复合介电吸波材料的规律性研究.pdf

第17卷 第2期Vol117 No12湖南教育学院学报Journal of Hunan Educational Institute1999年4月20日Apr12011999复合介电吸波材料的规律性研究Ξ龚善初(湖南常德高等专科学校,常德, 415000) 龙希现(湖南长沙炮兵学院通信教研室,长沙, 410012)摘 要 本文根据复合材料与电磁波相互作用的理论,利用平均场的方法得到了长波长近似下复合材料的有效介电系数 〈Ε 〉,同时结合实测结果作了分析和讨论.关键词 复合;微波吸收;材料;介电系数随着高技术的不断发展,对材料性能要求愈来愈高.长期以来对吸波材料的研究,一般是 将一定种类材料按不同比例配制,通过实验测量来掌握其性能.这样不仅费时费钱,而且有很 大的盲目性,真正要让吸波材料的研究迅速发展,必须在其基础规律性研究方面下功夫.我们经过理论和实验研究,初步探索出了一定的规律性.我们采用的复合材料是将一种或多种微小 颗粒与基底材料均匀混合而成,任何一种颗粒的浓度是可以任意的.本文仅考虑两种组分的复 合材料,其一种为金属超细颗粒;另一种为电介质.同时认为样品在电场中时,颗粒内的电场具有空间均匀性,这项研究具有一定的价值和启发性.1 基本理论根据M axwell Garnett[1- 2]和M ie2Debye理论,在长波长近似下半径为a的金属球遇到电磁波时就在金属球中感应出电偶极子,M axwell Garnett把这个偶极子叫做Hertzian Clou2blet.若aν Κ,那么在很大的空间范围内电场是一定的,而且由于位置不同引起电场相位滞后 效果也可忽略,这就意味着能按平均电场方法进行处理.根据Jackson的理论结果有Ein= [3?(2+Εin? Εout) ]Eout(1) 式中Ein和Eout分别是球内、 外的电场强度,Εin和 Εout分别是金属球内、 外的介电系数.如果忽略样品中各粒子的相干效应,在长波长范围内,复合材料的各向同性和空间分布任 意性的假设意味着入射波电场取样品中各组分电场的平均值,即〈E〉=f1E1+f2E2=f1E1+ (1-f1)E2(2)式中 〈E〉 是复合材料的宏观有效电场,f1是金属小颗粒在样品中的体浓度比,f2是基底电介质 材料在样品中的体浓度比.综合(1)式和(2)式得:〈E〉= [3f1?(2+Ε1?〈Ε 〉)+ 3f2?(2+Ε2?〈Ε 〉) ]〈E〉(3)Ξ湖南省教委青年骨干教师基金资助课题 收稿日期: 1998年12月23日.第一作者龚善初,讲师则 ∑ni= 13fi 2+Εi?〈Ε 〉= 1 式中∑ni= 1fi= 1(4)本文采用电介质为基底材料,金属超细颗粒(150～300∼)为溶质的复合材料,并设电介质 的体浓度比为f2,介电系数为 Ε2,金属超细颗粒的体浓度比为f1,介电系数为 Ε1,将(4)式化简 化为2f1 2+Ε1?〈Ε 〉+3f2 2+Ε2?〈Ε 〉= 1(5)2 实验测量我们采用中国科学院上海冶金研究所研制的超细铁粉和钻镍合金超细粉(150～300∼)按 不同浓度分散的电介质材料中,制备不同的样品若干.采用波导测量试验系统,在系统稳频,稳 幅和电路匹配的情况下,采用开路 “短路” 法测得相关的物理量[3- 4],经过计算机辅助设计,计 算出大量被测样品的 Ε’r和 Ε“r,同时对各种测试结果进行相应的比较[5- 6].3 结果分析我们对大量的样品进行测试,这里选取其中两种有代表性的情况进行分析. M T- 1和CB 样品的测试结果和理论曲线分别为如图1、2所示.对于第一种材料M T- 1,计算值和测试结 果吻合得相当好(如图1所示);但是对于另一类材料CB,计算值与测试结果相差很大,这是由于CB材料在三公分波段具有强吸收峰,或者是由于吸收剂分布在电介质基底中不均匀所致. 由此我认为对于波动理论所得到的等效介电系数的表达式的适用范围有一定的限制,它只能 适用于电磁性质无突变的材料.(a) (b)图1 材料M T- 1的相对介电系数与体积比f1之间的关系注:实线表示计算曲线,×表示测试结果4 结 束 语本文研究了金属超细粉分布在绝缘介质吸波材料复介电系数(Ε=Ε’r-jΕ“r)随吸收剂百分 体积的变化关系,这是考察吸收性能的依据,也是进行微波吸收材料计算机辅助设计的基础. 但是本文讨论只是单一吸收剂与绝缘基底材料复合的情况,对于多种吸收剂的复合有待于今64湖南教育学院学报 (第17卷)1999 后进一步研究.(a) (b)图2 材料CB的相对介电系数与体积比f1之间的关系曲线注:实线表示计算曲线,×表示测试结果参 考 文 献[1] M axwell Garnett J. C. Phil . T rans . , 1904, 203～385, 1906, 205～237[2] Bergman D J, Phys. Rev. (B), 1976, 14: 1531[3] 李文斌.波导测量中介质参量与试样厚度的关系.物理测试, 1997, (3): 28[4] 王相元.用准开路短路法同时测量微波频率下的复介电常数和导磁率.电子测量与仪器学报, 1990, 4(1): 43～49[5] 王相元等.涂料型微波吸收材料计算机辅助设计.南京大学学报(自然科学版), 1988, 24(4): 668～674[ 6] 王相元等.吸波材料电磁参量与吸收剂面分体积关系.南京大学学报(自然科学版),1992, 28(4): 551～556A STUDY OF THE REGULARITY OF COM POSITE—D IELECTRICMATERIALSGong S hanchu(Hunan Changde College of H igher L earning,Changde, 415000)L ong X ix ian(Department of Communications,A rtillery A cademy of Changsha,Changsha, 410112)Abstract In this paper, by applying the theory that composite materials and electro2magnetic waves interact on each other, and by using the mean field approach, the authorshave obtained the effective dielectric function of composite materials and the results are ana2lyzed and discussed.Keywords composite;m icrowave absorbing;materials; perm ittivity74 第2期 龚善初 龙希现:复合介电吸波材料的规律性研究。