设计吸波材料必须掌握的理论基础麦克斯

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电磁场理论

电磁场理论是以麦克斯韦方程组为核心,揭示了电磁场中各物理量之间的关系及其空间分布和时间变化。电磁场理论的两个核心:变化的电场可以产生磁场,变化的磁场可以产生电场。

变化的磁场和变化的电场是紧密联系不可分割的统一体,这就是电磁场。变化的磁场周围产生电场是一种普遍存在的现象,与电路电否闭合并没有关系。

吸波材料电磁参数

依据Maxwell(麦克斯韦)方程可知真空中电磁场存在如下关系:

D=ε0E;B=μ0H

式中,D、ε0、E分别表示电感应强度、真空的介电常数、电场强度,B、μ0、H分别表示磁感应强度、真空的磁导率、磁场强度。其中ε0和μ0为常数,分别为8.x10-12F/m和1.x10-6H/m。

当没有外加电磁场作用时,介质本身是不会显现出宏观电磁场的,其内部处于一种平衡状态。当存在外加的电磁场的作用时,介质内部的平衡状态就会被打破,导致介质发生极化或磁化现象。

介质中的电磁波在传输过程中满足以下物质方程:

D=εε0E;B=μμ0H

式中,ε和μ分别表示材料的复介电常数和复磁导率,用来表示吸波材料与电磁波之间作用的两个重要参数。通常材料的介电常数和磁导率都是复数形式;

ε=ε-jε";μ=μ-jμ”

式中,ε和μ’为介电常数和磁导率的实部,分别表示在电场或者磁场的作用下吸波材料内部产生极化或者磁化的程度。ε”为介电常数的虚部,表示在外加电场的作用下材料内电偶矩由于重排而引起的损耗的量度。u”为磁导率的虚部,表示在外加磁场作用下材料内磁偶矩由于重排而引起的损耗的量度。

电磁波在介质内部传输的过程中,常用损耗角正切值tan来表示介质对传输电磁波吸收的能力:

tanδ=tanδe+tanδm

tanδe=ε"/ε

tanδm=μ”/μ

式中,tanδe为电损耗角的正切值,tanδm为磁损耗角的正切值;δe和δm分别表示D(电感应场)和B(磁感应场)比外加电场和磁场滞后的相位。

电磁波反射

依据Maxwell方程,损耗介质的波阻抗Z为电场与磁场偶合分量的比值,表达式如下所示:

式中,εr--相对介电常数;

μr--相对磁导率;

Z0--自由空间波阻抗。

如果空间中电磁波从垂直方向入射到材料的表层,则反射系数Γ可表示为:

式中,Zin--吸波材料的输入阻抗;

d--吸波材料的厚度。

从上面各式可以看出,对于单层吸波材料,要想降低材料表面对电磁波反射率,使其尽可能多的进入到材料内部,就需要减小其表面的输入阻抗。

多层吸波材料

电磁波在多层吸波材料中的传输如下图所示:

当最底层为金属底板时,则Zin(0)=0。那么,

Zin(1)=Z1*tanh(γ1d1)

那么第i层的输入阻抗计算公式如下

其中,Z--第i层的波阻抗;

d;--第i层的厚度;

Y--第i层的传播常数。

此外,

其中,Z0--自由空间的特性阻抗;

μri--第i层的复磁导率;

εri--第i层的复介电常数。

那么,第i-1层和第i层之间的反射系数Γ为:

所以,由n层吸收介质组成的吸收体的反射系数I和反射率R为:

阻抗匹配与电磁损耗

从上面各式可以看出,要想降低多层吸波材料整体的反射率同样也需要降低其表层的输入阻抗。但为了增加材料对电磁波的损耗,吸波材料都会掺入电磁参数较高的吸波剂,导致材料与自由空间的阻抗匹配变差。

#百家新收益#如果采用单层结构,就会使大量电磁波从材料表层反射回去,这样吸波剂就无法发挥其性能。而采用多层结构则可以控制各层的厚度、各层中吸波剂的种类、比例等,而且调节电磁参数也相对容易,实现阻抗匹配方便。改善材料的表面的阻抗匹配,使入射电磁波能最大限度地进入材料内部并被吸收掉,在吸波性能上较传统的单层吸波材料有较大提高。

综合来看,吸波性能良好的材料不但要有较高的电磁损耗能力,还要同自由空间的阻抗有着良好匹配性。所以,在研究吸波材料的过程中,既要考虑材料电磁损耗能力的影响,也要注意到吸波材料的阻抗匹配问题。但是,在实际操作中会发现高损耗和阻抗匹配往往相互矛盾,因此,制备吸波材料时要兼顾二者。

吸波涂料

吸波增热涂料是一种聚合物杂化改性涂料,采用全新的吸波手征性微纳米粉体材料,在一定范围内吸引电磁波,而且粉体材料上带有多种类多数量官能团,多角度量子隧道空间,这样可以让电磁波输入阻抗和自由空间可以自由匹配,在电磁波激发下电磁能转化热电量效率高。通过调控涂层粉料的介电常数、频闪特性在较宽频段范围的谐振实现对宽频电磁波的吸收,做到对电磁波的电损耗和磁损耗。



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