近些年,隨著電子信息技術的飛速發(fā)展,電磁輻射問題日益嚴峻,已成為繼大氣污染、水污染和噪聲污染之外的新型環(huán)境污染,對電子設備、人類健康和國防軍事設施等方面構成了極大威脅。電磁波吸收材料,通過將電磁能量轉化為熱能以及其它形式的能量消耗掉或者利用電磁波干涉而相互抵消的一種材料,能夠在很大程度上防護電磁污染以及軍事設施探測等問題�；趪篮碗姶欧雷o的巨大需求,開發(fā)具有“性能強、頻帶寬、厚度薄、質量輕”的高性能吸波材料成為各國的研究熱點和迫在眉睫的問題。然而,現(xiàn)有的、單一的材料難以滿足應用環(huán)境的苛刻要求。人們主要通過不同損耗機制的傳統(tǒng)吸波材料組合及探索新材料和新結構的方式,發(fā)掘綜合性能更為優(yōu)秀的新型吸波材料。本文將新型軟功能材料—離子液體應用于吸波材料領域,構建超寬帶吸波器,并揭示其吸波機理。主要的工作概括如下幾個方面:第一,研究了咪唑類離子液體介電特性及與影響因素之間的關系。搭建開口同軸測試系統(tǒng),在1-14 GHz頻段范圍內研究了[BMIm]~+和[EMIm]~+咪唑類離子液體介電特性及與陰陽離子、鏈長、溫度和不同離子液體構成的二元混合體系之間的關系,并進行理論分析。研究發(fā)現(xiàn),咪唑類離子液體介電特性具有相對較小實部和較大的介電損耗角,具有較好的電磁阻抗匹配和較高介電損耗,為其應用吸波領域提供理論依據。隨著陽離子鏈長和陰離子對稱性增加,離子液體介電特性實部和虛部均會減小。環(huán)境溫度的增加會導致介電特性的增大。不同離子液體構成的二元混合體系可以調制介電特性。第二,研究咪唑類離子液體吸波性能及與影響因素之間的關系�；诮殡姅�(shù)據和單層勻質金屬背板模型,研究離子液體吸波性能與陰陽離子種類、溫度和涂層厚度之間的關系,并通過阻抗匹配理論和介質損耗機制揭示其吸波機理。研究結果表明,離子液體具有較好吸波特性,如[BMIm][OTf]在7.7 GHz峰值頻率處的最小反射損耗可達-33.1 dB。當涂層厚度為4 mm時離子液體吸波頻段主要集中在6-12 GHz,隨著陽離子鏈長減小、溫度升高和涂層厚度增加,其吸收峰值頻率向低頻區(qū)移動。深入分析損耗機理發(fā)現(xiàn),在低頻區(qū)域電導損耗占主導作用,隨著頻率的不斷增加極化損耗逐漸成為主導。第三,構建并研究一種基于離子液體的極化不敏感、寬入射角、超寬帶吸波器。提出通過引入頂層匹配介質構成多層吸波結構拓展吸波帶寬的方法。建立理論分析模型,研究離子液體種類、幾何參數(shù)、極化模式和入射角等參數(shù)對吸波器吸波性能的影響規(guī)律。利用自由空間法實驗測得吸波器吸收頻率范圍為9.26-50GHz,相對吸收帶寬達136.4%,且具有極化不敏感、大入射角和溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點。通過對吸收峰頻率處的電磁參數(shù)分布、阻抗匹配和單元介電損耗進行分析,研究該類型吸波器吸波機理。第四,構建并研究基于離子液體的重力可調型超寬帶吸波器。提出利用重力改變吸波器中離子液體形狀調制吸波性能的方法。通過實驗和理論分析旋轉角度、極化模式和環(huán)境溫度對吸波器吸波性能的調控規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),通過旋轉角可實現(xiàn)對吸波器性能大幅度調控。該吸波器對TE和TM模式電磁波吸收效果不同,同時在兩種模式下均具有較好調制作用和溫度穩(wěn)定性。阻抗匹配和峰值頻率處電磁參數(shù)分析發(fā)現(xiàn),不同旋轉角度的吸波器具有不同的阻抗匹配特性和電磁諧振規(guī)律,進而實現(xiàn)對吸波性能的調控。綜合上述研究結果可知,充分利用離子液體具有電導和介電極化復合損耗機制,可將其應用于吸波領域,并在X波段和C波段表現(xiàn)出優(yōu)秀的吸波性能。同時,離子液體吸波材料性能可依據陰陽離子、鏈長、溫度、厚度和二元混合體系等手段進行靈活設計和調控。通過設計單元結構,可以構建基于離子液體的超寬帶吸波材料與器件,為吸波材料設計和實現(xiàn)提供了新的思路與方法。
【學位單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TB34;O441
【部分圖文】：

納米金屬及其氧化物顆粒，特別是具有高磁導率和磁損耗能的鐵、鈷、鎳等過渡金屬材料，是吸波材料重要的研究方向之一。Sun Genban 等人利用具有樹突結構的α-Fe2O3成功制備出具有相同結構和相似外貌的的 Fe、Fe3O4和γ-Fe2O3納米顆粒。電磁性能測試表明三種納米材料均屬于鐵磁材料，其中 Fe 為介電損耗材料，γ-Fe2O3和 Fe3O4為介電損耗型和磁損耗型。研究發(fā)現(xiàn)，三種材料均具有較好的吸波性能，其吸收頻率范圍主要集中在 2-9 GHz[13]。Liu Tong 等采用脫合金元素腐蝕法，借助強堿氫氧化鈉溶液對 B2 型結構的 Ni-Al 合金處理，并對獲得金屬鎳顆粒進行氧化處理，制備出外貌為多孔微球 Ni/NiO 納米顆粒。高頻電磁波吸收特性測試發(fā)現(xiàn)該材料具備較好吸波性能，當材料厚度為 1.5 mm 時，峰值頻率 14.4 GHz 處的最大反射損耗可達-49.1 dB，吸收率超過 90%的吸波頻率范圍為 12.2-18.0 GHz。該 Ni/NiO 納米粒子吸波性能主要源于金屬鎳納米顆粒高磁損耗能力、球狀多孔結構微結構的極化作用，如圖 1.1 所示[14]。

利用金屬有機化學氣相沉積法大規(guī)模制造了直徑為 10-50 nm 的 FeCo-C 納米顆粒（NP）。通過溫度控制 Fe / Co 摩爾比和 C 殼的石墨化程度，進而實現(xiàn)對其組成的納米材料電磁參數(shù)的調節(jié)。將質量分數(shù)為 20％的納米顆粒作為吸波劑和 80%的石蠟基體材料復合成吸波材料，對其吸波性能測試發(fā)現(xiàn)，當厚度為 3.3mm 時頻率 7.5 GHz 處的反射損耗可達 60.4 dB，當厚度為 2.5 mm 時，有效的吸收帶寬可達 9.2 GHz (8.8–18.0 GHz)[15]。碳納米管(Carbon Nanotubes, CNTs)，也稱巴基管，是一種具有特殊結構的一維量子材料。CNTs 具有密度小、穩(wěn)定性高、導電性好以及優(yōu)異的力學和電學等性質[16-18]，被作為一種輕質類吸波材料被廣泛關注，也可將其與其它材料復合使用。CNTs 及復合材料被期望成為質量輕、吸波強、頻帶寬和性能穩(wěn)定的吸波與承載一體化新型吸波材料，當前屬于吸波領域研究熱點。Qingmei Su 等人采用化學氣相沉積方法制備鐵/鎳硫化物納米顆粒，并將其填充于 CNTs 制成復合吸波劑[19]。系統(tǒng)測試該復合材料電磁特性和吸波性能，發(fā)現(xiàn)當涂層厚度為 2 mm 時，峰值頻率 14.8 GHz 處的最大反射損耗為 29.58 dB，吸收帶寬可達 5.58 GHz，其損耗機制主要來自雙組分硫化物納米結構產生的磁損耗。

2. 纖維及其復合物類吸波材料纖維類材料相比于粉體材料具備很多優(yōu)勢，如韌性強、可構建復雜形狀和吸波與承載一體化，因此在吸波領域受到廣泛的研究，其主要包括以碳纖維和碳化硅陶瓷纖維為代表的碳纖維類、過渡金屬為主的磁性多晶鐵纖維、納米纖維材料以及混雜纖維等。此外，也可將纖維類材料用作載體，與其他吸波材料聯(lián)合制備纖維基復合吸波材料，來進一步提升吸波性能。Chengwen Qiang 等人將納米顆粒 Fe3O4涂覆在碳纖維表面，制備出 Fe3O4/碳纖維復合型吸波材料。當 Fe3O4涂層為 1 微米和吸波材料厚度為 4.41 mm 時，吸收峰值頻率 6.37 GHz 的反射損耗可達-35 dB。同時，吸波材料厚度從 2.90 mm 變化至 5.12 mm，吸收率超過 90%的頻段范圍為 3.52-10.01 GHz，超過99%的頻率范圍為5.49-7.75 GHz[21]。Yun Wei等人利用靜電紡絲和熱氮化工藝的組合制備氮化鈦/碳（TiN/C）納米纖維，并首次根據極化損耗和阻抗匹配特性研究了它們的微波吸收性能。當纖維材料含量15% 時，厚度小于 2.5 mm 的該吸波材料在 8-15 GHz 頻率范圍內吸收率超過99%[22]，如圖 1.3 所示。
【參考文獻】

相關期刊論文 前4條

1 寧匯;侯民強;楊德重;康欣晨;韓布興;;二元混合離子液體的電導率與離子間的締合作用[J];物理化學學報;2013年10期

2 楊富龍;李建新;張慶華;張世國;李作鵬;胡曉東;葉報喜;鄧友全;張曉萍;;新型軟光電傳輸媒介[J];中國激光;2009年04期

3 趙靈智;胡社軍;李偉善;何琴玉;陳俊芳;汝強;;吸波材料的吸波原理及其研究進展[J];現(xiàn)代防御技術;2007年01期

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本文編號：2858957