咪唑类离子液体吸波性能及超宽带吸波器构建与机理研究
发布时间：2020-10-27 19:38
近些年,随着电子信息技术的飞速发展,电磁辐射问题日益严峻,已成为继大气污染、水污染和噪声污染之外的新型环境污染,对电子设备、人类健康和国防军事设施等方面构成了极大威胁。电磁波吸收材料,通过将电磁能量转化为热能以及其它形式的能量消耗掉或者利用电磁波干涉而相互抵消的一种材料,能够在很大程度上防护电磁污染以及军事设施探测等问题。基于国防和电磁防护的巨大需求,开发具有“性能强、频带宽、厚度薄、质量轻”的高性能吸波材料成为各国的研究热点和迫在眉睫的问题。然而,现有的、单一的材料难以满足应用环境的苛刻要求。人们主要通过不同损耗机制的传统吸波材料组合及探索新材料和新结构的方式,发掘综合性能更为优秀的新型吸波材料。本文将新型软功能材料—离子液体应用于吸波材料领域,构建超宽带吸波器,并揭示其吸波机理。主要的工作概括如下几个方面:第一,研究了咪唑类离子液体介电特性及与影响因素之间的关系。搭建开口同轴测试系统,在1-14 GHz频段范围内研究了[BMIm]~+和[EMIm]~+咪唑类离子液体介电特性及与阴阳离子、链长、温度和不同离子液体构成的二元混合体系之间的关系,并进行理论分析。研究发现,咪唑类离子液体介电特性具有相对较小实部和较大的介电损耗角,具有较好的电磁阻抗匹配和较高介电损耗,为其应用吸波领域提供理论依据。随着阳离子链长和阴离子对称性增加,离子液体介电特性实部和虚部均会减小。环境温度的增加会导致介电特性的增大。不同离子液体构成的二元混合体系可以调制介电特性。第二,研究咪唑类离子液体吸波性能及与影响因素之间的关系。基于介电数据和单层匀质金属背板模型,研究离子液体吸波性能与阴阳离子种类、温度和涂层厚度之间的关系,并通过阻抗匹配理论和介质损耗机制揭示其吸波机理。研究结果表明,离子液体具有较好吸波特性,如[BMIm][OTf]在7.7 GHz峰值频率处的最小反射损耗可达-33.1 dB。当涂层厚度为4 mm时离子液体吸波频段主要集中在6-12 GHz,随着阳离子链长减小、温度升高和涂层厚度增加,其吸收峰值频率向低频区移动。深入分析损耗机理发现,在低频区域电导损耗占主导作用,随着频率的不断增加极化损耗逐渐成为主导。第三,构建并研究一种基于离子液体的极化不敏感、宽入射角、超宽带吸波器。提出通过引入顶层匹配介质构成多层吸波结构拓展吸波带宽的方法。建立理论分析模型,研究离子液体种类、几何参数、极化模式和入射角等参数对吸波器吸波性能的影响规律。利用自由空间法实验测得吸波器吸收频率范围为9.26-50GHz,相对吸收带宽达136.4%,且具有极化不敏感、大入射角和温度稳定性好等优点。通过对吸收峰频率处的电磁参数分布、阻抗匹配和单元介电损耗进行分析,研究该类型吸波器吸波机理。第四,构建并研究基于离子液体的重力可调型超宽带吸波器。提出利用重力改变吸波器中离子液体形状调制吸波性能的方法。通过实验和理论分析旋转角度、极化模式和环境温度对吸波器吸波性能的调控规律。研究发现,通过旋转角可实现对吸波器性能大幅度调控。该吸波器对TE和TM模式电磁波吸收效果不同,同时在两种模式下均具有较好调制作用和温度稳定性。阻抗匹配和峰值频率处电磁参数分析发现,不同旋转角度的吸波器具有不同的阻抗匹配特性和电磁谐振规律,进而实现对吸波性能的调控。综合上述研究结果可知,充分利用离子液体具有电导和介电极化复合损耗机制,可将其应用于吸波领域,并在X波段和C波段表现出优秀的吸波性能。同时,离子液体吸波材料性能可依据阴阳离子、链长、温度、厚度和二元混合体系等手段进行灵活设计和调控。通过设计单元结构,可以构建基于离子液体的超宽带吸波材料与器件,为吸波材料设计和实现提供了新的思路与方法。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34;O441
【部分图文】：
纳米金属及其氧化物颗粒，特别是具有高磁导率和磁损耗能的铁、钴、镍等过渡金属材料，是吸波材料重要的研究方向之一。Sun Genban 等人利用具有树突结构的α-Fe2O3成功制备出具有相同结构和相似外貌的的 Fe、Fe3O4和γ-Fe2O3纳米颗粒。电磁性能测试表明三种纳米材料均属于铁磁材料，其中 Fe 为介电损耗材料，γ-Fe2O3和 Fe3O4为介电损耗型和磁损耗型。研究发现，三种材料均具有较好的吸波性能，其吸收频率范围主要集中在 2-9 GHz[13]。Liu Tong 等采用脱合金元素腐蚀法，借助强碱氢氧化钠溶液对 B2 型结构的 Ni-Al 合金处理，并对获得金属镍颗粒进行氧化处理，制备出外貌为多孔微球 Ni/NiO 纳米颗粒。高频电磁波吸收特性测试发现该材料具备较好吸波性能，当材料厚度为 1.5 mm 时，峰值频率 14.4 GHz 处的最大反射损耗可达-49.1 dB，吸收率超过 90%的吸波频率范围为 12.2-18.0 GHz。该 Ni/NiO 纳米粒子吸波性能主要源于金属镍纳米颗粒高磁损耗能力、球状多孔结构微结构的极化作用，如图 1.1 所示[14]。
利用金属有机化学气相沉积法大规模制造了直径为 10-50 nm 的 FeCo-C 纳米颗粒（NP）。通过温度控制 Fe / Co 摩尔比和 C 壳的石墨化程度，进而实现对其组成的纳米材料电磁参数的调节。将质量分数为 20％的纳米颗粒作为吸波剂和 80%的石蜡基体材料复合成吸波材料，对其吸波性能测试发现，当厚度为 3.3mm 时频率 7.5 GHz 处的反射损耗可达 60.4 dB，当厚度为 2.5 mm 时，有效的吸收带宽可达 9.2 GHz (8.8–18.0 GHz)[15]。碳纳米管(Carbon Nanotubes, CNTs)，也称巴基管，是一种具有特殊结构的一维量子材料。CNTs 具有密度小、稳定性高、导电性好以及优异的力学和电学等性质[16-18]，被作为一种轻质类吸波材料被广泛关注，也可将其与其它材料复合使用。CNTs 及复合材料被期望成为质量轻、吸波强、频带宽和性能稳定的吸波与承载一体化新型吸波材料，当前属于吸波领域研究热点。Qingmei Su 等人采用化学气相沉积方法制备铁/镍硫化物纳米颗粒，并将其填充于 CNTs 制成复合吸波剂[19]。系统测试该复合材料电磁特性和吸波性能，发现当涂层厚度为 2 mm 时，峰值频率 14.8 GHz 处的最大反射损耗为 29.58 dB，吸收带宽可达 5.58 GHz，其损耗机制主要来自双组分硫化物纳米结构产生的磁损耗。
2. 纤维及其复合物类吸波材料纤维类材料相比于粉体材料具备很多优势，如韧性强、可构建复杂形状和吸波与承载一体化，因此在吸波领域受到广泛的研究，其主要包括以碳纤维和碳化硅陶瓷纤维为代表的碳纤维类、过渡金属为主的磁性多晶铁纤维、纳米纤维材料以及混杂纤维等。此外，也可将纤维类材料用作载体，与其他吸波材料联合制备纤维基复合吸波材料，来进一步提升吸波性能。Chengwen Qiang 等人将纳米颗粒 Fe3O4涂覆在碳纤维表面，制备出 Fe3O4/碳纤维复合型吸波材料。当 Fe3O4涂层为 1 微米和吸波材料厚度为 4.41 mm 时，吸收峰值频率 6.37 GHz 的反射损耗可达-35 dB。同时，吸波材料厚度从 2.90 mm 变化至 5.12 mm，吸收率超过 90%的频段范围为 3.52-10.01 GHz，超过99%的频率范围为5.49-7.75 GHz[21]。Yun Wei等人利用静电纺丝和热氮化工艺的组合制备氮化钛/碳（TiN/C）纳米纤维，并首次根据极化损耗和阻抗匹配特性研究了它们的微波吸收性能。当纤维材料含量15% 时，厚度小于 2.5 mm 的该吸波材料在 8-15 GHz 频率范围内吸收率超过99%[22]，如图 1.3 所示。
【参考文献】
本文编号：2858957
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34;O441
【部分图文】：
纳米金属及其氧化物颗粒，特别是具有高磁导率和磁损耗能的铁、钴、镍等过渡金属材料，是吸波材料重要的研究方向之一。Sun Genban 等人利用具有树突结构的α-Fe2O3成功制备出具有相同结构和相似外貌的的 Fe、Fe3O4和γ-Fe2O3纳米颗粒。电磁性能测试表明三种纳米材料均属于铁磁材料，其中 Fe 为介电损耗材料，γ-Fe2O3和 Fe3O4为介电损耗型和磁损耗型。研究发现，三种材料均具有较好的吸波性能，其吸收频率范围主要集中在 2-9 GHz[13]。Liu Tong 等采用脱合金元素腐蚀法，借助强碱氢氧化钠溶液对 B2 型结构的 Ni-Al 合金处理，并对获得金属镍颗粒进行氧化处理，制备出外貌为多孔微球 Ni/NiO 纳米颗粒。高频电磁波吸收特性测试发现该材料具备较好吸波性能，当材料厚度为 1.5 mm 时，峰值频率 14.4 GHz 处的最大反射损耗可达-49.1 dB，吸收率超过 90%的吸波频率范围为 12.2-18.0 GHz。该 Ni/NiO 纳米粒子吸波性能主要源于金属镍纳米颗粒高磁损耗能力、球状多孔结构微结构的极化作用，如图 1.1 所示[14]。
利用金属有机化学气相沉积法大规模制造了直径为 10-50 nm 的 FeCo-C 纳米颗粒（NP）。通过温度控制 Fe / Co 摩尔比和 C 壳的石墨化程度，进而实现对其组成的纳米材料电磁参数的调节。将质量分数为 20％的纳米颗粒作为吸波剂和 80%的石蜡基体材料复合成吸波材料，对其吸波性能测试发现，当厚度为 3.3mm 时频率 7.5 GHz 处的反射损耗可达 60.4 dB，当厚度为 2.5 mm 时，有效的吸收带宽可达 9.2 GHz (8.8–18.0 GHz)[15]。碳纳米管(Carbon Nanotubes, CNTs)，也称巴基管，是一种具有特殊结构的一维量子材料。CNTs 具有密度小、稳定性高、导电性好以及优异的力学和电学等性质[16-18]，被作为一种轻质类吸波材料被广泛关注，也可将其与其它材料复合使用。CNTs 及复合材料被期望成为质量轻、吸波强、频带宽和性能稳定的吸波与承载一体化新型吸波材料，当前属于吸波领域研究热点。Qingmei Su 等人采用化学气相沉积方法制备铁/镍硫化物纳米颗粒，并将其填充于 CNTs 制成复合吸波剂[19]。系统测试该复合材料电磁特性和吸波性能，发现当涂层厚度为 2 mm 时，峰值频率 14.8 GHz 处的最大反射损耗为 29.58 dB，吸收带宽可达 5.58 GHz，其损耗机制主要来自双组分硫化物纳米结构产生的磁损耗。
2. 纤维及其复合物类吸波材料纤维类材料相比于粉体材料具备很多优势，如韧性强、可构建复杂形状和吸波与承载一体化，因此在吸波领域受到广泛的研究，其主要包括以碳纤维和碳化硅陶瓷纤维为代表的碳纤维类、过渡金属为主的磁性多晶铁纤维、纳米纤维材料以及混杂纤维等。此外，也可将纤维类材料用作载体，与其他吸波材料联合制备纤维基复合吸波材料，来进一步提升吸波性能。Chengwen Qiang 等人将纳米颗粒 Fe3O4涂覆在碳纤维表面，制备出 Fe3O4/碳纤维复合型吸波材料。当 Fe3O4涂层为 1 微米和吸波材料厚度为 4.41 mm 时，吸收峰值频率 6.37 GHz 的反射损耗可达-35 dB。同时，吸波材料厚度从 2.90 mm 变化至 5.12 mm，吸收率超过 90%的频段范围为 3.52-10.01 GHz，超过99%的频率范围为5.49-7.75 GHz[21]。Yun Wei等人利用静电纺丝和热氮化工艺的组合制备氮化钛/碳（TiN/C）纳米纤维，并首次根据极化损耗和阻抗匹配特性研究了它们的微波吸收性能。当纤维材料含量15% 时，厚度小于 2.5 mm 的该吸波材料在 8-15 GHz 频率范围内吸收率超过99%[22]，如图 1.3 所示。
【参考文献】
相关期刊论文 前4条
1 宁汇;侯民强;杨德重;康欣晨;韩布兴;;二元混合离子液体的电导率与离子间的缔合作用[J];物理化学学报;2013年10期
2 杨富龙;李建新;张庆华;张世国;李作鹏;胡晓东;叶报喜;邓友全;张晓萍;;新型软光电传输媒介[J];中国激光;2009年04期
3 赵灵智;胡社军;李伟善;何琴玉;陈俊芳;汝强;;吸波材料的吸波原理及其研究进展[J];现代防御技术;2007年01期
4 郑长进,李家俊,赵乃勤,郭新权;吸波材料的设计和应用前景[J];宇航材料工艺;2004年05期
本文编号：2858957
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/2858957.html
