论文摘要：FSS、SrFe12O19涂层及其复合材料电磁响应特性的实验研究

吸波材料是指能够衰减吸收入射电磁波的一类功能材料。衰减吸收电磁波的机理，或者是将电磁能转换成热能耗散掉，或者是使电磁波因干涉而“消失”。无论在军事领域还是在民用领域，吸波材料都有巨大的应用空间和发展前景。FSS (frequecy selective surfaces, 简称FSS)、SrFe12O19涂层及其复合材料，是目前备受关注的三种功能材料。但由于对它们的电磁响应特性与材料构成、制备工艺和环境因素的关系认识还不很清楚，使其设计、制备和应用还受到很大限制。本文以FSS、SrFe12O19涂层及其复合材料为研究对象，系统研究材料构成、制备工艺以及环境因素对其电磁响应特性的影响，目的是弄清这些因素对电磁响应特性的影响规律及机理，进而为这些材料的设计、制备和应用提供数据参考和实验依据。本文首先系统研究了导电层材质、加工工艺和环境因素(温度循环、湿热试验和盐雾试验)对FSS频选特性的影响，用Agilent公司的PNA8363B矢量网络分析仪在微波暗室内测试FSS的频选特性，并用双臂电桥法测量了FSS的表面电阻，用SEM观察了导电层的微观结构以弄清影响产生的原因。论文还系统研究SrFe12O19粉体颗粒形状、尺寸、用量以及吸波填料种类和含量对SrFe12O19涂层吸波性能的影响，用弓形法测试涂层的吸波性能，用传输/反射法测试了涂层的电磁参数，用SEM观察了颗粒在涂层中的分布以弄清影响产生的机理。在此基础上，设计制备了FSS/SrFe12O19复合材料，并研究了FSS的位置及其阵子单元的几何特征参数(阵子图案、阵子尺寸和阵子排列方式)等因素对其吸波性能的影响。研究结果表明，导电层材质、加工工艺和环境因素对FSS的频率选择特性均有明显的影响。银导电胶FSS、镀铜FSS与覆铜FSS都有良好的频率选择特性，但其中心频率和传输系数都有随导电层表面电阻增加而降低的趋势。刻铣加工与腐蚀加工的FSS具有非常接近的频率选择特性，但前者的中心频率相对偏高0.3-0.4GHz，传输系数偏低0.2-0.4dB，这些差异主要是由于刻铣工艺加工的阵子缝隙存在毛刺、不光滑所致。在本文的实验条件下温度循环、湿热试验和盐雾试验都使FSS的传输系数有所降低、频带宽度有所增加，这主要与环境因素导致的涂层微裂纹、微空洞等微观缺陷增加，进而使FSS的表面电阻增加有关。SrFe12O19粉体颗粒的形状、尺寸、用量以及吸波填料种类和含量对SrFe12O19涂层的吸波性能均有明显的影响。片状颗粒SrFe12O19涂层在10.8GHz以下频率范围的吸波性能优于球形颗粒涂层的，在10.8GHz以上频率范围的吸波性能不如球形颗粒涂层的，这主要是随频率的增加，片状颗粒涂层的复磁导率实部从大于1降低为小于1所致。纳米颗粒涂层在较大频率范围内(9.3-12GHz)的吸波性能明显优于微米颗粒涂层的，这主要与纳米颗粒尺寸小、比表面积大、活性高，有利于提高涂层的电磁参数，进而增加涂层的损耗有关。随着SrFe12O19粉体颗粒用量的增加，涂层的最大反射损耗单调增加，反射损耗峰的位置向低频移动，这主要是随粉体颗粒用量的增加，涂层在低频端的复介电常数虚部和复磁导率虚部明显增大，使涂层在低频端的电损耗和磁损耗都明显增加有关。在SrFe12O19粉体颗粒中分别加入一定比例的SiC粉、导电碳黑、MnZn铁氧体粉和镍粉等吸波填料可以获得不同吸波性能的SrFe12O19涂层。吸波填料种类和含量对涂层的吸波性能有明显的影响。随着粉体颗粒中，吸波填料比例的增加，SiC粉使涂层的反射损耗峰向高频移动，-10dB带宽增加；导电碳黑使涂层反射损耗峰向高频移动，涂层的最大反射损耗和-10dB带宽没有明显变化；MnZn铁氧体粉使涂层在低频端的反射损耗增加，改善其吸波性能，而涂层的-10dB带宽没有明显变化；镍粉使涂层的最大反射损耗增加，-10dB带宽变化不大。FSS的位置及其阵子单元的几何特征参数(阵子图案、阵子尺寸和阵子排列方式)对FSS/SrFe12O19复合材料的吸波性能具有明显的影响。FSS在复合材料损耗层时，复合材料的吸波性能最好。这是由于当FSS在复合材料的损耗层时，可以增加电磁波在复合材料内部的干涉、折射和散射，从而增加材料对电磁波的衰减和损耗。FSS阵子单元采用较密的排列方式时时，复合材料的吸波性能较好。不同阵子图案的FSS复合材料的吸波性能差异较大。矩形FSS复合材料在9.5-15GHz吸波性能好；六边环FSS复合材料在10-16.5GHz吸波性能好；圆环FSS复合材料和Y”环FSS复合材料在11.5-17.5GHz频率范围吸波性能较好。阵子尺寸对不同图案FSS复合材料吸波性能的影响不同。减小矩形FSS结构缝隙宽度和间距，复合材料的反射损耗峰位置向高频方向移动，最大反射损耗和-10dB带宽非单调变化。减小圆环FSS复合材料圆环半径和排列周期有利于拓展复合材料的-10dB带宽。减小六边形FSS复合材料阵子的排列周期，复合材料的反射损耗明显减小；适当减小六边形的边长，使复合材料的-10dB带宽增加。减小“Y”环FSS复合材料“Y”环的臂长和排列周期，有利于增加材料对电磁波的反射损耗和材料的-10dB带宽。

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