基于超材料設(shè)計(jì)的鋇鐵氧體吸波涂層研究

高海濤，王建江，李 澤

(陸軍工程大學(xué) 先進(jìn)材料研究所，石家莊 050003)

鋇鐵氧體材料具有較大的矯頑力和單軸磁晶各向異性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還擁有高電阻率、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和低成本等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于微波吸收領(lǐng)域，能夠成為一種良好的吸波材料[1]。雖然鋇鐵氧體吸波材料的磁吸收特性比較強(qiáng)，但是其較高的密度、低介質(zhì)損耗以及較大的吸波厚度等缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了鋇鐵氧體的應(yīng)用[2]。為了使鋇鐵氧體吸波材料能夠更好地克服這些缺點(diǎn)，并滿足吸波材料‘薄、寬、輕、強(qiáng)’的要求，人們對(duì)鋇鐵氧體吸波材料進(jìn)行了大量的改進(jìn)研究。目前，提高鋇鐵氧體吸波性能的手段主要有摻雜、取代、包覆、復(fù)合等[3]。

離子摻雜與取代是比較常用的手段，通過離子摻雜與取代，可以對(duì)鋇鐵氧體的電磁參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，使其吸波性能優(yōu)化。Shen等[4]合成了La-Ni取代的鋇鐵氧體，在1.5mm的厚度下小于-10dB的帶寬有2.15GHz；Shayan等[5]利用Al3+對(duì)鋇鐵氧體進(jìn)行摻雜改性，發(fā)現(xiàn)摻入Al3+后，吸收強(qiáng)度和吸收帶寬都顯著增加；Qiu等[6]研究了Co/Zr摻雜的鋇鐵氧體，發(fā)現(xiàn)摻入Co2+和Zr4+后，鋇鐵氧體的磁損耗得到了增強(qiáng)。相比摻雜，包覆與復(fù)合是更為簡單和直接的手段，一般是通過將介電損耗較強(qiáng)的材料與鋇鐵氧體進(jìn)行復(fù)合，優(yōu)化阻抗匹配，來提高吸波性能。Zhang等[7]制備了納米銀包覆的鋇鐵氧體吸波材料，在包覆了一定量的納米銀顆粒后，鋇鐵氧體的匹配厚度大幅降低； Li等[8]制備了包覆鋇鐵氧體的空心微球，在3mm的厚度能達(dá)到-15.4dB的反射損耗；Wang等[9]將石墨粉末與純鋇鐵氧體進(jìn)行復(fù)合，提高了材料整體的介電性能，在較小的吸波體厚度實(shí)現(xiàn)了高反射損耗；Zhao等[10]合成了一種由碳納米管/膨脹石墨/鋇鐵氧體構(gòu)成的三明治型復(fù)合材料，在1mm的厚度小于-10dB的帶寬達(dá)到4.2GHz。

上述改進(jìn)手段在一定程度上調(diào)整了鋇鐵氧體的電磁參數(shù)，改善和優(yōu)化了吸收性能，但是難以進(jìn)一步提升鋇鐵氧體吸收極限。超材料[11]是一種人工設(shè)計(jì)的周期陣列結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，通過對(duì)超材料的有序結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)可以突破某些自然規(guī)律的限制，獲得超出自然界固有性質(zhì)的物理特性，將超材料的特性應(yīng)用到吸波領(lǐng)域?yàn)槿藗兏纳蒲b備隱身性能提供了新思路。鋇鐵氧體吸波材料的應(yīng)用一般是作為涂層涂覆在金屬表面，本工作將鋇鐵氧體涂層與超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種基于超材料的鋇鐵氧體吸波涂層，分析了超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)涂層吸波性能的影響，并對(duì)吸波機(jī)理進(jìn)行了研究和討論。結(jié)果表明，鋇鐵氧體涂層經(jīng)過超材料設(shè)計(jì)改進(jìn)后，進(jìn)一步拓展了吸波性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 鋇鐵氧體的制備

原料及藥品：Ba(NO3)2，F(xiàn)e(NO3)3·9H2O，檸檬酸，去離子水和氨水，均為分析純。

制備工藝流程：采用溶膠凝膠法制備M型鋇鐵氧體BaFe12O19，按離子比例(n(Ba)∶n(Fe)∶n(檸檬酸)=1∶12∶15.6)稱取一定量的Ba(NO3)2，F(xiàn)e(NO3)3·9H2O和檸檬酸，加入適量去離子水，攪拌30min使其溶解，使用氨水調(diào)節(jié)pH值為7，將溶液80℃恒溫加熱并不斷攪拌至形成穩(wěn)定的溶膠，將溶膠放入干燥箱中120℃烘干處理3h，得到蓬松的干凝膠，將干凝膠研磨成粉末，在馬弗爐中450℃預(yù)燒2h，再在1000℃下煅燒4h，隨爐自然冷卻后取出，將樣品研磨成細(xì)粉，經(jīng)300目篩過篩后獲得顆粒均勻的鋇鐵氧體粉末。

1.2 分析測(cè)試方法

采用XD-6型X射線衍射儀對(duì)制備的鋇鐵氧體進(jìn)行物相分析，Cu靶Kα1射線波長λ=0.154056nm，掃描速率為8(°)/min，掃描角度為10°～90°。采用Agilent-8721ET型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀搭建的電磁參數(shù)掃頻測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)試鋇鐵氧體在0.5～18GHz頻率范圍內(nèi)的電磁參數(shù)，測(cè)試過程如下：將鋇鐵氧體粉體與石蠟混合均勻，放入特定模具中壓制成圓環(huán)，圓環(huán)尺寸為厚度3mm，內(nèi)徑3.04mm，外徑7mm，測(cè)試樣品中鋇鐵氧體的體積分?jǐn)?shù)為30%，將樣品放入連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的同軸線中進(jìn)行測(cè)量。

1.3 鋇鐵氧體涂層的超材料設(shè)計(jì)

鋇鐵氧體涂層的超材料設(shè)計(jì)，主要是將鋇鐵氧體涂層與超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合起來。超材料一般由三層結(jié)構(gòu)組成，即表層圖案層、中間介質(zhì)層以及金屬背板。鋇鐵氧體吸波材料的應(yīng)用一般是作為涂層涂覆在金屬表面，為此，將鋇鐵氧體涂層作為超材料結(jié)構(gòu)的中間介質(zhì)層，涂覆金屬作為背板，然后，在鋇鐵氧體涂層之上印刷一層電阻膜圖案，便構(gòu)成了基于超材料結(jié)構(gòu)的鋇鐵氧體吸波涂層。基于超材料設(shè)計(jì)的鋇鐵氧體吸波涂層結(jié)構(gòu)如圖1所示，自上而下依次是方塊圖案電阻膜、鋇鐵氧體涂層和金屬背板。本工作使用CST Microwave Studio電磁仿真軟件中的頻域求解器對(duì)吸波涂層進(jìn)行數(shù)值仿真分析，設(shè)定x和y方向?yàn)槌牧辖Y(jié)構(gòu)單元的周期邊界，電場(chǎng)沿y軸方向，磁場(chǎng)沿x軸方向，電磁波沿z軸方向垂直入射。

圖1 基于超材料設(shè)計(jì)的鋇鐵氧體吸波涂層結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of the barium ferrite absorbing coating based on metamaterial design

基于超材料設(shè)計(jì)的吸波涂層結(jié)構(gòu)參數(shù)在圖中標(biāo)出，其中，超材料結(jié)構(gòu)單元周期長度d=5mm，方塊圖案電阻膜的邊長a=3.25mm，鋇鐵氧體涂層的厚度h1和電阻膜圖案的方塊電阻值Rs作為變量進(jìn)行討論。為了使仿真結(jié)果貼近于實(shí)際，一般把電阻膜厚度設(shè)為0mm，另外由于GHz頻段電磁波的趨膚深度極小，金屬背板厚度h2對(duì)涂層吸波性能的影響可以忽略。根據(jù)等效媒質(zhì)理論[12]可知，吸波材料的吸收率A可以表示為：A=1-T-R，其中R=|S11|2為反射率，T=|S21|2為透射率。由于金屬背板的存在，其透射率T=0，因此吸收率A可簡化為：A=1-R=1-|S11|2，故可用散射參數(shù)S11來表征吸波涂層對(duì)電磁波的吸收，進(jìn)而分析其吸波性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋇鐵氧體的電磁性能及吸波特性

圖2為M型鋇鐵氧體粉末的XRD譜圖。從圖中可以看出，所得鋇鐵氧體樣品的衍射峰均可與PDF卡片12-1029的特征峰一一對(duì)應(yīng)，說明制備的鋇鐵氧體為純相M型BaFe12O19，并且未發(fā)現(xiàn)其他物相衍射雜峰，衍射峰的強(qiáng)度較高，表明制備的鋇鐵氧體粉末純度高，結(jié)晶度好。

圖2 M型鋇鐵氧體的XRD譜圖Fig.2 XRD pattern of the M type barium ferrite

圖3為鋇鐵氧體粉末在0.5～18GHz頻率范圍內(nèi)電磁參數(shù)隨頻率變化的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，鋇鐵氧體粉末的復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部在0.5～14GHz頻段內(nèi)基本保持不變，在14～18GHz頻段內(nèi)隨頻率升高而增大，實(shí)部ε′由3.5增大到4.4，虛部ε″由0.1增大到0.5；復(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)部在整個(gè)頻段內(nèi)緩慢下降，μ′由1.2下降到0.9，虛部μ″則先增大后減小，最后下降到0。

圖3 鋇鐵氧體粉末的復(fù)介電常數(shù)(a)和復(fù)磁導(dǎo)率(b)Fig.3 Complex permittivity and complex permeability of the barium ferrite

根據(jù)傳輸線理論，鋇鐵氧體涂層等效輸入阻抗Zd可以表示為[12]：

(1)

式中：εr，μr為鋇鐵氧體的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率；h1為鋇鐵氧體涂層厚度；j為虛數(shù)單位。當(dāng)電磁波垂直入射到吸波材料表面時(shí)，其反射功率損耗R可根據(jù)下式計(jì)算：

(2)

其中，Z0為自由空間阻抗，約為377Ω。根據(jù)測(cè)得鋇鐵氧體的電磁參數(shù)，通過計(jì)算得到了涂層厚度為1.5，2.0，2.5，3.0mm時(shí)的反射損耗曲線，如圖4所示。從圖中可以看出，單一的鋇鐵氧體涂層在低頻段對(duì)電磁波的吸收很小，吸收峰出現(xiàn)在高頻位置；當(dāng)厚度較小時(shí)，反射損耗不明顯，隨著鋇鐵氧體涂層厚度增加，反射損耗逐漸增加，在2.5mm時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，最大反射損耗達(dá)到-8.6dB，當(dāng)厚度繼續(xù)增加時(shí)，反射損耗減小，說明鋇鐵氧體涂層的最佳匹配厚度為2.5mm。上述結(jié)果表明，制備的鋇鐵氧體粉體具備一定的吸收性能，其涂層最佳匹配厚度為2.5mm。

圖4 不同厚度下鋇鐵氧體涂層的反射損耗曲線Fig.4 Reflection loss of the barium ferrite coatings with different thicknesses

2.2 基于超材料設(shè)計(jì)的鋇鐵氧體涂層吸波性能

根據(jù)圖4可知，鋇鐵氧體涂層的最佳匹配厚度為2.5mm，為了方便設(shè)計(jì)，設(shè)定基于超材料改進(jìn)的鋇鐵氧體涂層厚度h1=2.5mm，研究表面電阻膜方阻Rs對(duì)吸波性能的影響。通過仿真計(jì)算得到了電阻膜方阻Rs為40，70，100，130Ω/□時(shí)涂層的反射損耗曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，經(jīng)過超材料設(shè)計(jì)改進(jìn)后的鋇鐵氧體涂層吸波性能得到了大幅提升。在電阻膜方塊電阻值較小時(shí)，吸波涂層存在兩個(gè)吸收峰，分別位于8～10GHz和16～18GHz頻段內(nèi)，在兩個(gè)吸收峰位置性能最佳，其他頻段性能較差；隨著方塊電阻值的增加，當(dāng)方塊電阻值大于100Ω/□時(shí)，位于低頻位置的吸收峰消失，整個(gè)頻段內(nèi)最終只存在一個(gè)吸收峰，并且隨著電阻膜方塊電阻值的增加，吸收峰強(qiáng)度增大，但吸收頻帶變窄。在方塊電阻值為70Ω/□時(shí)，改進(jìn)后的吸波涂層能夠充分利用兩個(gè)吸收峰帶來的吸收效果，在8～18GHz頻段內(nèi)反射率都能達(dá)到-10dB以下?？梢钥闯?，相比較單一的鋇鐵氧體涂層，基于超材料設(shè)計(jì)改進(jìn)后的涂層的吸收帶寬和吸收率大幅增加，說明通過超材料的設(shè)計(jì)改進(jìn)可以有效地拓展傳統(tǒng)材料的吸波性能。另外，從圖5中可以看出電阻膜圖案對(duì)應(yīng)著一個(gè)最佳的方塊電阻值，此時(shí)的吸波帶寬達(dá)到最大。

圖5 吸波涂層在不同電阻膜方塊電阻值時(shí)的反射損耗曲線Fig.5 Reflection loss of the absorbing coatings with different sheet resistance

由圖5可知，電阻膜方塊電阻值為70Ω/□時(shí)，涂層具有最寬的吸收帶寬，為了研究鋇鐵氧體厚度對(duì)吸波涂層性能的影響，固定方塊電阻值Rs=70Ω/□，計(jì)算不同厚度h1值時(shí)涂層的反射損耗，如圖6所示。從圖中可以看出，隨著鋇鐵氧體厚度的增加，改進(jìn)后的吸波涂層的吸收性能逐漸增強(qiáng)，并開始出現(xiàn)兩個(gè)吸收峰；隨著厚度繼續(xù)增加，高頻段的吸收峰逐漸消失，低頻段的吸收峰強(qiáng)度增大，但整體的吸收帶寬開始減?。辉阡^鐵氧體厚度為2.5mm時(shí)，改進(jìn)后的吸波涂層吸收帶寬達(dá)到最大，這說明基于超材料設(shè)計(jì)改進(jìn)后的吸波涂層也存在一個(gè)匹配厚度，此時(shí)的吸收性能最好，而且匹配厚度與單一鋇鐵氧體涂層的匹配厚度一致。

圖6 吸波涂層在不同鋇鐵氧體厚度時(shí)的反射損耗曲線Fig.6 Reflection loss of the absorbing coatings with different thicknesses

2.3 基于超材料設(shè)計(jì)的吸波機(jī)理分析

為了更好地分析和研究超材料設(shè)計(jì)改進(jìn)后鋇鐵氧體涂層的吸收規(guī)律，通過等效電路模型來分析涂層對(duì)電磁波的傳輸特性。根據(jù)傳輸線理論，改進(jìn)后的涂層輸入阻抗Zin可以等效為鋇鐵氧體涂層阻抗Zd與電阻膜表面阻抗Zp的并聯(lián)。因此，改進(jìn)后涂層可以等效為RLC串聯(lián)電路，等效電路模型如圖7所示。

圖7 經(jīng)超材料設(shè)計(jì)后的吸波涂層的等效電路圖Fig.7 Equivalent circuit diagram of the absorbing coatings with metamaterial design

涂層的輸入阻抗Zin可以表示為：

(3)

電阻膜表面阻抗Zp可以近似用下式計(jì)算[13]：

Zp=R+jωL-1/jωC

(4)

式中：R為電阻膜等效電阻；L為等效電感；C為等效電容。RLC等效電路參數(shù)，可根據(jù)電阻膜的圖案結(jié)構(gòu)，通過仿真計(jì)算得到[14]。根據(jù)公式(1)和(4)進(jìn)行仿真計(jì)算，分別得到了電阻膜的表面阻抗和鋇鐵氧體涂層的等效阻抗，其阻抗虛部特性曲線如圖8所示。從圖中可以看出，鋇鐵氧體涂層的阻抗虛部，在15.42GHz頻點(diǎn)處出現(xiàn)跳動(dòng)，由正值變?yōu)樨?fù)值，在各自區(qū)間頻段內(nèi)阻抗虛部單調(diào)上升。而電阻膜的表面阻抗恰好相反，在整個(gè)頻段內(nèi)單調(diào)上升，在14.41GHz處由負(fù)值變?yōu)檎?。根?jù)阻抗匹配的規(guī)律可知，電阻膜的表面阻抗虛部和鋇鐵氧體涂層阻抗虛部相等時(shí)[15]，涂層整體發(fā)生諧振，與自由空間實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。根據(jù)圖8中曲線可知，在9.6GHz頻點(diǎn)處和17.32GHz頻點(diǎn)處，電阻膜的表面阻抗虛部和鋇鐵氧體涂層阻抗虛部相等，這與吸收峰的位置非常接近(9.86GHz和17.12GHz)，說明理論分析與計(jì)算結(jié)果相符合。

圖8 電阻膜與鋇鐵氧體涂層的等效阻抗虛部Fig.8 Imaginary part of the impedance of the resistance films and the barium ferrite

為了進(jìn)一步研究鋇鐵氧體涂層與電阻膜對(duì)改進(jìn)后涂層吸收性能的影響，選取頻段內(nèi)兩個(gè)吸收峰位置為觀察點(diǎn)，即f=9.86GHz和f=17.12GHz頻點(diǎn)處，并選用f=2GHz頻點(diǎn)作為對(duì)照點(diǎn)，分別觀察在TE波模式下吸波涂層的電場(chǎng)分布和磁場(chǎng)分布，仿真結(jié)果如圖9,10所示。

圖9 吸波涂層在吸收峰處的電場(chǎng)分布圖 (a)2GHz；(b)9.86GHz；(c)17.12GHzFig.9 Electric field distributions of the absorbing coatings at the frequencies of absorption picks (a)2GHz;(b)9.86GHz;(c)17.12GHz

圖10 吸波涂層在吸收峰處的磁場(chǎng)分布圖 (a)2GHz；(b)9.86GHz；(c)17.12GHzFig.10 Magnetic field distributions of the absorbing coatings at the frequencies of absorption picks (a)2GHz;(b)9.86GHz;(c)17.12GHz

由圖9可知，在2GHz低頻頻點(diǎn)處，吸波涂層上的電場(chǎng)開始在電阻膜上下邊緣處聚集；在9.86GHz頻點(diǎn)處，電場(chǎng)主要分布在電阻膜上面，且在電阻膜的上下兩側(cè)邊緣位置聚集了較強(qiáng)的電場(chǎng)；在17.12GHz頻點(diǎn)處，電阻膜上的電場(chǎng)減小，鋇鐵氧體涂層上的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，電場(chǎng)在上下兩側(cè)聚集。由圖10可以看到，在2GHz低頻頻點(diǎn)處，吸波涂層上的磁場(chǎng)在整個(gè)鋇鐵氧體涂層和電阻膜上均勻分布；在9.86GHz頻點(diǎn)處，磁場(chǎng)主要分布在電阻膜內(nèi)部區(qū)域以及金屬背板附近的鋇鐵氧體涂層上；在17.12GHz頻點(diǎn)處，電阻膜處的磁場(chǎng)大幅降低，磁場(chǎng)集中在鋇鐵氧體涂層的上下兩側(cè)。通過電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布圖可以看出，在低頻處電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布逐漸向電阻膜上集中，隨著頻率的升高，電阻膜上的磁場(chǎng)和電場(chǎng)慢慢遠(yuǎn)離，磁場(chǎng)和電場(chǎng)開始聚集在鋇鐵氧體涂層上下兩側(cè)位置。

圖11為改進(jìn)后的吸波涂層在吸收峰頻點(diǎn)處的功率損耗密度分布情況。從圖中可以看出，在2GHz頻點(diǎn)處，電阻膜上下兩側(cè)附近出現(xiàn)少許損耗。在9.86GHz頻點(diǎn)位置，入射波能量主要消耗在電阻膜上面，這是由于在低頻段，電場(chǎng)和磁場(chǎng)都集中分布在電阻膜上面，通過電流的移動(dòng)，形成歐姆損耗。在17.12GHz頻點(diǎn)處，電阻膜上面的損耗減小，能量損耗分布在鋇鐵氧體涂層的上下兩側(cè)，由上面的分析可知，隨著頻率的升高，電場(chǎng)和磁場(chǎng)逐漸遠(yuǎn)離電阻膜，開始在鋇鐵氧體涂層上集中，因此能量損耗的位置也由電阻膜逐漸轉(zhuǎn)移到鋇鐵氧體層上面來。

圖11 吸波涂層吸收峰處的功率損耗密度分布圖 (a)2GHz；(b)9.86GHz；(c)17.12GHzFig.11 Power loss density distribution of the absorbing coatings at the frequencies of absorption picks (a)2GHz;(b)9.86GHz;(c)17.12GHz

通過計(jì)算得到了改進(jìn)后的吸波涂層不同結(jié)構(gòu)對(duì)入射電磁波的能量損耗，如圖12所示。從圖中可以看出，鋇鐵氧體涂層在低頻處的能量損耗很小，到高頻處(16～18GHz)才開始增加，這也對(duì)應(yīng)了圖3中的鋇鐵氧體的吸收曲線。電阻膜上的能量損耗集中在8～16GHz處，在高頻處，電阻膜上損耗的能量迅速下降?？梢钥闯?，相對(duì)于單一的鋇鐵氧體涂層，超材料設(shè)計(jì)改進(jìn)后的吸波涂層，通過電阻膜在低頻段的吸收，大幅拓展了鋇鐵氧體吸收帶寬，說明通過采用超材料設(shè)計(jì)的方法可以有效地拓展傳統(tǒng)材料的吸波性能。

圖12 吸波涂層不同結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的能量損耗分布曲線Fig.12 Power loss distribution curves of electromagnetic wave in different forms of the absorbing coating

3 結(jié)論

(1)鋇鐵氧體涂層通過超材料設(shè)計(jì)改進(jìn)后，吸收帶寬和吸收率大幅增加，說明通過超材料的設(shè)計(jì)改進(jìn)可以有效地拓展鋇鐵氧體的吸波性能。當(dāng)鋇鐵氧體涂層厚度為2.5mm，電阻膜方塊電阻值70Ω/□時(shí)，改進(jìn)后的吸波涂層吸收帶寬達(dá)到最大，反射損耗都小于-10dB的帶寬達(dá)到10GHz。

(2)電阻膜的表面阻抗虛部和鋇鐵氧體涂層阻抗虛部相等，吸波涂層發(fā)生電磁諧振，與自由空間實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，是出現(xiàn)吸收峰的原因。

(3)在低頻吸收峰位置，電場(chǎng)和磁場(chǎng)都集中分布在電阻膜上面，入射波能量主要消耗在電阻膜上面；在高頻吸收峰處，電場(chǎng)和磁場(chǎng)聚集在鋇鐵氧體涂層上，能量損耗分布在鋇鐵氧體上。結(jié)果表明，鋇鐵氧體通過超材料設(shè)計(jì)改進(jìn)后，吸收性能得到極大改善。