一种基于反射特性的碳纳米管吸波材料吸波性能检测方法技术

一种碳纳米管吸波材料吸波性能检测方法，涉及电磁波反射系数的计算方法，属于无损检测技术领域。碳纳米管是隐身技术中的重要吸波材料,不同体积占比碳纳米管吸波材料吸波性能检测与评价是工程应用研究的热点问题。在以电磁波反射特性为主的吸波性能检测中，反射系数曲线包含吸波材料吸波性能方面的许多信息，例如：‑10dB带宽，反射系数最小值，中心频率。本发明专利技术基于吸波材料中电磁波反射特性理论建模，提出利用反射系数表征碳纳米管吸波材料吸波性能的新方法，利用等效电阻—电容网络模型，定量分析碳纳米管吸波材料的介电特性；利用层状介质传播模型，分析电磁波在金属衬底吸波介质中传播时的反射特性，提取特征参数，实现了不同体积占比碳纳米管吸波材料的吸波性能检测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于反射特性的碳纳米管吸波材料吸波性能检测方法
本专利技术属于无损检测
，具体涉及一种基于反射特性的碳纳米管吸波材料吸波性能检测方法，可对不同配比碳纳米管吸波材料反射系数计算，实现对碳纳米管吸波材料吸波性能的检测。
技术介绍
随着微波工程技术的迅猛发展，隐身技术作为电磁波吸波技术的典型应用，在国防军工、航空航天、电子信息等重点领域得到广泛应用。吸波材料能够有效吸收或散射衰减入射其表面的电磁波，是隐身材料中发展最快的一类功能材料，其中，碳纳米管吸波材料因其具有独特的金属或半导体导电性、热传导性和机械强度、以及高频宽带电磁波吸收特性，使其成为重要的吸波涂层材。现有研究表明，复合型碳纳米管材料厚度和体积占比对吸波材料的吸波性能有着重要影响。尽管当前碳纳米管复合吸波材料的研究取得了良好的发展，但对实现厚度薄、密度小、吸收强、频段宽等方面的要求，尚缺乏全面有效的评价方法。为达到上述目的，本专利技术提出了利用电磁波反射特性表征不同体积占比碳纳米管吸波材料吸波性能的新方法。通过对金属衬底吸波介质电磁波反射系数的理论计算，建立吸波材料反射系数与材料介电常数、磁导率等电磁参数、入射波频率及材料厚度间的理论关系模型，对不同厚度和不同体积占比碳纳米管吸波材料反射系数进行数值仿真分析，提取特征参数，实现不同体积占比碳纳米管吸波材料吸波性能的检测。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决不同体积占比碳纳米管复合吸波材料吸波性能全面有效的评价问题，提出一种先进的吸波性能检测方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为一种基于反射特性的碳纳米管吸波材料吸波性能检测方法，该方法的具体实施过程如下，步骤1)：碳纳米管/聚合物复合材料介电特性的公式。这里需要说明的是，当电磁波入射到导体与绝缘体的复合材料表面时，会在材料内部产生传导电流和位移电流。可采用等效电阻-电容网络模型，对碳纳米管/聚合物复合材料的介电特性进行定量分析。可根据如下公式进行相对复介电常数的计算：式中：其中：εc、εp分别表示为碳纳米管和聚合物的相对复介电常数，vd和vm分别为聚合物与金属碳纳米管在复合材料中所占的体积百分比，ε0为真空介电常数，ε′p和ε″p分别为聚合物相对复介电常数的实部和虚部，ε′c为金属碳纳米管的相对复介电常数的实部，σm为直流电导率，其中，ε′p、ε″p、ε′c和σm均为常数，ω为入射波角频率。步骤2)：金属衬底单层吸波结构材料的反射系数计算。为寻求反射系数与材料介电常数、磁导率等电磁参数、入射波频率及材料厚度间的理论关系，需要建立建立金属衬底单层吸波结构材料模型，如图1所示。图1为吸波结构材料中电磁波沿+z方向传播示意图，其中，ki、kr、kt分别表示电磁波在自由空间与吸波结构中传播波矢入射、反射、透射的方向，E和H为电磁波传播过程中电场与磁场的方向。电磁波由自由空间(ε1，μ1)垂直入射到吸波介质(ε2，μ2)中，并在边界z＝0处发生反射和透射。当透射波入射到金属衬底时，在边界z＝d处发生全反射，根据金属衬底单层吸波介质中电磁波垂直入射时反射系数的理论分析，得到电磁波反射系数Γ与材料电磁参数(ε，μ)、入射波频率f和材料厚度d间的理论关系式：步骤3)：碳纳米管吸波材料的吸波性能评价。为了分析碳纳米管吸波材料在不同体积百分比和不同厚度状态下的吸波性能，利用电磁波反射特性，计算1GHz-18GHz入射波频率范围内，反射波-10dB带宽变化谱、反射系数变化谱和中心频率变化谱，进而，确定-10dB最大吸波带宽、反射系数最小值、以及中心频率随碳纳米管体积百分比与厚度变化规律。附图说明图1为不同体积百分比的复合材料相对复介电常数与入射波频率的关系曲线(实部)图2为不同体积百分比的复合材料相对复介电常数与入射波频率的关系曲线(虚部)图3为垂直入射的电磁波在金属衬底单层吸波结构中的传播图4为单层碳纳米管吸波材料反射系数的理论计算结果图5为单层碳纳米管吸波材料反射系数的仿真结果图6为-10dB带宽变化谱图7为1.4mm-10mm厚度内-10dB带宽随体积百分比变化的曲线(体积百分比0.5％-15％)图8为1.4mm-10mm厚度内-10dB带宽随体积百分比变化的曲线(体积百分比0.5％-4.2％的局部放大)图9厚度2.4mm时-10dB带宽随体积百分比变化的曲线图10体积百分比0.5％-15％范围内-10dB带宽最大值变化曲线图11厚度0.1mm-10mm范围内-10dB带宽最大值变化曲线图12反射系数最小值变化谱图131.4mm-10mm厚度内反射系数最小值随体积百分比变化的曲线(体积百分比0.5％-15％)图141.4mm-10mm厚度内反射系数最小值随体积百分比变化的曲线(体积百分比0.5％-2.3％的局部放大)图15厚度1.9mm时反射系数最小值随体积百分比变化曲线图16体积百分比0.5％-15％范围内反射系数最小值随厚度变化曲线图17厚度0.1mm-10mm范围内反射系数最小值随体积占比变化曲线图18中心频率变化谱图19中心频率变化曲线具体实施方式以下结合具体实例对本专利技术的内容做进一步的详细说明：步骤1)：确立碳纳米管/聚合物复合材料介电特性的公式。需要说明的是，通常情况下，均匀各向同性材料的介电常数是关于频率和温度的函数，而聚合物的介电特性受频率和温度的影响很小，在一定频率范围内，可将其介电常数视为常数。材料参数为：长度约为1μm、直径为10nm、长径比为100、厚度为2mm，相对复介电常数实部ε′mr为100，直流电导率σm为885S/m，聚合物粘合剂的相对复电容率εdr＝4.6-i3.2复合材料中，碳纳米管和聚合物的相对复介电常数εc、εp分别表示为：εp＝ε’p-iε”p(2)根据等效电阻-电容网络模型，可得金属碳纳米管/聚合物复合材料的复电导率σ*为：vd＝1-vm(4)式中，vd和vm分别为聚合物与金属碳纳米管在复合材料中所占的体积百分比，ε0为真空介电常数，ε′p和ε″p分别为聚合物相对复介电常数的实部和虚部，ε′c为金属碳纳米管的相对复介电常数的实部，σm为直流电导率，其中，ε′p、ε″p、ε′c和σm均为常数。ω为入射波角频率，表明金属碳纳米管的介电常数与频率有关。其中：由式(1)可得，碳纳米管/聚合物复合材料相对复介电常数εr为：式中：理论分析所得碳纳米管/聚合物复合材料的介电特性定量表达式(7)，实部与虚部的计算结果如图1、图2步骤2)：金属衬底单层吸波结构材料的反射系数计算。通常，低浓度金属碳纳米管在聚合物基质中沿不同方向随机均匀分散，故碳纳米管/聚合物复合材料可看作各向同性均匀材料。工程应用时，吸波材料被涂覆在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于反射特性的碳纳米管吸波材料吸波性能检测方法，其特征在于，该方法按照如下步骤进行：/n确立波速提取的公式；/n在波速提取的过程中，依据V(z)曲线理论进行波速的计算：/n步骤1)：碳纳米管/聚合物复合材料复介电常数的公式；/n在碳纳米管/聚合物复合材料复介电常数的计算中，利用等效电阻-电容网络模型，进行计算；/n步骤2)：金属衬底单层吸波结构材料的反射系数计算；/n步骤3)：-10dB最大吸波带宽随碳纳米管体积百分比与厚度变化规律分析；/n提取反射系数中-10dB带宽参量，探究-10dB带宽随碳纳米管体积占比和厚度的变化规律，从而确定吸波效果对应的体积占比、厚度范围以及最大吸波带宽对应体积占比与厚度；/n步骤4)：反射系数最小值随碳纳米管体积百分比与厚度变化规律分析；/n提取反射系数中反射系数最小值参量，寻找反射系数最小值随碳纳米管体积占比和厚度的变化规律，确定反射系数最小值对应体积占比与厚度；/n步骤5)：中心频率随碳纳米管体积百分比与厚度变化规律分析；/n提取反射系数中中心频率参量，探寻中心频率随碳纳米管体积占比和厚度的变化规律。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于反射特性的碳纳米管吸波材料吸波性能检测方法，其特征在于，该方法按照如下步骤进行：
确立波速提取的公式；
在波速提取的过程中，依据V(z)曲线理论进行波速的计算：
步骤1)：碳纳米管/聚合物复合材料复介电常数的公式；
在碳纳米管/聚合物复合材料复介电常数的计算中，利用等效电阻-电容网络模型，进行计算；
步骤2)：金属衬底单层吸波结构材料的反射系数计算；
步骤3)：-10dB最大吸波带宽随碳纳米管体积百分比与厚度变化规律分析；
提取反射系数中-10dB带宽参量，探究-10dB带宽随碳纳米管体积占比和厚度的变化规律，从而确定吸波效果对应的体积占比、厚度范围以及最大吸波带宽对应体积占比与厚度；
步骤4)：反射系数最小值随碳纳米管体积百分比与厚度变化规律分析；
提取反射系数中反射系数最小值参量，寻找反射系数最小值随碳纳米管体积占比和厚度的变化规律，确定反射系数最小值对应体积占比与厚度；
步骤5)：中心频率随碳纳米管体积百分比与厚度变化规律分析；
提取反射系数中中心...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋国荣，石雨宸，吕炎，张斌鹏，杜晓宇，何存富，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11