三 聚合物吸波材料吸波原理

目前研制和应用的吸波材料主要有两类：一类是介电吸波材料，其制造方法是在高分子介质中添加电损耗性物质，如碳纤维、导电炭黑、碳化硅等，依靠电抗损耗入射能量；另一类是电磁性吸收材料，系通过添加铁氧体等磁性物质到基体中，依靠电磁损耗入射能量。

对于介电吸波材料来说，其介质损耗来自物质的极化效应，与材料电阻率有关。实验证明：

  1. 当材料的电导率σ＜10-4s/cm 时，材料吸波性能不显著，呈现一般有机高分子材料的特性。绝缘材料的透波性，可用电容器对交流电是通路一样获得解释；

  2. 当 10-3s/cm＜σ＜1s/cm 时，材料具有较好的吸波特性；

  3. 当σ＞1s/cm 时，对微波几乎全反射呈典型的金属特性。

电磁性吸波材料是利用磁性材料在高频电磁场作用下电磁损耗原理制成的一类材料。根据电磁场理论，一般用复介电常数ε和复数磁导率μ来描述吸波材料的电磁性能。

ε = ε＇ − iε〃 = ε＇(1 − itgδ e ) (2)

μ = μ＇ − iμ〃 = μ＇(1 − itgδ μ ) (3)

tgδ e

= ε〃

ε＇

(4)

tgδμ = μ〃

μ＇

(5)

为了得知这些参数对材料中电磁波传输的影响，首先应了解电磁波在吸波材料中的传输特性。吸波材料中的传波矢量是个复数矢量，可表示为

K=α+iβ（6） （6）

实部α为衰减常数，虚部β为相位常数。为了简化，假设传播方向与衰减方向相同，这时可去掉矢量符号，即

α + iβ = ω

(7)

将（2）（3）代入（7）式，并使（7）式两边相等，得

α = πf

2

1

[2(1+ tg 2δ 1

tg2 δ

) + tg2δ +

tg2 δ ]2 + tgδ tgδ − 1] 2

(8)

式中ε＇r=ε＇/ε0，μ＇r=μ＇/μ0 分别为材料的相对介电常数和相对磁导率。（8）式表明，如果仅仅着眼于对电磁波的吸收，应尽可能增加ε＇r，μ＇r，tgδe,tgδμ的值。但是，只有电磁波透入材料内部，材料内部的各种吸收机制才能发挥作用。而入射到材料表面上的能量能否透入材料内部，有多大比例的入射波能量可以透入材料中去，完全取决于材料与自由空间的界面上的输入阻抗。只有当材料与自由空间阻抗匹配或接近匹配时，入射电磁波能量才能透入材料或较多地透入材料中传播。研究证明，一种均匀材料充满半无限空间的情况下，材料与自由空间阻抗匹配的条件为：

ε＇ r

tgδ

= μ＇ r

= tgδ

(9)

 e μ

综合（8）和（9）式可得知，在保持复数介电常数和复数磁导率实部和虚部分别相等的条件下，并增加这些参数的值，就可以降低入射波的反射系数和提高材料的吸波性能。

综上所述，研制电磁波材料的主要任务，就电性而言是：（1）研制新型半导体介电材料和强磁性材料；（2）对现有电磁材料优化设计组合，降低入射波的反射系数，提高材料吸波性能并扩展其频宽。

1986 年报道了一种视黄基席夫碱式盐聚合物，这种聚合物分子结构

为多共轭烯烃结构并含有一群高氯酸抗衡离子。这些抗衡离子由 3 个氧

原子和 1 个氯原子组成，并在两处松散地高挂在碳原子骨架上。这种电连接非常弱，一个光子都有可能把抗衡离子从一个位置位移到邻近一个位置。这种位移，使它能很快（几分之几秒）将电磁能转换成热能散开。这就是它具有极好吸收电磁波能的原因。