复合磁介质吸波材料

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复合磁介质吸波材料
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摘 要：将两种铁砂基复合吸收剂，按一定的比例掺在水泥中，在8～12GHz频段测试其吸波特性。发现吸收剂在水泥中添加量存在最佳值，达最佳浓度时，掺铁砂和铁氧体的吸波建筑材料最大吸收量分别由18dB和22.5dB提高到27dB和25.3dB，15dB带宽增宽一倍多。不同磁介质最佳浓度不同，铁砂磁介质含量小于铁氧体。磁介质浓度越低，匹配厚度越厚。   
关键词：磁介质；电磁波吸收；材料
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% E0 H+ R5 r" j* }) f3 }- H1 前言
) a4 z) W6 K9 T5 m) B# t+ Q随着信息技术的发展，电子电器设备的电磁泄漏不仅对其它电子设备造成严重的电磁干扰，而且对生态环境形成电磁污染，给人体健康带来难以估计的隐患[1]。同时随着经济的发展，城市高层建筑增多，引起电磁环境的破坏，使电视收看效果和通讯质量变坏。消除电磁波污染行之有效的方法是电磁波屏蔽，即在高层建筑上使用具有电磁波吸收功能的吸波建筑材料。早在八十年代日   本首先在高层建筑上使用了铁氧体吸波磁砖，在改善城市电磁环境方面取得良好的效果[2]。本文旨在研究吸波效率高、价格便宜、结构性能与黄砂相近的吸收剂，按一定比例掺入水泥里直接涂覆于建筑物上以达到吸波作用。
& X) G4 @  k( R' J: ]2 材料制备和测试方法   
2.1 材料制备中考虑的几个问题
磁介质建筑吸波材料应具有良好的吸波特性和结构特性以及廉价性。我国大别山区河铁砂和黄砂在结构特性上相近，将铁砂基复合电波吸收剂掺入水泥中所得材料的结构特性较为理想。众多的研究表明[2～4]，影响建筑吸波材料特性的主要因素有：
& q+ a8 ]$ G& a5 V$ X4 n( ?（1）吸收剂本身的吸收效率。铁砂吸收剂是一种双复介质，对一种磁介质（铁砂）和其它电介质组成的多组分复合吸波材料，它的吸收率决定于磁损耗和介电损耗：


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其中tanδM为磁介质的磁损耗（角正切），tanδMε1为第i种介质（包括磁介质）的介电损耗（角正切），Q1为第i种介质（包括磁介质）在复合材料中所占的体积分数。
+ K& o/ l0 p% j9 F& O（2）对单层电波吸收材料，吸收介质表面波阻抗Z1和空气波阻抗Z0相匹配时，电磁波才能无反射地进入吸收介质，便于吸收。
" s( b- Q& k2 I* W（3）吸收介质的粒度和配比浓度的影响。吸波介质的粒度、配比的浓度要有利于产生瑞利散射波增强。浓度过大，由于粒子之间的屏蔽，参与散射的粒子减少，使粒子对电磁波的散射作用降低，参与吸收的粒子亦减少；浓度过低，散射粒子占空比增大，瑞利散射向后散射系数变大，吸收量亦降低。
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2.2 试样制备   
基于上述考虑，结合我们以往的工作，选用两种吸收剂：（1）铁砂吸收剂；（2）用铁砂替代Fe2O3制备的尖晶石型MnZn铁氧体吸收剂。
) L; j+ b5 P& Z6 ]) n0 i为提高吸收率和满足波阻抗匹配条件，在两种吸收剂中添加介电型（BaTiO3）和电阻型介质（SiC）各10%（质量），制成两种复合型电波吸收剂：铁砂基复合吸收剂1#和铁氧体基复合吸收剂2#，并将其磨至一定的粒度，用WLP-205型平均粒度分析仪测定粒度。
6 j4 E& D" e# t# T) p- h  r在和水泥混合时，将这两种复合吸收剂分别按质量分数x1=10%、x2=20%、x3=30%、x4=40%分别掺入其中，充分混合均匀，以聚氨脂粘结剂制成浓度70%的涂料涂覆于铝板上，凝固后将表面磨平待测。x0=0为对照组，纯水泥不含吸收剂。
2.3 试样测试
在3cm反射损耗测量系统[3]上，先分别在不同厚度下测量吸收量A随频率f的变化（A～f曲线），再在对应最大吸收量频率处画出最大吸收量随涂层厚度的变化曲线（A～h曲线），由这两条曲线可以确定匹配厚度、最大吸收量及带宽。
& v1 A( H7 |; z) l$ f! e( a3 @3 实验结果和讨论
% y2 p% L# h/ f9 F3.1 复合吸收剂特性
. Y% C0 i3 o0 m0 ^. j: Q吸收剂粒度对吸收效率的影响在过去的工作中已进行过讨论[5]，这里选用最佳粒度，对上述两种复合吸收剂测得的技术参数列于表1。由表1可见：两种用铁砂制备的复合吸收剂在8～12GHz频段有两个吸收峰，2#样品的综合性能优于1#样品，而吸收峰的位置偏向高频区，起因于铁氧体的磁导率和自然共振频率高于铁砂磁导率和自然共振频率。
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3.2 铁砂基复合吸收剂1#的添加量对铁砂基复合吸波建筑材料特性的影响
图1为含不同铁砂基复合电波吸收剂添加量的建筑吸波材料在匹配厚度下测得的吸收量A随频率f的变化曲线，由图1可以看到以下几点：   
+ Q! Q( U; ~8 f2 v# j" X9 m# G8 M（1）曲线x0为不含铁砂复合吸收剂的水泥的吸收曲线，在8～12GHz频段，吸收量A很小，几乎没有什么变化。不存在匹配厚度。
（2）曲线x1与铁砂基复合电波吸收材料特性相似，亦呈双峰曲线，吸收峰的位置未变，但吸收量较低（8～10dB），主要是由于水泥含量高，吸收剂浓度低，参与吸收的粒子少。但吸收曲线较平坦，说明铁砂基复合吸收剂中搀入水泥有助于改善吸收带宽。
3 s' U+ a& y' S( ~5 Q. E$ Z$ u（3）当水泥中复合铁砂基吸收剂增加到x2=20%时，曲线x2的两个吸收峰位置仍未变，但最大吸收量较铁砂基复合吸收剂本身大幅度提高，由铁砂基复合吸收剂最大吸收量18dB提高到建筑吸收材料的27dB，15dB带宽也由1.2GHz增至2.5GHz，这主要是建筑吸收材料中吸收浓度达到最佳，水泥也影响吸收剂电磁参数。
（4）当水泥中铁砂复合吸收剂含量增至x3=30%时，与x2曲线相比，x3最大吸收量略有下降(25dB), 仍保持较大的带宽。吸收剂浓度进一步增至x4，吸收量大幅度下降，最大吸收量只有12dB左右，这主要是浓度过高之故。
: P7 S2 ^+ V' T5 g; {（5）水泥中铁砂基复合吸收剂含量越多，匹配厚度越薄。
由上可见，磁介质建筑吸波材料中吸收剂的含量存在一个最佳值，在最佳浓度时可获得良好的吸收特性，说明一定水泥加入有助于改善性能。   
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3.3 铁氧体基复合吸收剂添加量对铁氧体基建筑吸波材料特性的影响
图2为具有不同铁氧体基复合吸收剂含量的建筑吸波材料的吸收曲线。由图2可以看到，所得的吸收曲线基本规律与铁砂基复合吸收剂建筑吸波材料相似：
（1）存在一个最佳配比浓度，在最佳浓度时，可获得比纯铁氧体基复合吸收剂更高的吸收性能。如铁氧体复合吸收剂最大吸收量22.4dB，在水泥中加入x3=30%铁氧体基复合吸收剂的建筑吸波材料的最大吸收量可达25.3dB。15dB带宽也由铁氧体基复合吸收剂的2.2GHz增至掺铁氧体建筑吸波材料的3.2GHz。
7 \3 R+ _4 I2 x（2）含铁氧体基复合建筑吸波材料的匹配厚度大于铁氧体基复合吸收剂的匹配厚度。铁氧体基复合吸收剂含量越低，匹配厚度越厚。
$ L" G/ U, U# X# }! f- i! X! @（3）不同吸收剂在水泥中的最佳浓度不一样，铁砂复合吸收剂最佳浓度为x2，而铁氧体复合吸收剂最佳浓度为x3，即在磁介质建筑吸波材料中铁砂复合吸收剂最佳含量小于铁氧体复合吸收剂最佳含量。

（4）对于同一种复合吸收剂不同浓度的建筑吸波材料吸收峰位置不变。   
4 结论   
在水泥中掺入磁介质复合吸收剂制成磁介质吸波建筑材料，涂覆于建筑物的表面代替铁氧体吸波磁砖，可起到改善城市电磁环境的作用。水泥中复合磁介质吸收剂的添加量存在最佳配比浓度，在最佳配比浓度的吸波建筑材料可获得比纯复合吸收剂更高的吸波特性。不同的磁介质吸收剂的最佳浓度不同，铁氧体复合吸收剂含量大于铁砂复合吸收剂的含量。在磁介质吸波建筑材料中复合磁介质吸收剂含量越高，匹配厚度越薄，铁砂复合吸收剂更适合用于制吸波建筑材料。若要进一步提高磁介质吸波建筑材料性能，可提高吸收剂的磁电损耗，调节吸收介质表面波阻抗，亦可考虑双层结构电波吸收建筑材料等，有些问题尚待深入研究。
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