纳米吸波材料及其在防中的应用.docx

1、纳米吸波材料及其在防中的应用纳米吸波材料及其在防电磁辐射织物中的应用*王梅珍，赵宝艳，王瑄，吴超(浙江纺织服装职业技术学院宁波市先进纺织技术与服装CAD重点实验浙江宁波315211) 纳米材料与应用 第6卷第4期2009年8月Vol6 No4August 2009Nanomaterial&Application世界卫生组织（WHO）于2006年出版的制定以健康为基础的EMF标准的框架一书中明确指出，暴露于电磁辐射（EMF）可能会对人体健康造成损害，人类部分疾病的发生可能与EMF有关。国际上早已对此有所关注。WHO、国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)、国际电工委员会（IEC）以及各区域和国

2、家有关组织已经通过制定标准来规范相关行业。电磁灶是最有可能产生EMF的家电产品之一。而长时间和近距离又是我国消费者使用电磁灶的两大特点。如此暴露于EMF环境中，对使用者可能的伤害大大高1纳米吸波材料的吸波机理26纳米材料之所以具有优异的吸收电磁波性能是因为：纳米吸波材料的比表面积大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬挂键多，大量悬挂键的存在使界面极化和多重散射，吸收频带展宽纳米吸波材料的量子尺寸效应使电子能级发生分裂，分裂的能级间距有些正处于微波的能量范围，从而产生了新的吸收通道；纳米吸波材料中的原子和电子在微波场的辐照下运动加剧，增加电磁能转化为热能的效率，从而提高对电磁波的吸收性能；纳米

3、磁性粒子具有较高的矫顽力，可引起大的磁滞损耗。2.1纳米金属与合金金属磁性材料具有比较高的饱和磁化强度，可获得较高的磁导率和磁滞损耗，且磁性能具有较高的热稳定性。金属纳米粉对高频的电磁波具有优良的衰减性能。纳米金属与合金用作吸收剂主要是采用多相复合的方式，其吸收性能优于单向纳米金属粉体，影响吸收的主要因素是复合体中各有两种方法，一是粉碎法，即通过机械作用将粗颗粒物质逐步粉碎而得；二是造粉法，如气相法、液相法和固相法，即利用原子、离子或分子通过成核和长大两个阶段合成。法国的Viau等7采用液相多元醇方法制备得到了球形、单分散的纳米CoNi金属合金，并对不同比例的CoNi纳米金属合金与电绝缘基体的

4、复合物对微波的透射性在0.118 GHz频段内的吸波性能进行了测试研究，研究表明，组元的比例、粒径。制备纳米金属和合金主要颗粒尺寸和化学组成对其吸波性能具有显著的影响。邓联文等8采用雾化工艺和高能球磨处理技术制备纳米晶Fe85SilAl6Cr8扁平状颗粒合金粉，研究了高能球磨处理工艺对材料微结构、形貌和微波电磁特性的影响，结果表明，高能球磨处理使球形雾化粉粒形状扁平化并细化其晶粒，从而使Fe85SilAl6Cr8微粉的微波磁导率显著提高，有效控制了介电常数，后续热处理可以进一步改善其微波电磁性能，对采用该材料制作的涂层吸波性能进行的测量结果表明，在频率为4 GHz附近微波段具有良好的吸波性能。

5、2.2纳米氧化物根据氧化物性能和使用对象的不同，纳米氧化物的制备方法主要有气相法、液相法和固相法陈蕾蕾等9采用化学沉淀氧化法制备了纳米Fe3O4吸波材料，通过试验测试了其对8 mm波和7.511.5 GHz频段波的衰减特性。实验表明，2 m厚度的涂层对8 mm波的透射衰减达27.6 dB/g对7.511.5 GHz波透射在某些点达到了良好的衰减，将其作为吸波材料有良好的发展前景。但是由于纳米材料粒径极小，在空气中容易氧化，应对其做适当的包覆。Machida等1011研究了-Fe3N/Y2O3纳米复合物的电磁吸波性能，发现该吸波材料在0.0520.05 GHz波段内具有良好的电磁波吸收性能。研究

6、发现，将其与树脂复合，体积含量为51，设计厚度为3.319.3 mm时，在0.64.4 GHz具有非常好的吸波性能。另外，其研究小组研究发现，从Nd-Fe-B的磁体碎屑中制备得到的Fe/FexBNd2O3纳米吸波材料在1.06.7 GHz波段也具有很好的吸波性能2.3纳米陶瓷吸波材料纳米陶瓷吸波材料主要有SiC、Si3N4及复合物Si/C/N等。这些吸波材料不仅能在厘米波，而且在毫米波范围内也有良好的吸波性能。通过与其它吸波剂的复合，可以制备吸波能力强、范围宽、耐高温、密度比铁氧体低的吸波剂。这类吸波材料已经成为一个研究热点。西北工业大学12采用XRD研究了氮原子含量为11.61的Si/C/N

7、纳米粉体的相组成，并测定了粉体介电常数。根据介电常数，分别优化涉及了单层和双层的吸波涂层，设计的吸波涂层对8GHz-18 GHz范围的电磁波有较好的吸收作用。设计厚度为2.7 mm的单层吸波涂层在8 GHz-15GHz范围内反射率R-5 dB。设计厚度为2.8 mm的双层吸波涂层在8 GHz-18 GHz频率范围内电磁波的反射率R均小于-5 dB,反射率R10 dB,就可以不考虑多重反射的影响.从(2)、(3)式知:吸收损耗A随乘积增大而增大,反射损耗R随/比值增大而减小,即材料导电性好,吸收损耗和反射损耗均增大,屏蔽效能也增大;磁导率大,吸收损耗大,而反射损耗低.这是单层屏蔽材料的选材原则.

8、1.2低反射、高吸收电磁屏蔽材料屏蔽材料对电磁波的屏蔽从机制上来讲主要依靠屏蔽体的反射和吸收.现有的屏蔽材料大致可以分为:1)以反射损耗为主;2)反射损耗和吸收损耗相结合;3)低反射、高吸收.低反射、高吸收电磁屏蔽材料是一种能够将大部分电磁能吸收,而反射很少的一种新型电磁屏蔽材料.电磁能被吸收并转换成热能等其他形式的能量散发出去,从而实现电磁屏蔽的目的.这种材料主要用于高精密的电子仪器设备,因为在这类设备中,如果壳体内壁的反射太强,反射回的电磁波会对仪器设备本身造成干扰,从而影响设备的工作.这类材料,目前是屏蔽材料界的难点,因为很难找到一种单一的材料,同时满足乘积大和/比值小,国内外关于这方面

9、的研究报导很少.其研究更多的借鉴了电磁屏蔽吸波材料的设计方法.2低反射、高吸收电磁屏蔽功能的实现途径低反射、高吸收电磁屏蔽材料的设计主要集中在两个问题上,一个是屏蔽材料的选择,另一个在于设计方式.低反射、高吸收屏蔽材料的选择应当遵循以下原则:1)设计吸波材料的关键因素之一是提高材料的电磁损耗,使电磁波能量转化为热能或其他形式的能,从而电磁波在介质中被最大限度地吸收.损耗的机制可分为3类:一是与材料电导率有关的电阻型损耗,电导率越大,越有利于电磁能转变为热能;二是与电极化有关的介电损耗(反复极化的“摩擦”作用);三是与动态磁化过程有关的磁损耗(反复磁化的“摩擦”作用).设计吸波材料时需要综合考虑

10、以上多种损耗.2)设计吸波材料除了要尽可能提高损耗外,还要考虑另一关键因素即波阻抗匹配问题,使介质表面对电磁波反射系数为0,电磁波入射到介质表面能最大限度地透入介质进而被吸收.3)要增加介质的吸波效能,必须提高电导率和磁导率,增加极化“摩擦”和磁化“摩擦”,同时要满足阻抗匹配条件.对单一组元吸收介质,阻抗匹配和强吸收很难同时满足,只有将多元材料复合,使电磁参数可调,才能在尽可能满足匹配条件下提高材料吸收损耗能力.尽管提高介质电导率是增大损耗的重要手段(电导率大,电阻型损耗大),但当电导率到达金属所具有的电导率时,反射系数接近于1,将难以匹配.研究设计吸波材料时必须综合考虑电磁损耗和阻抗匹配2种

11、因素.多元复合能将电阻型损耗、介电损耗、磁损耗有效地结合,而且可以设计出组分及电磁参数可调、阻抗渐变利于波阻抗匹配和吸收的梯度功能吸波材料.同时,某些纳米材料由于具有特殊电、磁、光性能和单畴结构,吸收性能远高于常规材料,有些纳米物质具有微波红外吸收兼容和吸收频带加宽的特性,因此选择纳米相与聚合物进行多元复合设计并利用他们的优良性能及协同效应制造吸波材料具有广阔的应用前景.在频率大于1 GHz的微波材料领域,为了提高吸波能力和扩大频宽,采取了将吸波材料梯度结构设计的方式1,并且有不少这方面的专利报导24.在频率小于1 GHz的电磁波屏蔽领域,目前屏蔽材料的研究多集中于材料的导电性能、磁性能等方面

12、,对屏蔽材料的结构设计也多限于层状复合研究511.针对高精密电子设备,要求低反射、高吸收的屏蔽材料.低反射需要电磁波空间波阻抗与屏蔽材料的阻抗匹配,高吸收则要求材料的损耗特性优良.单一的屏蔽材料难以同时满足上面两个要求,层状设计也很难全面满足低反射、高吸收的要求.有人提出了对频率小于1 GHz的电磁波屏蔽材料进行梯度功能结构设计以满足低反射、高吸收的屏蔽要求12,但其设计思路和具体设计方式又不同于吸波材料:材料两侧阻抗与空间波阻抗匹配,中间的阻抗值沿厚度方向连续变化,且要求每层的吸收损耗尽量要大.由于同一材料具有高损耗和阻抗匹配不能同时兼顾的特性,结合材料的实际情况,提出“双阻抗匹配层+双阻抗

13、过渡层+高吸收层”(简称双梯度层设计)的SFGM结构设计来实现低反射、高吸收的屏蔽效果.其设计思路是:材料两侧设计为阻抗匹配层,紧邻阻抗匹配层为阻抗过渡区,中间设计成高吸收区,如图1、图2所示.阻抗过渡区的目的是让电磁波经过上一层的衰减后,由于相邻两层的阻抗相近,能大部分进入下一层,依次类推,最终大部分电磁波进入到高吸收区,达到最大的吸收效果,然后电磁波再通过阻抗过渡区和阻抗匹配层到达外层空间,以实现低反射.由于材料对电磁波的吸收随厚度的增加而增大,因此让高吸收层的厚度很厚,起到主吸收的作用,材料的阻抗过渡区应尽可能薄,主要是因为:1)阻抗过渡区的最大功能是让电磁波能最大限度地达到高吸收层.2

14、)减少屏蔽层的厚度.该文中提出实现双梯度层对材料有三方面的要求:1)阻抗匹配的材料;2)改变材料的成分能否调节材料的阻抗特性和损耗特性;3)高吸收材料.并以Ni/Ni-Zn铁氧体/聚乙烯复合材料为例来讨论这个问题.最终设计出的低反射、高吸收屏蔽材料是:让复合材料的阻抗匹配层由高铁氧体含量材料构成,高损耗区由高Ni含量导电材料构成,阻抗过渡区的成分逐渐从高铁氧体过渡到高Ni含量导电材料.图1电磁波与屏蔽材料的交互作用Fig.1The correlation between electromagneticwave and shielding material图2双梯度层模型Fig.2Double gradient level model3低反射、高吸收电磁屏蔽材料的研究内容3.1电磁参数研究电磁参数指复介电常数和复磁导率.电磁参数对吸波材料的阻抗匹配和结构设计等方面有很大的影响,同样电磁参数对频率小于1 GHz的电磁波屏蔽材料的屏蔽性能和结构设计也有很大的影响.在吸波材料领域有较为详细的研究,但专门针