YOO 等［11］制备了尖晶石型铁氧体NixZn1-xFe2O4（x=0.4，0.5，0.6），并模拟计算了材料吸波性能，结果表明吸波材料厚度为5.6 mm 时，对频率为2.9 GHz的电磁波反射率达到-60 dB。

目前关于吸波涂层电磁参数和涂层反射率方面研究较多，但在吸波涂层衰减常数、衰减率，以及Re（Zin）对反射率影响方面报道较少。本文测试磁损耗吸收剂电磁参数，分析吸波涂层对电磁波的衰减常数和衰减率，计算了电磁波在吸波涂层中的相位常数和波长，然后研究吸波涂层对电磁波的输入阻抗，以及输入阻抗对涂层反射率的影响。

1 实验

1.1 材料

石蜡：工业级；微波吸收剂X，工业级，北京航空材料研究院；微波吸收剂S、微波吸收剂K，工业级，南京大学。

1.2 实验方法

材料的频率为1～18 GHz 复介电常数和复磁导率基于同轴法采用矢量网络仪进行测定；测试设备为HP8722ES 矢量网络分析仪，根据传输线理论模拟计算出吸波涂层对电磁波的衰减常数、衰减率，电磁波在涂层中的波长、相位常数，以及涂层对电磁波的输入阻抗、反射损耗等。

2 结果与讨论

2.1 吸收剂电磁参数

选取了三种磁损耗型吸收剂，其中S型和X型属于羰基铁粉类吸收剂，K型属于铁氧体类吸收剂。将上述吸收剂按比例与石蜡共混，制备成吸波材料，并测试电磁参数，然后依据电磁参数计算吸波材料及吸波涂层的各种性能数据。表1是三种磁性吸收剂添加含量。

表1 三种吸波材料中吸收剂的种类及质量分数Tab.1 Lossy materials and mass percent in the three kinds of radar absorbing materials

图1是吸收剂在电磁波频率为1～18 GHz 的电磁参数曲线。从图1（a）可以看出，三种吸收剂的ε′随频率变化而基本保持不变，其中S 型吸收剂ε′最大，为17 左右，K 型吸收剂ε′最小，为5 左右。对于X型吸收剂，介电常数实部ε′随吸收剂质量分数增加而逐渐增大，表明材料储存电磁波能量能力变大［8］。从图1（c）可以看到，三种吸收剂的μ′在1～18 GHz范围内均随频率增大而逐渐减小，表明三种吸收剂的磁存储能力随频率增加而逐渐下降［9］。从图1（d）可以看到，三种吸收剂的μ′′在1～18 GHz 范围内均随频率增大而呈先增大后减小的规律，其中S 型、X 型吸收剂μ′′极大值均在频率为5 GHz 附近，而K 型吸收剂μ′′极大值在11 GHz附近。

图1 三种吸波涂层电磁参数Fig.1 Electromagnetic parameters of the microwave absorbing coatings

2.2 电磁波在吸波涂层中的复波数

分析时谐平面电磁波（以下简称电磁波）进入吸波涂层并在其中传播的情况，图2是电磁波在涂层表面以及内部发生传播的过程示意图［12］，其中吸波涂层涂覆于金属基材表面（近似为理想导体）。

图2 电磁波在吸波涂层表面以及内部发生传播的过程示意图Fig.2 Scheme of propagation of plane wave in the microwave absorbing coating

根据麦克斯韦方程和亥姆霍兹方程，求解得到沿z方向传播的电磁波在吸波涂层中总电场为

其中复波数γ为：

式中，α为衰减常数，β为相位常数［12］，j 为虚数，ω为角频率。E+和E-分别为正向、反向传播的电磁波电场振幅。

对于图2中的透射波T1，其在吸波涂层中传播d距离（d为涂层厚度）后到达金属基材，在金属基材表面发生完全反射，传播方向发生180°改变，并继续在吸波涂层中传播d距离后到达涂层表面。在此过程中，电磁波发生衰减，根据公式（3）可由衰减常数求得衰减后的电场振幅E+′，根据公式（4）可求得电磁波在吸波涂层中的衰减率Rα。

电磁波在吸波涂层中衰减是决定涂层吸波性能的重要因素［9］。图3（a）是频率为1～18 GHz 的电磁波在涂层内的衰减常数，从图中可以看出，S 型、X 型吸波涂层的衰减常数随频率增加而逐渐增大，表明吸波涂层衰减电磁波能力逐渐增大。对于X 型吸波涂层，衰减常数随吸收剂质量分数增加而逐渐增大，表明材料衰减电磁波能量能力随吸收剂质量分数增加而逐渐变大。

图3 电磁波在三种吸波涂层中衰减常数与衰减率Fig.3 Attenuation constant and energy loss of the microwave in microwave absorbing coatings

图3（b）是电磁波在厚度为2 mm 涂层内的衰减率计算结果，从图中可以看出，频率为18 GHz的电磁波在S型吸波涂层中衰减率为-24.9 dB，由于电磁波能量与电场振幅平方成正比，即电磁波场强振幅降为原振幅的5.7%，电磁波能量下降为原来的0.3%，衰减效果非常明显。

图4（a）是频率为1～18 GHz 的电磁波在涂层内的相位常数，从图中可以看出，相位常数在随频率增加而逐渐增大，且均大于在自由空间中的相位常数。根据公式（5）可以由相位常数β求得电磁波在材料中的波长［12］；

图4（b）是频率为1～18 GHz 的电磁波在吸波涂层内的波长，从图中可以看出，电磁波吸波涂层的波长在1～18 GHz范围内随频率增加而逐渐减小；电磁波在S型吸波涂层中波长最小，在K 型吸波涂层中波长最大。对于X 型吸波涂层，电磁波波长随吸收剂质量分数增加而逐渐减小。

图4 电磁波在三种吸波涂层中相位常数与波长Fig.4 Phase constant and wavelength of microwave in microwave absorbing coatings

2.3 吸波涂层阻抗性能

阻抗匹配是决定吸波材料吸波性能的另一重要因素［13］。公式（6）为涂覆于金属基板上的吸波涂层输入阻抗计算公式。从公式可以看出，材料输入阻抗与厚度有关，根据公式（6）计算了吸波涂层在厚度2 mm 时的输入阻抗，并计算了X-1 型吸波涂层不同厚度下的输入阻抗。

图5（a）是吸波涂层在厚度2 mm 时的输入阻抗实部Re（Zin）曲线，可以看出，S 型、X 型吸波涂层Re（Zin）在1～18 GHz范围内随频率增加呈现先增大后减小的规律。X-1 型吸波涂层对频率为12.73 GHz 的电磁波Re（Zin）达到578.2 Ω，明显高于自由空间本征阻抗值376.7 Ω。对于X 型吸波涂层，吸波涂层输入阻抗实部最大值随吸收剂质量分数增加逐渐减小；同时，吸波涂层Re（Zin）最大值随吸收剂质量分数增加逐渐向低频移动。图5（b）是不同厚度下X-1 型吸波涂层Re（Zin），可以看出，Re（Zin）最大值随吸波涂层厚度增加逐渐向低频移动。

图5 三种吸波涂层对电磁波输入阻抗实部Fig.5 The real part of input impedance of microwave absorbing coatings

2.4 吸波涂层反射率

图6（a）是利用电磁参数计算得到的厚度为2 mm 的涂层对电磁波的反射率，可以看出，S型吸波涂层反射率最大值对应频率最低，在5 GHz附近。对于X型吸波涂层，反射率最大值随吸收剂质量分数增加逐渐变大。图6（b）是不同厚度下X-1 型吸波涂层对电磁波的反射率，可以看出，X-1 型吸波涂层反射率最大值随吸波涂层厚度增加逐渐向低频移动。将图6（a）与图5（a）对比可以看出，S 型吸波涂层Re（Zin）最大值与反射率最大值均在5 GHz附近，两者对应频率值基本相等，对于X型吸波涂层和K型吸波涂层均有类似规律。

图6 三种吸波涂层的反射率Fig.6 Reflection loss of three kinds of microwave absorbing coatings

表2是吸波涂层的Re（Zin）与在自由空间中本征阻抗匹配情况，从表中可以看出，S 型吸波涂层对频率为4.83 GHz 的电磁波的Re（Zin）为321.5 Ω，与自由空间中本征阻抗376.7 Ω 差值最小，匹配最好；对于S 型、X 型吸波涂层，其对电磁波Re（Zin）均可与自由空间中本征阻抗实现完全匹配。另外，对于X 型吸波涂层，当Re（Zin）与η0匹配较好或者完全相等时，涂层反射率并不是最大值，表明电磁波Re（Zin）与自由空间中本征阻抗匹配性能不是决定涂层反射率的唯一重要因素。