迷你暗室宽频吸波材料的设计、制备与性能研究.docVIP

迷你暗室宽频吸波材料的设计、制备与性能研究 张颖1，罗庆春1，朱泳健1,2，罗奕然1，刘列1,2* 1 深圳市通用测试系统有限公司 深圳5181022 湖南大学电子与信息工程学院 长沙410082 摘要：随着无线通信的发展，暗室用吸波材料的研究也日益精进。除了普通的OTA测量暗室，为满足个性化需求，本研究设计了一种用于迷你测量暗室的吸波材料，以满足在较小空间内构造纯净的电磁环境。研究以韧性硅橡胶为基体，以磁损耗的羰基铁为吸波剂，通过形状设计制备了一种小型角锥硅橡胶吸波体。吸波体总高度1cm时就能在2-18GHz范围内有-10dB以下的吸收，且在2.4GHz频点反射率达-18dB及6GHz反射率达-20dB。 关键词：硅橡胶，羰基铁，宽频带，微波吸收 1、引言 电磁干扰（EMI）是电子、电信、通讯、网络、雷达等系统在工作中常见的一种电磁污染现象。在通信领域，OTA（Over-The-Air）测量对象更多的向小型移动终端发展，同时用于OTA测量的平台——微波暗室，对纯净电磁环境的要求也越来越高。吸波材料是一类具有吸收电磁波，减弱杂波对系统干扰的材料，因而广泛的应用于各种测量暗室及其他电磁屏蔽领域。 吸波材料种类繁多，按其吸波剂电磁波吸收机理可分为：电阻损耗型、介电损耗型和磁损耗型【1】。暗室用吸波材料主要有吸波泡沫和吸波橡胶两大类，前者是硬质或软质电阻损耗型泡沫复合材料，后者多为磁损耗型橡胶复合材料。然而，泡沫吸波材料多为金字塔形，尺寸较大，且其吸波性能与材料高度成正比，这对材料使用的空间有限制。吸波橡胶常见的形态为吸波贴片【2，3】，由于是平板结构，材料一般具有较窄的频宽。为满足吸波材料“质量轻、厚度薄、频带宽、吸收强”的特点，研究者做了大量工作，包括采用蜂窝角锥结构【4,5】，调整吸波材料的厚度或是吸收剂种类和用量来扩展频宽和提高吸收强度【6-9】。此外，采用电阻片制备阻抗渐变结构体和超材料也能改善材料的吸波性能【10,11】。这些改善措施从工艺及经济角度上存在一定程度的制约。 羰基铁是一种常用的磁损耗吸波剂，广泛的应用于磁流变液【12,13】，电感铁芯【14】以及电磁波吸收材料【15-18】。羰基铁独特的洋葱头结构使其具有较高的电磁性能，且其电磁参数可通过加工工艺调整，得到较好的吸收效果【19,20】。将羰基铁分散在橡胶聚合物基体中，通过结构设计，可制备一种小型的阻抗渐变吸波体。这种结构结合了大型泡沫材料的几何锥体的优势与橡胶平板材料的柔性优点，同时通过仿真优化，得到的吸波材料具有体积小、吸收强、易加工、可定制等特点，能适用于有限空间的测量环境。 2、实验部分 2.1、原料及仪器 双组份硅胶S（深圳红叶杰科技有限公司），羰基铁1#（成都核八五七新材料有限公司），羰基铁2#（江苏天一超细金属粉末有限公司），羰基铁3#（BASF化工有限公司）；电动搅拌器，真空烘箱， 波导测试仪 2.2、硅橡胶-羰基铁复合材料的制备 双组份硅胶S为加成型硅胶，其中A、B组份在常温下为透明液态，流动性好，粘度约1000mPa.S。AB组份混合后加热或室温放置可固化成型，无副产物产生，友好环保。羰基铁为无机球状粉体，具有较好的磁损耗性能。将羰基铁分散在硅胶的A组份中，机械搅拌均匀，再加入硅胶B组份，搅拌均匀得到浆料；倒入模具，抽真空后在140℃加热15min固化成型，得到硅橡胶-羰基铁复合吸波材料。 2.3、材料形貌分析、电磁参数及反射率测试 羰基铁及复合吸波材料的微观形貌采用扫描电子显微镜（SEM）观察；电磁参数测量采用精密波导夹具，仪表选用是德科技（前身为Agilent?Technologies）?高性能PNA系列网络分析仪?N5230A，校准类型为TRL，使用精密NIST算法进行计算。反射率测量采用了自由空间法测量，天线将微波能量聚焦在材料，可测量大尺寸吸波材料的反射率。 3、结果与讨论 3.1、形貌分析 羰基铁粉是通过热解羰基铁得到的铁粉，由于其生产工艺特殊，羰基铁粉呈“洋葱头”球状结构（如图1a）。这种结构在磁场作用时可以阻止磁畴边界的不可逆移动，涡流也不能以切线方向传播到某个铁粉颗粒的通信葱头层上。因而，这种羰基法生产的铁粉的具有很高的电磁性能【19】。 图1a 图1b-1d分别为羰基铁1#，2#，3#的SEM图片。可以看出，三种羰基铁均成球形，且存在不同尺寸分布。1#羰基铁的平均粒径为4-6um，2#羰基铁平均粒径为3-4um，3#羰基铁平均粒径为3-5um，这种微米级的颗粒，有一定的团聚现象。图2可以看出，球形羰基铁在硅胶中分散良好，被硅胶均匀粘结，复合材料具有均一性，保证了稳定的电磁性能。 图1b 、 图1c 、 图1d 图2 3.2、电磁参数测量 复合材料电磁性能的测试采用了厚度为3mm的片材。图3和图4给出了不同体积分数