磁損耗吸波涂層的損耗特性

姜曉文 黃大慶 何 山 王智勇 周 淳

（北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

隨著電子工業的迅猛發展，高效吸波材料研制成為研究熱點［1-5］。在種類繁多的吸波材料中，磁損耗型吸波材料應用最廣泛和成熟。由羰基鐵粉作為吸收劑填料制備的涂覆型吸波涂層，是應用較早的一類磁損耗微波吸收材料，具有磁導率高，磁損耗大等優點，是薄層吸波材料的主要吸收劑之一［6-7］。

剛駿濤等［8］制備SiO2包覆羰基鐵粉復合吸波劑，用Agilent/HP-8720ET 矢量網絡分析儀對樣品進行吸波性能分析，當吸波劑的涂覆層厚度為d=1.9 mm時，在6.4～11.4 GHz 波段范圍的反射吸收率小于-10 dB，最低反射率達到-58.6 dB。胡晶等［9］用多元助劑有效降低羰基鐵粉的復介電常數，增加復磁導率虛部，提高吸波材料的電磁匹配性能，改善吸收劑的低頻吸收效果，在厚度為2 mm 時，三元助劑改性羰基鐵粉的反射損耗峰值在2 GHz附近達到-15 dB。WEI 等［10］利用高能球磨制備了納米片狀羰基鐵粉并測試了材料電磁參數，結果表明頻率為2 GHz 時，磁導率實部達到3.2。YOO 等［11］制備了尖晶石型鐵氧體NixZn1-xFe2O4（x=0.4，0.5，0.6），并模擬計算了材料吸波性能，結果表明吸波材料厚度為5.6 mm 時，對頻率為2.9 GHz的電磁波反射率達到-60 dB。

目前關于吸波涂層電磁參數和涂層反射率方面研究較多，但在吸波涂層衰減常數、衰減率，以及Re（Zin）對反射率影響方面報道較少。本文測試磁損耗吸收劑電磁參數，分析吸波涂層對電磁波的衰減常數和衰減率，計算了電磁波在吸波涂層中的相位常數和波長，然后研究吸波涂層對電磁波的輸入阻抗，以及輸入阻抗對涂層反射率的影響。

1 實驗

1.1 材料

石蠟：工業級；微波吸收劑X，工業級，北京航空材料研究院；微波吸收劑S、微波吸收劑K，工業級，南京大學。

1.2 實驗方法

材料的頻率為1～18 GHz 復介電常數和復磁導率基于同軸法采用矢量網絡儀進行測定；測試設備為HP8722ES 矢量網絡分析儀，根據傳輸線理論模擬計算出吸波涂層對電磁波的衰減常數、衰減率，電磁波在涂層中的波長、相位常數，以及涂層對電磁波的輸入阻抗、反射損耗等。

2 結果與討論

2.1 吸收劑電磁參數

選取了三種磁損耗型吸收劑，其中S型和X型屬于羰基鐵粉類吸收劑，K型屬于鐵氧體類吸收劑。將上述吸收劑按比例與石蠟共混，制備成吸波材料，并測試電磁參數，然后依據電磁參數計算吸波材料及吸波涂層的各種性能數據。表1是三種磁性吸收劑添加含量。

表1 三種吸波材料中吸收劑的種類及質量分數Tab.1 Lossy materials and mass percent in the three kinds of radar absorbing materials

圖1是吸收劑在電磁波頻率為1～18 GHz 的電磁參數曲線。從圖1（a）可以看出，三種吸收劑的ε′隨頻率變化而基本保持不變，其中S 型吸收劑ε′最大，為17 左右，K 型吸收劑ε′最小，為5 左右。對于X型吸收劑，介電常數實部ε′隨吸收劑質量分數增加而逐漸增大，表明材料儲存電磁波能量能力變大［8］。從圖1（c）可以看到，三種吸收劑的μ′在1～18 GHz范圍內均隨頻率增大而逐漸減小，表明三種吸收劑的磁存儲能力隨頻率增加而逐漸下降［9］。從圖1（d）可以看到，三種吸收劑的μ′′在1～18 GHz 范圍內均隨頻率增大而呈先增大后減小的規律，其中S 型、X 型吸收劑μ′′極大值均在頻率為5 GHz 附近，而K 型吸收劑μ′′極大值在11 GHz附近。

圖1 三種吸波涂層電磁參數Fig.1 Electromagnetic parameters of the microwave absorbing coatings

2.2 電磁波在吸波涂層中的復波數

分析時諧平面電磁波（以下簡稱電磁波）進入吸波涂層并在其中傳播的情況，圖2是電磁波在涂層表面以及內部發生傳播的過程示意圖［12］，其中吸波涂層涂覆于金屬基材表面（近似為理想導體）。

圖2 電磁波在吸波涂層表面以及內部發生傳播的過程示意圖Fig.2 Scheme of propagation of plane wave in the microwave absorbing coating

根據麥克斯韋方程和亥姆霍茲方程，求解得到沿z方向傳播的電磁波在吸波涂層中總電場為

其中復波數γ為：

式中，α為衰減常數，β為相位常數［12］，j 為虛數，ω為角頻率。E+和E-分別為正向、反向傳播的電磁波電場振幅。

對于圖2中的透射波T1，其在吸波涂層中傳播d距離（d為涂層厚度）后到達金屬基材，在金屬基材表面發生完全反射，傳播方向發生180°改變，并繼續在吸波涂層中傳播d距離后到達涂層表面。在此過程中，電磁波發生衰減，根據公式（3）可由衰減常數求得衰減后的電場振幅E+′，根據公式（4）可求得電磁波在吸波涂層中的衰減率Rα。

電磁波在吸波涂層中衰減是決定涂層吸波性能的重要因素［9］。圖3（a）是頻率為1～18 GHz 的電磁波在涂層內的衰減常數，從圖中可以看出，S 型、X 型吸波涂層的衰減常數隨頻率增加而逐漸增大，表明吸波涂層衰減電磁波能力逐漸增大。對于X 型吸波涂層，衰減常數隨吸收劑質量分數增加而逐漸增大，表明材料衰減電磁波能量能力隨吸收劑質量分數增加而逐漸變大。

圖3 電磁波在三種吸波涂層中衰減常數與衰減率Fig.3 Attenuation constant and energy loss of the microwave in microwave absorbing coatings

圖3（b）是電磁波在厚度為2 mm 涂層內的衰減率計算結果，從圖中可以看出，頻率為18 GHz的電磁波在S型吸波涂層中衰減率為-24.9 dB，由于電磁波能量與電場振幅平方成正比，即電磁波場強振幅降為原振幅的5.7%，電磁波能量下降為原來的0.3%，衰減效果非常明顯。

圖4（a）是頻率為1～18 GHz 的電磁波在涂層內的相位常數，從圖中可以看出，相位常數在隨頻率增加而逐漸增大，且均大于在自由空間中的相位常數。根據公式（5）可以由相位常數β求得電磁波在材料中的波長［12］；

圖4（b）是頻率為1～18 GHz 的電磁波在吸波涂層內的波長，從圖中可以看出，電磁波吸波涂層的波長在1～18 GHz范圍內隨頻率增加而逐漸減?。浑姶挪ㄔ赟型吸波涂層中波長最小，在K 型吸波涂層中波長最大。對于X 型吸波涂層，電磁波波長隨吸收劑質量分數增加而逐漸減小。

圖4 電磁波在三種吸波涂層中相位常數與波長Fig.4 Phase constant and wavelength of microwave in microwave absorbing coatings

2.3 吸波涂層阻抗性能

阻抗匹配是決定吸波材料吸波性能的另一重要因素［13］。公式（6）為涂覆于金屬基板上的吸波涂層輸入阻抗計算公式。從公式可以看出，材料輸入阻抗與厚度有關，根據公式（6）計算了吸波涂層在厚度2 mm 時的輸入阻抗，并計算了X-1 型吸波涂層不同厚度下的輸入阻抗。

圖5（a）是吸波涂層在厚度2 mm 時的輸入阻抗實部Re（Zin）曲線，可以看出，S 型、X 型吸波涂層Re（Zin）在1～18 GHz范圍內隨頻率增加呈現先增大后減小的規律。X-1 型吸波涂層對頻率為12.73 GHz 的電磁波Re（Zin）達到578.2 Ω，明顯高于自由空間本征阻抗值376.7 Ω。對于X 型吸波涂層，吸波涂層輸入阻抗實部最大值隨吸收劑質量分數增加逐漸減?。煌瑫r，吸波涂層Re（Zin）最大值隨吸收劑質量分數增加逐漸向低頻移動。圖5（b）是不同厚度下X-1 型吸波涂層Re（Zin），可以看出，Re（Zin）最大值隨吸波涂層厚度增加逐漸向低頻移動。

圖5 三種吸波涂層對電磁波輸入阻抗實部Fig.5 The real part of input impedance of microwave absorbing coatings

2.4 吸波涂層反射率

圖6（a）是利用電磁參數計算得到的厚度為2 mm 的涂層對電磁波的反射率，可以看出，S型吸波涂層反射率最大值對應頻率最低，在5 GHz附近。對于X型吸波涂層，反射率最大值隨吸收劑質量分數增加逐漸變大。圖6（b）是不同厚度下X-1 型吸波涂層對電磁波的反射率，可以看出，X-1 型吸波涂層反射率最大值隨吸波涂層厚度增加逐漸向低頻移動。將圖6（a）與圖5（a）對比可以看出，S 型吸波涂層Re（Zin）最大值與反射率最大值均在5 GHz附近，兩者對應頻率值基本相等，對于X型吸波涂層和K型吸波涂層均有類似規律。

圖6 三種吸波涂層的反射率Fig.6 Reflection loss of three kinds of microwave absorbing coatings

表2是吸波涂層的Re（Zin）與在自由空間中本征阻抗匹配情況，從表中可以看出，S 型吸波涂層對頻率為4.83 GHz 的電磁波的Re（Zin）為321.5 Ω，與自由空間中本征阻抗376.7 Ω 差值最小，匹配最好；對于S 型、X 型吸波涂層，其對電磁波Re（Zin）均可與自由空間中本征阻抗實現完全匹配。另外，對于X 型吸波涂層，當Re（Zin）與η0匹配較好或者完全相等時，涂層反射率并不是最大值，表明電磁波Re（Zin）與自由空間中本征阻抗匹配性能不是決定涂層反射率的唯一重要因素。

表2 電磁波在吸波涂層的Re（Zin）與在自由空間中本征阻抗（η0）匹配情況Tab.2 Impedance matching between real part of input impedance（Zin）and wave impedance（η0）of free space

3 結論

（1）三種吸收劑的ε′隨頻率變化而基本保持不變，其中S型吸收劑ε′最大，為17左右，K型吸收劑ε′值最小，為5 左右。對于X 型吸收劑，介電常數實部ε′隨吸收劑質量分數增加而逐漸增大。

（2）S 型、X 型吸波涂層的衰減常數在1～18 GHz范圍內隨頻率增加而逐漸增大。對于X 型吸波涂層，衰減常數隨吸收劑質量分數增加而逐漸增大。對于S 型吸波涂層，頻率為18 GHz 的電磁波在其中衰減率為-24.9 dB，衰減效果非常明顯。

（3）S 型、X 型吸波涂層對電磁波的輸入阻抗實部在1～18 GHz 范圍內隨頻率增加而呈現先增大后減小的規律。X-1 型吸波涂層輸入阻抗實部最大值隨吸收劑質量分數增加逐漸向低頻移動。X-1 型吸波涂層輸入阻抗實部最大值隨吸波涂層厚度增加逐漸向低頻移動。

（4）三種吸波涂層輸入阻抗實部最大值對應頻率與反射率最大值對應頻率值基本相等。三種吸波涂層對電磁波輸入阻抗Zin實部與自由空間中本征阻抗匹配性能不是決定涂層反射率的唯一重要因素。