手性吸波剂
日期：2018-11-26 09:26
吸波机理
手性是指一个物体与其镜像不存在几何关系对称性,且不能通过任何操作使物体与其镜像完全重合。手性材料是一种双(对偶)各向同性(异性)的功能材料,其电场与磁场相互耦合。手性吸波材料分为本征性手性材料和结构性手性材料。本征性手性材料通过本身的几何形状(如螺旋状线等)使其成为手性体,而结构性手性材料是通过其各向异性的不同部分与其他部分形成一定的角度关系而产生手性行为使其成为手性材料。理论研究认为手性材料参数可调,对频率敏感性小,可达到宽频吸收与小反射要求。
手性吸波材料是近年来开发的新型吸波材料。自1987年首次提出“手性材料具有用于宽频吸波材料的可能性”以来,手性吸波材料在国外受到广泛重视手性吸波材料的主要特征是电磁场的交叉极化。电磁波通过手性吸波材料时,会出现旋光性和圆的二向色性。理论研究认为,手性吸波材料与普通材料相比,有两个优势:一是调整手性参数比调节介电常数和磁导率容易,易于实现阻抗匹配,满足无反射的要求,大多数材料的介电常数和磁导率很难在较宽的频带上满足反射要求;二是手性吸波材料的频率敏感性比介电常数和磁导率小,容易实现宽频吸波。具有手性特性的材料,能够减少入射电磁波的反射并能吸收电磁波。国外将手性吸波材料附于金属表面的实验结果表明:它与一般吸波材料相比,的确具有吸波频率高、吸收频带宽的优点,在提高吸波性能、扩展吸波带宽方面具有很大潜能,特别是在微观机理研究方面取得较大进展,并通过实验证实了旋波特性。
雷达吸波型手性吸波材料研究的重点是在基体材料中掺杂手性结构物质形成的手性复合材料。手性吸波涂层是在基体树脂中掺和一种或多种具有不同特性参数的手性媒质,即在普通介质中掺入随机取向分布的手性微体如小螺旋。目前,国内外均采用金属导体、陶瓷和聚苯胺作手性微体,用单组分或复合组分树脂作基体来制作复合手性吸波材料。由于只有与入射波长尺寸相近的手性吸波材料才能与入射波相作用，因此基体中掺杂的手性物质应具有与微波波长同量级的特性尺寸,但从实际应用考虑特征尺寸的范围为01-5m更合适，这样便于掺杂物嵌入基体中。在手性雷达吸波材料领域,国外还在不断研究新的手性雷达吸波材料,如具有螺旋结构、旋光性结构并利用其旋光色散特性吸收电磁波能量的手性聚合材料。
用于微波波段的手性吸波材料都是人造的。例如,应用于吸波的本征手性材料有螺旋形碳纤维等。国外实验室内已能制出面积为0.1μm2、厚μ5m的手性薄膜样品,薄膜厚度均匀,目前正在尝试制造面积更大的薄膜。结构手性吸波材料可由多层纤维增强材料构成,其中纤维可以是碳纤维、玻璃纤维、 Kevlar纤维等,可将每层的纤维方向看作该层的轴线,将各层纤维材料以角度渐变的方式层合时,构成结构手性吸波材料,因此这一技术较适用于纺织复合材料。日本已经制作出直径在数微米的螺旋状碳纤维,他们将这种材料混入聚甲基丙烯酸甲酯聚合物基体中,测量其对于W波段电磁波的吸收性能,发现在一定添加比例(1%~2%)时材料对电磁波有着强烈的吸收性能,随着螺旋长度和在聚合物基体中含量的变化其吸波频宽和在不同波段上的吸收能力都产生变化。据认为这种材料对电磁波的吸收很大程度上是由于入射电磁波可能在螺旋状的碳纤维内激发起感生电流,从而大大增强了其对于电磁波的吸收和消耗能力,入射电磁波在通过这些手性吸波材料时发生偏振,变成平面的或圆偏振波,其中的左旋波和右旋波经反射和散射后大大减弱。这种材料非常有希望应用于化学纤维的复合纺丝,制取吸波纺织品。但是目前这种材料的生产成本非常高昂,难以得到大规模的推广用。
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