王 麗

(華南理工大學(xué)廣州汽車學(xué)院, 廣東 廣州 510800)

0 引 言

19世紀(jì)末，人們在研究類熱解時，發(fā)現(xiàn)在催化劑表面生成物中混有極小的纖維狀物質(zhì)，這是納米碳纖維(CNFS)的最早發(fā)現(xiàn).20世紀(jì)90年代S. Iijima發(fā)現(xiàn)納米碳管以后，人們才開始有目的地合成納米碳纖維，其質(zhì)量輕、厚度薄、韌性好、強(qiáng)度大、導(dǎo)電性強(qiáng)、低密度、寬頻帶的多功能特性受到了極大關(guān)注.通過幾十年的發(fā)展，CNFS的研究已越來越廣泛，且技術(shù)也越來越完善，制備的性能也越來越好，應(yīng)用也越來越廣泛.

1 螺旋納米碳纖維的制備方法及特點(diǎn)

制備螺旋CNFS的方法采用化學(xué)氣相沉積法(CVD法)，該方法主要以低碳烴化合物乙炔(C2H2)為碳源，含硫化合物為生長促進(jìn)劑，Ni為催化劑，H2和Ar為載氣，石英舟作基片.CVD法有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

(1)設(shè)備簡單：無須高真空和高溫加熱設(shè)備，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)裝置，有利于實(shí)驗(yàn)的快速進(jìn)行.

(2)成本較低，可就地取材.

(3)用途廣泛：我們制備的螺旋納米碳纖維用途是很廣泛的.如用于電磁信息發(fā)射，可防止信息泄露，避免政治、經(jīng)濟(jì)、國防、科技等方面因信息泄露而造成的損失.

設(shè)備組裝好后制備CNFS，要使石英管內(nèi)源源不斷地供應(yīng)氣體，而又不使氣體壓強(qiáng)過大影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，則應(yīng)使流入反應(yīng)管內(nèi)的氣體量與流出的氣體量保持平衡.不同工藝條件制備的CNFS其性能如表1所示.

納米碳纖維的形貌(特別是直徑)和微觀結(jié)構(gòu)對其物理、化學(xué)性質(zhì)有著極大的影響，在不同的制備方法和工藝條件下可以得到各種不同形貌和微觀結(jié)構(gòu)的納米碳纖維.

2 螺旋納米碳纖維的電磁吸收特性研究

2.1 材料吸收特性的基本規(guī)律

真空中的電磁場為

表1 不同工藝條件制備的CNFS

D=ε0E，B=μ0H

(1)

式中E為電場強(qiáng)度，D為電感應(yīng)強(qiáng)度，H為磁場強(qiáng)度，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，ε0和μ0均為常數(shù).

類似得到物質(zhì)方程式：

D=εε0E，B=μμ0H

(2)

ε=1+xE，μ=1+xt

(3)

xE和xt分別稱為電介質(zhì)的極化率和磁化率.確定電感應(yīng)強(qiáng)度D和磁感應(yīng)強(qiáng)度B與電場強(qiáng)度E′磁場強(qiáng)度H之間關(guān)系的等式(2)稱為物質(zhì)方程.xE和xt表征了材料內(nèi)部存在電磁場的實(shí)際介質(zhì)以及相應(yīng)的性質(zhì).還有另外一個物質(zhì)方程，以使傳導(dǎo)電流密度I與電場強(qiáng)度聯(lián)系起來，即

I=σE

(4)

式中σ為材料的電導(dǎo)率，電導(dǎo)率是材料電阻率的倒數(shù).

把ε和μ表示為復(fù)數(shù)：

ε=ε′-jε″，μ=μ′-jμ″

(5)

上式中ε′和μ′分別為在電場或磁場作用下產(chǎn)生的極化和磁化程度的變量，而ε″是外加電場作用下材料電偶矩產(chǎn)生重排引起損耗的程度，μ″是外加磁場作用下材料磁偶矩產(chǎn)生重排引起損耗的量度.其損耗角正切分別為：

(6)

(7)

式中ω為角頻率.這些參數(shù)也可用復(fù)波數(shù)(或傳播常數(shù))k表示：

(8)

式中c為真空中的光速.

一般來說，材料的性質(zhì)都借助于綜合參數(shù)ε和μ來表征，這兩個參數(shù)決定著介質(zhì)中電磁能的積蓄和消耗[1].根據(jù)ε和μ特性的不同，材料對電磁波輻射的吸收能力也不一樣.理想電解質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是實(shí)數(shù)，因此不能吸收電磁波輻射，但在一般情況下介質(zhì)或材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率具有參數(shù)性質(zhì).如果其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的虛部與實(shí)部相比很小，則可忽略不計，因此仍不能吸收電磁波輻射，這類介質(zhì)或材料為透波介質(zhì)或透波材料.當(dāng)介質(zhì)或材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的虛部不能忽略時，便具有吸收電磁波的輻射的性質(zhì)，稱其為吸波介質(zhì)或吸波材料[2].由此可見，虛部主要承擔(dān)對電磁波輻射的吸收.

除了ε和μ以外還常常采用表征同一現(xiàn)象的其他一些參數(shù)，其中一個參數(shù)是介質(zhì)損耗角正切tgδ.在損耗取決于電導(dǎo)率σ時，

(9)

為了評價介質(zhì)的質(zhì)量，常采用Q值，它稱為品質(zhì)因數(shù)，即

(10)

在計算中，常常用來描述材料特征的另一個參數(shù)是復(fù)波數(shù)，

(11)

如果沒有磁損耗(μ″=0)，則復(fù)波數(shù)的實(shí)部和虛部為

(12)

2.2 電磁波吸收的基本原理

對電磁波的傳播過程可簡稱如下：當(dāng)電磁波在空氣中傳播而遇到媒質(zhì)時，由于媒質(zhì)的阻抗與自由空間的阻抗不匹配則電磁波在媒質(zhì)與空氣的前界面發(fā)生反射.除反射波外，透射波進(jìn)入媒質(zhì)內(nèi)部并在其中傳播.在傳播中，由于電磁波與媒質(zhì)相互作用而發(fā)生能量損耗.當(dāng)電磁波遇到與空氣的后界面時，再次出現(xiàn)阻抗不匹配，從而一部分電磁波出射進(jìn)入空氣,另外一部分被后界面反射回而繼續(xù)在媒質(zhì)中重復(fù)上述過程.而最后電磁波吸收性能與材料的性質(zhì)—電磁參數(shù)：復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率相關(guān)[3].

2.3 螺旋 CNFS的電磁吸收特性測試

測試方法為一個比較經(jīng)典的方法—反射法.其測試原理主要依據(jù)3.1與3.2中所述原理.在這種方法中，將介質(zhì)試樣置于測量系統(tǒng)的末端，其輸出端接短路板或開路器以產(chǎn)生全反射，根據(jù)試樣引起的駐波節(jié)點(diǎn)和駐波系數(shù)，可確定試樣的相對介電常數(shù)和損耗因子.

在裝有介質(zhì)試樣的終端短路波導(dǎo)中，從介質(zhì)試樣的輸入端面輸入的等效阻抗Z1為:Z1=Zαlhγlt，式中Zα為介質(zhì)波導(dǎo)的特性阻抗，γ=α+jβ為波在介質(zhì)波導(dǎo)中的傳播系數(shù)，lt為介質(zhì)的長度.Z1也可看作空氣中波導(dǎo)的負(fù)載阻抗，而這個阻抗由駐波系數(shù)和駐波最小點(diǎn)離開負(fù)載端(即介質(zhì)式樣的輸入端面)的距離d來決定，它們是：

由此超越方程解出γ后，則可得到生物組織試樣的相對介電常數(shù)和損耗因子.

在傳輸TE10波的矩形測量系統(tǒng)中

式中λ0為自由空間波長，α為波導(dǎo)的寬邊尺寸.

用反射法測試CNFS吸波性能時，所用PX16頻率計、YM 1123標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器產(chǎn)生入射波，經(jīng)隔離器調(diào)節(jié)后，到達(dá)測量線選擇駐波節(jié)點(diǎn)，在YM 13892選頻放大器上觀察. 測試數(shù)據(jù)列于表2.

表2 吸波性能測試表

2.4 CNFS的電磁吸收特性測試數(shù)據(jù)分析

(1) 由表2可見：材料的介電常數(shù)的虛部不為0，即ε≠0，而根據(jù)文獻(xiàn)[4]ε是外加電磁場作用下材料電偶矩產(chǎn)生重排引起損耗的量度，且文獻(xiàn)[2]中所述：介電常數(shù)的虛部存在時，便具有吸收電磁波的性質(zhì)，可見我們測量的材料是有吸波性能的.對于表2中所示的樣品，實(shí)部與虛部相差不多，根據(jù)文獻(xiàn)[2]，虛部與實(shí)部相比不能忽略時，即相差不大時，便具有可很好的吸波電磁波的性能，說明我們制備的CNFS稀吸波性能優(yōu)良.

(2) 從電磁波的衰減來看，5#產(chǎn)品入射波頻率為1 GHz，經(jīng)過0.628 cm的CNFS衰減到0.08 GHz，即相當(dāng)于21.7 db，吸收率達(dá)92%.對于6#產(chǎn)品入射頻率為1 GHz，經(jīng)過0.628 cm的CNFS衰減到0.05 GHz，即相當(dāng)于26 db，吸收率達(dá)95%.對于7#產(chǎn)品，入射1 GHz波后經(jīng)過0.628 cm距離的CNFS衰減到了0.018 GHz，即相當(dāng)于35 db，吸收率達(dá)98.2%.由此可見，相同的入射波在經(jīng)過相同的距離后7#產(chǎn)品衰減的最多，則7#產(chǎn)品的吸波性能最佳.

3 結(jié)束語

制備的螺旋CNFS的吸收特性測試結(jié)果表明，其實(shí)部與虛部相差不大，根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的原理，說明制備的螺旋CNFS的吸波性能優(yōu)良，且催化劑為200目制備的螺旋CNFS比催化劑數(shù)目大于200目的螺旋CNFS的吸波性能好.H2∶Ar∶C2H2=8∶3∶3制備的螺旋CNFS的吸波性能要優(yōu)于 H2∶Ar∶C2H2=20∶10∶11制備的螺旋CNFS.

由上述結(jié)果，我們可以設(shè)想：當(dāng)入射波入射碰到材料后，經(jīng)過處理使波全部進(jìn)入材料達(dá)到98%衰減后，經(jīng)材料的后表面反射再次進(jìn)入材料又為98%的衰減，這樣多次衰減則吸收率可達(dá)99.99%.

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