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电磁屏蔽用吸收反射一体化复合材料的研究

徐铭  
【摘要】:电磁技术是一把双刃剑,电磁技术的利用给人们带来便捷的同时,大功率、高集成化电气设施的广泛运用却引起了诸如电磁干扰、电磁泄密和电磁污染等一系列安全及环境问题。随着电磁波辐射强度的增加以及电气设备的多样性,传统的屏蔽材料及屏蔽方式已经不能满足复杂电磁环境下的屏蔽要求,因此研究并制备出屏蔽效能高、工作频率宽及轻质的“绿色”电磁屏蔽材料成了目前屏蔽材料研究的热点。 本文提出将电磁反射层与电磁吸收层相结合,制备轻质高效的吸收、反射一体化电磁屏蔽新型材料,是由于传统的反射式屏蔽材料目前虽然能够达到较高的屏蔽效能,然而这类材料是利用良导电性对电磁波进行反射作用,将能量约束在特定区域内,并未将能量有效转化。这样在减弱一个区域场强的同时势必会增加其他区域的场强,严重时甚至引起谐振,影响运用。而吸收反射一体化电磁屏蔽材料不仅具有屏蔽效能高的特点,还对电磁波具有吸收和拓展频带作用,可以用来克服反射式屏蔽的不足。 本文借助了纤维增强树脂的工艺方法,完成了集屏蔽功能性、承载结构性双重功能于一体的功能结构一体化材料的制备,运用四探针电阻仪、扫描电镜、矢量网络分析仪并采用宽频同轴法、微波暗室法及相关力学性能测试手段对样品的电磁性能和力学性进行了测试和分析。文章通过理论模型的模拟和实测的方法,详细研究了材料导电性与屏蔽性的关系,阐述了吸波剂特性、掺量及材料尺寸对微波吸收性能的促进机理,并在此基础上匹配吸收反射一体化电磁屏蔽材料的最佳参数,以提高其对微波的吸收能力和频率覆盖有效性。 研究表明,电磁反射层中镀铝玻璃纤维的掺入量和纤维长度对材料导电性能有最直接的影响。导电纤维的掺入量大于15%就已超过渗滤阈值使得材料形成导体,掺入量继续升高为40%到60%能使材料保持较为稳定的屏蔽性能,而在此基础上继续掺入镀铝玻璃纤维则会降低材料的屏蔽性能;同样地,研究发现因平均接触点数和工艺因素的共同作用,能使材料获得最佳屏蔽效能的纤维长度范围为4cm~10cm。此外,文章还研究了热固性树脂制备工艺中对屏蔽性能可能产生影响的相关问题,通过实验确定了热压产生的层状结构有利于屏蔽效能的提高和估算了导电纤维网络结构产生的感抗损耗大小,并指出添加非导电玻璃纤维配合成型工艺以及引入炭黑的隧道导电效应不可行。 二次杂波抑制方面,在屏蔽材料中引入抑制杂波的电磁吸收层是本文特色之一。文章通过将W型铁氧体吸收剂与其它吸收剂复合或叠加的方式,研究了材料特性对抑制杂波的影响。实验发现,多相复合材料的吸波性能优于单相材料的吸波性能,并且当铁氧体中掺杂25wt%介电特性的合金粉时有利于减小吸波材料的匹配厚度和提高吸收效能。文章同时研究了多层吸波材料的电磁吸收性能,发现吸波剂和铺层顺序的选择对多层吸波材料的吸波能力影响重大,实验得出将不同种类吸收剂按介电常数由外至内递增的顺序进行叠加,可使材料总匹配厚度减小、吸收率增加和频带展宽。 文章详细论述了吸收-反射一体化屏蔽材料的总屏蔽效能与理想状态下杂波抑制效能的关系,理论值和实测值都表明杂波抑制层的引入对总屏蔽效能增益不大,却可以使得材料有效地抑制二次干扰波并拓宽工作频段。文章计算了垂直干扰状态下材料杂波抑制能力,得出在5GHz~18GHz范围内,一体化材料能消除60%以上的干扰波,并且随着频率升高,抑制率更高。 最后,文章研究了材料各项基本力学性能。实验通过对材料抗弯和抗拉伸强度的测定,结合镀铝玻璃纤维单丝强度的成因,详细分析了屏蔽材料在受力变形时应力再分配的过程和破坏机理,并指出相对其抗拉伸能力而言,材料更适合用于抗弯曲的场合。


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