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多晶铁纤维微波吸收剂的分级改性及其应用初探
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多晶铁纤维微波吸收剂的分级改性及其应用初探
赵振声，聂 彦，张秀成
（华中科技大学 电子科学与技术系，湖北 武汉 430074）
Grading Modification and Application of Polycrystalline Iron Fiber Absorbent
ZHAO Zhen-sheng, NIE Yan, ZHANG Xiu-cheng
Department of Electronic Science and Technology, HuazhongUniversity
of Science and Technology, Wuhan 430074, China
This paper describes a modification technique for grading the polycrystalline iron fiber (PIF) and presents the experiment results. Grading process is carried out on the grading machine designed by ourselves. The electromagnetic characteristics of the PIF prepared by the special process have been analyzed. Moreover, the preliminary investigations have been made of this kind of PIF absorbing coating and its absorbing mechanism is also analyzed qualitatively.
Abstract:
Key words: polycrystalline iron fiber; electromagnetic wave absorbent; gradation
1 引言
多晶铁纤维是一种新型电磁波吸收剂，用它制备的电磁波吸波涂层具有质量轻、频带宽等特点[1]。多晶铁纤维的制备方法比较多，常用的方法有拉拔法、切削法[2]、羰基热分解法[3]和化学法[4]等，利用这些方法已成功地制备出不同直径、不同长度的多晶铁纤维。多晶铁纤维的特殊性在于，对于每一根多晶铁纤维来说，从磁学性质来看，它不再是各向同性，而是各向异性的。其长轴方向是易磁化方向，短轴方向是难磁化方向，在通常情况下，磁矩排列在长轴方向上。随着纤维的长度L、直径D以及长度L与直径D之比L/D（称之为长径比）的变化，这种各向异性的性质有着明显的变化[5]。这些特性为多晶铁纤维吸收剂电磁频谱特性的调配，磁特性的应用奠定了基础。据报导[1]，纤维的长度不同，其吸收电磁波的频段和吸收强度均不同。用多晶铁纤维吸收剂制备的吸波涂层是分层结构，每层纤维的长轴方向取向不同，且各层纤维的长度也不一定相同。因此，无论是从多晶铁纤维吸收剂电磁性能调配，还是从吸波涂层制备要求来看，都需要对已制备成形的多晶铁纤维进行分级改性。
2 实验方法与结果
2.1 多晶铁纤维的分级改性
采用SJD1-35型多功能切片机将采用文献[3]报道的技术制备的长多晶铁纤维进行初步切割短化。这种机器短化的可控程度较低，经其短化的多晶铁纤维长度分布范围仍较宽，不能满足前述实用要求。对于这些经初步短化过的多晶铁纤维在自行设计改造的分级机上进行分级。目前已对多晶铁纤维分为四级，采用OLYMPUS体式光学显微镜拍摄了分级后的多晶铁纤维，显微照片示于图1。这种分级还可根据最终使用需要，调整分级机的机构，将多晶铁纤维分成新的等级，满足新的应用需求。
分级后，再对其进行表面改性处理，表面改性处理采用磷化技术，以提高多晶铁纤维的表面电阻率[6]。表1给出了图1中样品(c)在X波段的电磁参数。样品(c)是采用图1中30vol%的(c)类纤维与70vol％石蜡均匀混合后制成的各向同性样品。
2.2 多晶铁纤维吸波涂层研究
如前所述，多晶铁纤维吸收剂具有许多优异的电磁特性。但是，在使用过程中，如何将它的优异电磁特性应用好，充分发挥出它的优异之处，我们认为这还是一个需花费时间与力量去专门研究的问题。
从应用的角度来看，多晶铁纤维吸收剂可以各向同性使用，也可以各向异性分层使用。由于各向同性使用工艺简单，在应用中特性也便于调配，研究结果也便于推广应用，所以我们目前对多晶铁纤维吸收剂作了各向同性吸波涂层试探性研究。
具体的工艺过程如下，取4vol％的多晶铁纤维吸收剂，96vol％的粘结剂，粘结剂用丙酮进行稀释，将吸收剂分批倒入稀释好的粘结剂中，边倒边进行充分分散。将分散好的浆料用喷枪喷涂在180×180mm的铝板上，形成厚度为3.6mm的各向同性试验板，其反射率与频率的关系为图2中的曲线a。为了进行比较，取4vol％的改性羰基铁粉，96vol％的粘结剂，依照前述工艺，制备出同尺寸的试验板，测出反射率与频率的关系，其结果为图2中曲线b。
3 多晶铁纤维吸波材料吸波机理初步探讨
实验中使用多晶铁纤维吸收剂制作吸波材料时，吸收剂的体积分数很低（本实验为4vol％）。铁纤维吸收剂与粘结剂的均匀混合物喷涂在铝板上，纤维与纤维之间绝缘（纤维外层包覆了绝缘性的粘结剂），搭接形成随机网栅分布。
频率选择表面简称FSS，是由大量无源或有源单元按某种特定分布方式周期排列而成的分层准平面结构[7]。微波、光波可以被频率选择表面反射，也可透过频率选择表面，剩余部分在频率选择表面中传输、损耗或散射到空间。这些透射、反射和损耗的微波、光波比例，与频率选择表面的周期结构和其构成材料有关。对于FSS的研究，已有多种方法。饶克谨、高正平等[8, 9]采用电路模拟方法进行了研究。他们讨论了单层或多层雷达波吸波材料内部含有周期性金属栅或金属贴片构成的电路屏。研究结果显示，这种周期性金属栅在适当设计后可以明显地甚至大幅度地降低吸波材料表面的反射率，提高其吸收率。采用这种周期性金属栅制备的吸波材料厚度较厚，但质量不一定大。根据饶克谨等人的研究，这种金属栅制备的吸波材料存在电路屏的反射与金属背衬反射同入射波相干使表面输入阻抗极大值变大，从而减小反射系数。
本研究中，多晶铁纤维制成的吸波材料中构成了随机分布的网栅，其吸波机理与电路屏吸波材料的吸波机理相似。多晶铁纤维具有较强的铁磁性，对提高该吸波材料的吸波能力有利。实验显示，用多晶铁纤维吸收剂制备的吸波材料吸波能力较强，厚度较厚，质量较轻，这些与电路屏吸波材料也相似。
4 实验结果分析
实验中采用文献[3]报道的技术制备多晶铁纤维，其直径分布范围为3~10μm。由图1a、b、c、d可以看到，总体上，它们的长度大约分别为2mm、1.5mm、0.5mm、0.1mm，直径也依次变细。L/D有较大变化范围，经估计，图1a~d的L/D分别在200、150、100、30左右。
对比图2中曲线a和曲线b可以清楚地看出，对相同体积分数的多晶铁纤维吸收剂和改性羰基铁粉吸收剂，采用相同的工艺，具有相同的涂层厚度时，多晶铁纤维吸收剂制备的涂层吸波的特性大大优于改性羰基铁粉吸波涂层的吸收特性。特别是在S波段，多晶铁纤维吸波涂层具有较优异的吸波特性。在频率为3.4GHz时，反射率达－23dB，这是粉状吸收剂制备的吸波涂层难以实现的。
由图1、表1及图2可以看到，文中报导的多晶铁纤维，从纤维的形貌尺寸或电磁频谱特性或用其制备的吸波涂层的吸波特性来看，多晶铁纤维吸收剂是一种优质电磁波吸收剂。可以预计，经过其应用技术的深入研究，无论是它单独使用或与其他吸收剂复合使用，是各向同性使用还是各向异性分层使用，都有可能成为优质的电磁波吸波涂层，能较好地满足轻质宽带电磁波吸波涂层设计、使用要求。
参考文献
[1] Hoyle C D,et al. Microwave Absorber Employing Acicular Magnetic Metallic Filaments[P]. US Patent 5085931,1992.
[2] 刘古田. 金属纤维综述[J]. 稀有金属材料与工程,1994, 23(1)：7-15.
[3] 聂彦，赵振声，何华辉. 磁场引导羰基热分解法制备多晶铁纤维[J]. 华中科技大学学报, 2001, 29(7): 75-77.
[4]赵振声，吴明忠，何华辉.磁场引导水溶还原法制备磁性金属纤维[J].华中理工大学学报, 1998，26（7）：74-76.
[5] 吴明忠，赵振声，何华辉.长径比对多晶铁纤维吸收剂微波电磁参数的影响[J].磁性材料及器件, 1997，28(4)：22-25.
[6] 余洪斌，赵振声，聂彦,等.一种多晶铁纤维的表面改性方法[J].表面技术, 2002，30（1）：45-47.
[7] 史为民，方大纲，陶玉明.毫米波/红外频率选择表面研究[J].电波科学学报, 1995，10（1, 2）：183-187.
[8] 饶克谨，赵伯琳，高正平.电路模拟吸收材料-原理、特性及设计方法[J].电子科技大学学报, 1995，24（2）：164-170.
[9] 高正平，董恩昌，华宝家,等.电路模拟多层雷达吸波材料的设计[J]. 宇航材料工艺, 1996, 3: 20-23.
摘 要：报导了一种多晶铁纤维的分级改性结果，这种多晶铁纤维的分级是在自行设计改造的分级机上进行的。分析了这种多晶铁纤维吸收剂的电磁特性，并对利用这种多晶铁纤维吸收剂的吸波涂层材料作了初步研究，同时对多晶铁纤维吸波材料吸波机理进行了定性分析。
关键词：多晶铁纤维；电磁波吸收剂；分级
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