吸波材料的案例
導熱吸波材料研究進展
來源 | 哈爾濱工程大學學報
作者 | 王孟奇，李維，崔正明，陳志宏，官建國
單位 | 武漢理工大學 材料復合新技術國家重點實驗室
摘要: 針對電子和通訊設備小型化、高度集成化帶來的散熱和電磁兼容困難問題，本文研究分析了導熱吸波材料的發展現狀，從單一的導熱功能材料和吸波功能材料的設計制備出發，歸納了導熱機理與吸波機理以及影響導熱和吸波性能的重要因素。在此基礎上介紹了一些典型的提高導熱吸波綜合性能的方法及其設計制備方法，在總結現有導熱吸波復合材料的發展現狀和問題的基礎上，考慮當前技術的不足，提出了未來導熱吸波材料的發展方向，包括制備高熱導率的聚合物基體材料、結構優化設計和增強導熱吸波復合材料綜合性能的研究。通過此研究，旨在為制備高性能導熱吸波材料提供參考，提升行業技術水平，開發出兼具高導熱和電磁波吸收功能的新型復合材料。
關鍵詞：導熱吸波材料；導熱機理；吸波機理；設計方法；制備方法；導熱性能；吸波性能；復合材料
人們對電子及通訊器件便攜、高性能、多功能和智能化的剛性需求，促使它們不斷向著小型化、集成化和高功率方向發展，從而導致系統內部產生大量的余熱以及嚴重的電磁干擾和電磁泄露問題。
這兩大問題嚴重限制了新設備的研發及用戶的使用體驗，已經成為各類設備廠商重點關注和投入的領域。
展開 【科普系列】電磁波的“克星”—介電損耗型吸波材料
吸波材料設計原理
吸波材料的選擇與設計尤為重要。將材料設計成為表面阻抗無限接近于自由空間阻抗，確保其阻抗漸變或匹配，可以大大縮減雷達散射截面，避免兩種介質阻抗的劇烈變化。這就意味著具有優異特性的吸波材料需滿足兩個條件: 匹配特性和衰減特性。為實現防熱與吸波一體化的新型吸波材料, 要求材料應具備高電導率、多孔/界面以及介電性能可調等特點。
電磁吸收器的原理圖
LIU P, HUANG Y, ZHANG X, et al. Superparamagnetic NiFe2O4 particles on poly (3,4-ethylenedioxythiophene)-graphene: synthesis, characterization and their excellent microwave absorption properties[J]. Compos Sci Technol, 2014, 95: 107-112.
根據吸波材料的損耗機制可以將吸波材料分為：電阻型損耗、電介質損耗以及磁損耗吸波材料。常用的基體材料有陶瓷、樹脂、橡膠、碳材料和磁性吸波材料等。高溫下磁性吸收劑會失去磁性使其無法應用于高溫部件的雷達吸波隱身。
展開 國內新型碳基吸波材料新進展
【引言】
由于碳材料具有優異的介電性能、良好的復合特性、特殊的微觀結構、較低的比重、較強的化學穩定性以及使用便捷、維護簡單等優點，在雷達吸波領域有著廣闊的應用前景，已逐漸成為學界與工業界所追逐的熱點研究對象與應用方向。但單一碳材料介電常數較大，不利于阻抗匹配，導致其吸波性能較差，而且作為納米材料，碳材料之間的團聚程度高，難以均勻分散在基體當中。通過制備碳基復合材料來調節其電磁參數，提高阻抗匹配程度并改善分散性，有望獲得輕質、高效的吸波材料。在最近三年的時間內，國內科學家們針對上述問題開展了大量的研究工作，下面就一起來回顧與總結碳基吸波材料的最新研究進展。
1.石墨烯基復合吸波材料
石墨烯是以sp2雜化軌道組成六角形呈蜂巢晶格的二維材料，由于其獨一無二的結構，石墨烯有一系列突出的物理和化學特性，比如高的電導率、熱穩定性、耐腐蝕性、大的比表面積、高的機械強度和卓越的光學性能。這些特性使石墨烯成為很有前景的吸波材料。通過氧化還原法制備成的還原氧化石墨烯具有大量的缺陷和殘留的官能團使石墨烯的電導率降低，同時這些缺陷和官能團的出現可以產生費米能級的局域化態，有利于電磁波的吸收和衰減。且還原氧化石墨烯基的復合材料具有三維分層結構，易實現電子傳輸，具有強烈的極化損耗。
展開 吸波材料仿真分析（基于CST軟件）
本文設計了一型吸波劑和基體配比固定、具有三層方陣結構的吸波超材料，通過反演各層方陣單元的等效電磁參數，提出了其多層等效模型；進一步分析了該吸波超材料對目標RCS 的衰減作用。結果表明：逐層增加 MZ 材料的體積占比可使等效重量僅與單層 2.4mm 厚 MZ 材料相當的三層方陣結構呈現良好的阻抗漸變特性，對 4.43～18.00GHz 頻段電磁波的反射率低于-10dB；提出的多層等效模型忽略了邊緣效應及層間耦合作用，具有一定局限性；通過前置設計的三層方陣結構可明顯縮減金屬平板的回波散射強度、呈現良好雷達隱身性能。 本文涉及的知識點包括吸波材料的吸波性能優化設計，等效電磁參數提取，基于傳輸線理論的多層吸波材料反射率計算，RCS仿真分析等內容。
展開 
西安工業大學《Carbon》：新型納米復合材料，優異的吸波性能！
通常，理想微波吸收(MA)材料的主要指標應該是高反射損耗(RL)、寬有效吸收帶寬(EAB)、低填料負載和薄匹配厚度。雖然在制造新型毫安時材料方面取得了顯著進展，如石墨烯、碳納米管、鐵氧體等。合成過程的復雜性、阻抗不匹配和這些材料的低衰減能力仍然使得新吸收材料的開發面臨許多挑戰。在這方面，考慮到磁性碳成分之間優異的介電-磁互補性，將磁性成分結合到介電材料中已被證明是優化吸收器的衰減能力和阻抗匹配的有效方法。
除了多組分策略之外，結構設計也是獲得吸波材料優異性能的一個有意義的途徑。一方面，界面空位不僅可以調節過高的復介電常數，還可以作為極化中心。邊緣豐富的不飽和配位可以顯著增強介電損耗所需的極化。另一方面，得益于包括多孔材料、中空材料和層狀材料在內的獨特結構的組合，電磁輻射的傳播路徑由于多次反射而延伸，這進一步提高了EMW吸收體的吸收能力。
開發具有高反射損耗、寬有效吸收帶寬(EAB)、低填充量和薄匹配厚度的先進電磁波(EMW)材料被認為是解決EMW污染的有效策略。然而，設計合理的結構和適當的成分以滿足先進吸波材料的要求仍然是一個巨大的挑戰。西安工業大學Xiaochuang Di等研究人員設計并合成了一種由氮摻雜的生物質衍生碳和鎳/碳納米球組成的納米復合材料。
結果表明，連續導電網絡不僅可以提高導電損耗，而且為EMW的反射和散射提供了前景。此外，花瓣狀magneticporous carbon （MPC）@鎳/碳納米復合材料具有大量缺陷和異質界面，可實現多極化。同時，在碳材料上分散性好的超小鎳納米粒子和鎳/碳納米球有利于介質-磁性結合，實現阻抗匹配。因此，優化的MPC @鎳/碳納米復合材料表現出非凡的微波吸收性能。
展開 什么是核磁共振屏蔽室、電磁屏蔽室、電鏡屏蔽室、電波暗室屏蔽室？
電波暗室的尺寸和射頻吸波材料的選用主要由受試設備(EUT)的外行尺寸和測試要求確定，分1m法、3m法或10m法。
組成結構
電波暗室主要組成結構主要為屏蔽室、和吸波材料。屏蔽室由屏蔽殼體、屏蔽門、通風波導窗及各類電源濾波器等組成。根據用戶要求，屏蔽殼體可采用焊接式或拼裝式結構均可。吸波材料由，工作頻率范圍在30MHz～1000MHz的單層鐵氧體片，以及錐形含碳海綿吸波材料構成，錐形含碳海綿吸波材料是由聚氨脂泡沫塑料在碳膠溶液中滲透而成，具有較好的阻燃特性。
基本分類
電波暗室(anechoic chamber)通常對于輻射試驗來說，測試場地分為三種，分別是全電波暗室、半電波暗室和開闊場。在這三種測試場地中進行的輻射試驗一般都可以認為符合電磁波在自由空間中的傳播規律。
1、全電波
全電波暗室減小了外界電磁波信號對測試信號的干擾，同時電磁波吸波材料可以減小由于墻壁和天花板的反射對測試結果造成的多徑效應影響，適用于發射、靈敏度和抗擾度實驗。實際使用中，如果屏蔽體的屏蔽效能能夠達到80dB~140dB，那么對于外界環境的干擾就可以忽略不計，在全電波暗室中可以模擬自由空間的情況。同其它兩種測試場地相比，全電波暗室的地面、天花板和墻壁反射最小、受外界環境干擾最小，并且不受外界天氣的影響。它的缺點在于受成本制約，測試空間有限。
2、半電波
半電波暗室與全電波暗室類似，也是一個經過屏蔽設計的六面盒體，在其內部覆蓋有電磁波吸波材料，不同之處在于半電波暗室使用導電地板，不覆蓋吸波材料。半電波暗室模擬理想的開闊場情況，即場地具有一個無限大的良好的導電地平面。在半電波暗室中，由于地面沒有覆蓋吸波材料，因此將產生反射路徑，這樣接收天線接收到的信號將是直射路徑和反射路徑信號的總和。
展開 哈工大張濤老師課題組Carbon：有機先驅體法制備超輕h-BCN陶瓷具備可調節性電磁波吸收性能
因此，吸波材料對民用和軍用領域均有重大意義，但傳統的吸波材料難以滿足現代優良吸波材料所應具有的“薄，輕，寬，強”等特點。h-BCN因其具有優異的熱學、化學穩定性和可以靈活調節的介電性質被認為是可應用于臨界馬赫數飛行器的有良好前景的一類新型電磁電磁波吸收材料，近年來得到了廣泛的關注。于此，制備新型吸波材料勢在必行。
【成果簡介】
近日，哈爾濱工業大學威海校區張濤教授（第一作者）、其學生張建（共同一作）、夏龍教授（通訊作者）和黃小蕭教授（通訊作者）等人已將該項關于超輕h-BCN的可調節吸波性能的研究發表在Carbon上，題為“Ultra-light h-BCN architectures derived from new organic monomer with tunable electromagnetic wave absorption”。作者通過對六方硼碳氮(h-BCN)微納米吸波材料的制備與性能進行了一系列探索與研究，主要在單分子聚合得到的先驅體的基礎上，采用先驅體高溫裂解的方法合成h-BCN微納米吸波材料，同時實現化學氣相沉積，來制備h-BCN微納米材料并實現對其吸波性能的研究。實驗中，先驅體原位合成的h-BCN塊體密度僅為15 mg/cm3，是已知陶瓷材料中最輕的。與此同時，通過在寬溫度范圍控制熱解溫度，可以在氣流下游收集到h-BCN微管。通過第一性原理預測并結合實驗對原料的調控，可以通過控制N原子摻雜從而調控h-BCN最小反射損失值，其優良的頻率可控的電磁波吸收特性可歸因于碳網絡中B和N摻雜劑導致的可調復介電常數和晶格極化的組合。
展開 河北工大《Carbon》：新型輕質復合材料的可控合成及吸波性能！
因此，開發一種理想的微波吸收材料成為了科研領域中的一項熱點問題。為了解決電磁輻射和電磁干擾，許多研究人員進行了各種嘗試。一般來說，最常見的微波吸收材料主要由介電損耗材料和磁損耗材料兩部分組成。一種常見的合成方法是將輕質碳基材料（石墨烯、碳納米管和碳纖維）與金屬磁性材料（鐵和鐵氧體）結合，通過調整復介電常數和復磁導率來提高微波吸收性能。
雖然石墨烯復合吸波材料的研究給我們帶來了一定的成功，但是依然存在一些問題。石墨烯是一種零帶隙的半導體，并且本身不具有優異的微波吸收能力。同時石墨烯的介電常數大，當電磁波接觸其表面時，很容易引起強反射。這種強反射勢必會影響復合材料的吸波性能，于是我們創新性的使用石墨烯量子點（GQDs）來代替石墨烯。與此同時，氮化硼納米片（BNNs）對電磁波的反射能力較弱，同時具有熔點高、導熱系數高、化學性質穩定、耐腐蝕等優良特性，且在電磁波吸收領域已有一些研究。將GQDs與超薄BNNs相結合，得到了輕質GQDs/BNNs復合材料，其阻抗匹配率和穩定性均得到增強。
近日，來自河北工業大學的胡琦等人根據GQDs和BNNs各自的性能特點，采用一步水熱法設計并制備了不同負載量的GQDs/BNNs復合材料。研究了樣品中GQDs濃度對復介電常數和復磁導率的影響并測試了GQDs/BNNs的反射損耗（
R
L
）、衰減常數（
α
）、阻抗匹配率（
Z
in
）等參數，比較了GQDs中自由載流子濃度與微波吸收性能之間的關系。根據實測數據，GQDs濃度的增加有利于材料微波吸收強度的提高。S9的
R
L
值達到了-59.9 dB且吸收頻率范圍也達到了2.1~18 GHz。當吸收頻率進一步增加到19~27 GHz和28~40 GHz時，S9的RL也小于-10 dB。
展開 FEKO中一些改善計算收斂性的方法（持續更新中）
2）對于一些介電常數或損耗較大的的材料或者含有磁性的材料（比如吸波材料）的仿真計算時，需要相應的提高剖分精度（選擇自動剖分），才能獲得較好的收斂性，否則會出現計算不收斂甚至發散的情況。
7.相鄰介質電參數相差越大，收斂性越差
單元的剖分尺寸不僅介電常數有關，與介質的損耗大小也相關，損耗越大，剖分尺寸相應越小。（實列說明：在對一種含有吸波材料的介質體模型進行電性能仿真時（按1/4剖分，單元25萬），計算總是發散，主要原因就是吸波材料與其共面的介質體之間的電參數相差太大導致，后將兩者之間的共面處設置成金屬時，結果就成功收斂，同時進一步的提高剖分精度，迭代步數也有一定的下降）
8.使用ACA等直接求解器
對于未知量不是很大的目標（≤20萬），采用ACA直接求解器進行計算，ACA基于LU分解計算矩陣，不存在不收斂的情況，而且對于如單站RCS求解或天線罩透波率掃角計算，經第一次需要計算參數矩陣，后續角度計算將十分迅速。
PS:使用ACA算法時，precondition選擇默認的求解器，不要選擇迭代求解器，這樣就是直接求解，不存在不收斂的情況。
9.調整近區box的尺寸
MLFMM近區box內采用MOM進行計算，默認近區尺寸為0.23，可以在[0.2，0.35]區間內進行調整。近區尺寸越大，消耗的內存就越大，對于距離較近的平面，較小的近區尺寸會有更好的收斂性，一般來說近區越大收斂性越好。
10.使用double precision（雙精度）
使用雙精度，所需要的內存會是單精度的2倍。
11.選擇合適的預條件
預條件的目的是為了優化待求解矩陣的性態，矩陣性態越好，收斂性越好。Sparse LU為默認預條件，通常具有較高的收斂性，但是內存消耗大。
展開 小身材大秘密! 你所不知道的SIM卡知識掃盲
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SIM卡掉卡問題
分析SIM掉卡問題，主要有如下幾個思路：
排除SIM卡槽與卡接觸問題，更換卡槽，Pin 腳加錫，接觸彈片用刀片刮一刮；
更換SIM卡嘗試，是不是所有的SIM卡都有問題，排除極個別特殊SIM卡與平臺的兼容問題；掉卡
容易受RF信號的干擾，嘗試用導電布將SIM卡座包起來，或者在SIM卡座上貼吸波材料，不同的吸波材料，抵抗RF干擾的效果不同，吸波材料的不同貼法效果也不一樣；
用示波器抓取SIM信號波形，需要注意，SIM卡通信速率都是M級別，用示波器測量可能不準，波形較容易受到示波器上容抗和阻抗成分的影響。
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FSS快速設計與仿真
FSS——頻率選擇表面，作為一種濾波材料，應用廣泛。比如雷達罩通過安裝頻率選擇表面減少雷達散射截面積，卡塞格倫天線副反射面通過FSS實現波束的復用與分離，準光濾波器通過FSS實現波束的復用與分離，吸波材料利用FSS實現基于高損耗的介質，可以實現大帶寬的吸波材料，極化扭轉通過FSS實現折線形的頻率選擇表面，如線極化變成圓極化的極化扭轉器，天線主面利用FSS降低帶外的噪聲，等等。
FSS的設計和仿真，在HFSS軟件中的實現源遠流長，鑒于這類需求的重要性，以及這種處理方法和技巧的可參考性，本專題聚焦在FSS的設計與仿真，幫助有關用戶深度了解和理解有關的概念，流程，和方法。
本次專場技術交流會議程緊張，但我們帶著誠意滿滿的內容，期待各位熱情參與，并且踴躍提問。借助仿真的翅膀，“海飛絲”不會讓您失望，必將護送到科技創新的彼岸。報名ANSYS專場技術交流會（7月23日，19:30 – 21:30）或 申請會后資料下載可掃描下方二維碼進行注冊申請。
關于全國天線年會：
全國天線年會是中國電子學會主辦，天線分會和有關單位承辦的全國性學術會議，會議的目的是為天線技術領域的學者、科學家、工程技術及管理人員提供一個廣泛交流學術、科研成果及技術最新發展的平臺，該年會每兩年召開一次。
展開 納米四氧化三鐵磁性材料的應用
4.微波吸波材料
納米微粒由于小尺寸效應使它具有常規大塊材料不具備的光學特性, 如光學非線性, 以及光吸收、光反射過程中的能量損耗等, 都與納米微粒的尺寸有很大的依賴關系。研究表明, 利用納米微粒的特殊的光學特性制備成各種光學材料將在日常生活和高技術領域得到廣泛的應用。目前關于這方面研究還處在實驗室階段。納米微粒的量子尺寸效應等使它對某種波長的光吸收帶有藍移現象。納米微粒粉體對各種波長光的吸收有寬化現象。四氧化三鐵（VK-EF01,VK-EF02）磁性納米粉由于具有高的磁導率, 可以作為鐵氧體吸波材料的一種, 應用在微波吸收方面。
5.磁記錄材料
納米四氧化三鐵（VK-EF01,VK-EF02）磁性顆粒的另一個重要用途是用來做磁記錄材料。納米四氧化三鐵顆粒由于其尺寸小, 其磁結構由多疇變為單疇, 具有非常高的矯頑力,用來做磁記錄材料可以大大提高信噪比, 改善圖像質量, 而且可以達到信息記錄的高密度。為了達到最好的記錄效果, 納米Fe3O4 顆粒必須有較高的矯頑力和剩余磁化強度, 尺寸較小、耐腐蝕、耐摩擦以及適應溫度的改變。
小結：
隨著科學的進步, 人們對新型材料的需求更加迫切, 這使得用于納米科技和生物技術等方面的單分散磁性納米顆粒的制備研究工作得到了迅猛發展。由于制備技術的不斷改進, 研究者對磁性納米四氧化三鐵（VK-EF01,VK-EF02）顆粒尺寸、均勻分布程度、形狀、晶體結構、表面結構以及顆粒磁性能等要素都有了進一步的控制。
展開 桑建華總師：隱身技術推動新一代飛行器發展
看一下F-22飛機的發動機尾部 (圖6) 就可知其難度:巨大的二元可調噴口、耐高溫的吸波材料 (高于1000℃) 、為降低紅外輻射而精密制造的數以萬計的形成冷卻氣膜的微孔清晰可見。為了實現隱身要求, 重量工程師們也不得不對此做出讓步。
雷達隱身要求對飛行器制造帶來的影響
同樣, 在隱身飛行器的制造和工藝方面, 表現為制造成本大幅度提高, 新的制造設備、工具、初期大量零件的返工和報廢、大量的過去從來沒有過的形狀怪異試驗件等。
隱身飛機對表面質量的要求使傳統飛機制造廠的大部分設備和傳統工藝流程都需要更新升級, 施工人員也需要重新培訓, 以滿足飛機表面對鉚釘、縫隙、臺階、表面光潔度的制造要求 (見圖7、圖8) 。
圖6 F-22飛機發動機的二元可調噴口、耐高溫的吸波材料、降低紅外輻射的冷卻氣膜孔
圖7 F-22飛機上每一條縫隙均平行于特定角度
圖8 F-35飛機光潔如鏡的復合材料平尾
當美國最后一架F-22“猛禽”戰斗機下線時, 其項目團隊辦公室的一位資深管理人員非常感慨地說到:“從編號4001的第一架試驗機出廠起, 這一機型的生產工藝產生了巨大的變化!與剛剛走下生產線的這架最新機型相比, 他們制造的第一架飛機就像一架特制的飛機或是唯一的樣機!”
雷達隱身對飛行器隱身性能測試系統的要求
隱身飛機從設計之初, 就必須經常性地對其目標特征進行評估, 這些評估在經過必要的理論分析之后還必須以實物測試來加以決斷。測試的目標小到一個傳感器、一條縫隙, 大到一個結構部件乃至整機 (圖9) , 這些測試會貫穿隱身飛機的整個研制歷程, 并持續到飛機交付后的外場保障。
展開 同濟大學路慶華、陸學民團隊提出聚合物薄膜中螺旋結構可控構筑及手性光學材料制備新方法
因此，研究具有可控螺旋結構的手性材料不僅對理解生命過程具有重要意義，而且對制備新型功能材料具有重要的價值。目前，已有在溶液環境中進行手性超分子組裝的報道，但是在固體狀態下鮮有報道，主要是由于固態狀態下物質分子的運動受限，且多數情況下固態中的分子已處于能量最低狀態。在固態狀態中，特別是薄膜形式，手性分子的組裝或螺旋結構的形成更加具有實用價值，比如負介電薄膜、吸波材料、隱形材料以及手性光學材料等。
基于以上背景，同濟大學化學科學與工程學院路慶華教授、陸學民研究員團隊，利用嵌段共聚物熱退火過程發生微相分離的特征，提出“手性小分子誘導聚物手性組裝策略”，不僅實現了分子尺度的手性轉移，而且在納米尺度上形成手性螺旋結構，通過精細調控嵌段共聚物的分子量以及小分子誘導劑結構可實現了嵌段共聚物薄膜中螺旋尺寸、旋轉方向、螺距尺寸和螺旋股數（單股、雙股和多股）的精準調控。這種手性薄膜不僅表現出清晰的手性光學特性，而且還具有誘導非手性發光分子進行手性發光的能力，這為手性功能薄膜的制備和手性材料的應用奠定了基礎。
這一成果近期發表在《Angew Chem Int Ed》上，同濟大學路慶華教授和陸學民研究員為論文的共同通訊作者，陸學民研究員為論文的第一作者。該研究工作得到國家自然科學基金、上海市基礎重點項目的資助。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201809676
來源：同濟大學新聞網
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