温度不敏感的耐高温吸波超材料的设计及特性研究

发布时间：2020-05-20 06:21

【摘要】：微波吸波材料在军用隐身、电磁兼容、电磁防护等领域都有着重要的应用。随着武器装备的发展,现代战争要求高速飞行器在具有良好的吸波隐身性能之外还应兼具优异的耐高温性能。基于这一要求开发的传统耐高温吸波材料虽然兼具隐身和耐高温性能,但由于不能摆脱单一的电损耗吸收机制,厚度厚、性能对温度敏感、带宽窄、制备复杂等问题都制约着高温吸波材料的发展及应用。吸波超材料具有吸收机制丰富,厚度薄、吸收强,设计灵活等特点,然而由于大都采用金属-聚合物的材料体系因此并不能应用于高温环境。基于此,本文利用超材料的设计原理,选用耐高温原材料,设计制备两种耐高温吸波超材料以解决传统高温吸波材料的吸收机制单一、性能对温度敏感、吸收带宽窄以及制备工艺复杂等问题。具体内容如下:首先,通过将耐高温导电陶瓷二硼化钛(TiB_2)和介电陶瓷氧化铝(Al_2O_3)进行复合设计并制备出在X波段吸收性能对温度不敏感的耐高温吸波超材料。超材料的强吸收来源于由几何结构和Al_2O_3的介电性质引起的磁共振吸收。同时建立了精确的数学模型,将超材料的主要参数与吸收特性紧密联系起来,用于指导超材料的设计。结果表明,当温度在25°C和800°C之间变化时,由于Al_2O_3的介电性质及超材料的几何参数几乎不随温度变化因此超材料的吸收峰位及强度几乎保持不变。TiB_2和Al_2O_3在高温下优异的化学稳定性进一步确保了超材料在高温下的耐久性。其次,提出了一种耐高温宽带吸波超材料设计和制备方法,得到了在整个X波段均具有90%以上吸收率的宽带吸波性能、可在室温到400°C工作的吸波超材料。该超材料结构由上层石墨电阻膜方片单元,底层石墨反射层以及中间氧化铝介质层构成,结构参数经过有限元模拟优化得到,制备通过丝网印刷法完成。实验证实,超材料的实测与模拟吸收性能吻合良好,在不同温度下其在X波段的吸收性能均大于90%。吸波超材料吸收源于磁共振机制导致的宽带阻抗匹配,并且对电磁波的损耗以发生在电阻膜层的欧姆损耗为主,其方阻变化是影响超材料高温吸收性能的主要因素。由于所采用的硅铝酸盐-石墨复合电阻膜在室温到400°C具有较稳定的导电性,因而其吸波性能可保持较好的稳定性。
【图文】：

三维图,反射损耗,三维图,频率

1-1 计算得到的反射损耗与频率和温度的三维图：(a) d=4.75mm，(c) d=5.25mm; (d)随机分散在二氧化硅中的短切碳纤维和(e)高的短切碳纤维中的 SEM 照片[3]1-1 Three-dimensional plots of calculated reflection loss vs. frequenmperature: (a) d=4.75mm, (b) d=5mm, (c) d=5.25 mm；(d) SEM atagnification of the CFs randomly dispersed in silica and (e) SEM at magnification of the CFsng 等人[6]用炭黑（CB）和多壁碳纳米管（MWCNTs）为吸收剂聚酰亚胺为基体，，设计制备了的高温吸波材料复合材料具有高温吸波性能。如图 1-2 所示，炭黑和多壁碳纳米管的混合填散性增强了复合材料的机械性能。当厚度为 1.7mm、混合填在25°C和200°C时其小于-10dB的吸收带宽分别为2.2GHz和2温度进一步的升高，复合材料的介电常数会大幅升高导致阻能变差。Zhang 等人[7]利用改进的 Hummers 法使用氧化石墨

曲线,聚酰亚胺,基质,吸波材料

1-2 (a)-(d)在不同升高温度下 5wt％含量的聚酰亚胺基质纳米复合材料的反损耗曲线; (e)在聚酰亚胺基质中填充剂的分散体的 SEM 图像，所述填料具有5wt％的含量用于杂化填料(f)由多壁碳纳米管和 CB 构成的导电网络概念图[6Fig. 1-2. (a)-(d) The reflection loss curves of polyimide matrix nanocomposites wi5 wt% content at different elevated temperature; (e) The SEM images of thedispersion of the fillers with 5 wt% content for hybrid fillers in polyimide matrix (Schema of a co-supporting networked formed by MWCNTs and CB.3.2 碳化硅类高温吸波材料与碳类高温吸波材料相比，碳化硅类吸波材料由于具有耐磨性好、机械强、相对质量轻、化学稳定性好、热稳定性好、耐高温等优势成为目前各国研为广泛的耐高温吸波材料，国外已有大量投入实际应用的案例。法国 APTG航导弹[8]的飞行尾翼就是由六角形小块 SiC 陶瓷吸波材料制备而成。美国空 F- 117、 F- 22 等隐身战机[9]上使用的主要吸波材料纳米 SiC 及其改性复合
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

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