試析復合材料在微波工程中的運用

何謨谞

【摘要】隨著科學技術的迅速發展，人類對于世界的認識達到了一個嶄新的層面，一系列新事物、新材料不斷涌現。微波，這種自然界中一種常見的波段，被運用到人類生活的各個方面。但由于微波的特殊特性，使得人類在利用這種波段時難免遇到各式各樣的問題，在這種情形下，新型的復合材料應運而生。新型復合材料的運用極大的提升了微波的使用效率，在微波工程中發揮了巨大的作用。在本文中，筆者將針對微波和復合材料的的特性，結合案例，系統地分析復合材料在微波工程中所起到的作用，對復合材料在微波工程未來的發展前景做出展望。

【關鍵詞】復合材料微波工程金紅石陶瓷一玻璃

伴隨著科學技術的蓬勃發展，地球上原有的材料已經不能滿足人類的需求，正是在這種情況下，復合材料應運而生。復合材料通過將兩種以及兩種以上的物質進行融合而產生出一種新型的可以被人類運用的材料。伴隨著復合材料性能的不斷改善以及功能的不斷變化，一部分復合材料已經可以被運用到微波工程領域之中，并對微波工程起到巨大的作用。

一、微波及微波的特性

微波是電磁波的一種。微波的波長在1毫米到1米之間，微波的頻率為300MHz—300GHz。微波的基本性質通常呈現為穿透、反射、吸收三個特性。相較于其它波段的電磁波，微波具有以下幾個顯著的特征：（一）微波的穿透性。區別于其它輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠紅外線等，微波的波長更長，具有更強的穿透性。微波透入物體時，能與物體分子相互作用使分子產生震動，當微波頻率為2450兆赫茲時，可使物體的分子每秒產生24億次以上的震動。動能轉化為熱能，從而使物體的溫度達到整體上的同時升溫，避免了物體在進行熱傳導時的熱量損耗。同時，由于物體在加熱過程中不會出現熱傳導現象，從而大大縮短了物體的加熱時間。（二）微波對不同的物體體現出不同的加熱效果。由于微波穿越不同物質時，微波對于不同物質的震動會產生不同的影響，這就使得了微波在加熱過程中具備了加熱選擇性的特征。當微波穿越玻璃、塑料和瓷器等物體時，微波幾乎是穿越而不被吸收；當微波穿越水和食物等物體時，這些物體會受到微波的影響而自身產生熱量；當微波穿越金屬類物體時，微波則會被完整的反射回來。家中常用的微波爐加熱物體正是利用了這種原理。微波爐的外殼采用金屬類物體，避免了微波爐加熱時，微波穿透微波爐外壁對周圍的物體產生影響；加熱的物體大多含有豐富的水分子，保證了物體整體的熱量；盛放物體的容器大都為塑料和瓷器類物體，當微波穿越這些物體是，幾乎不會被吸收。可見，微波對不同的物體體現出不同的加熱效果。（三）微波的信息性。相比較于低頻無線電波，由于微波具有非常高的頻率，這就使得在狹小的相對帶寬下，微波可用的頻帶非常廣，可以達到數百甚至上千兆赫茲。這就意味著在同樣的條件下，微波可以攜帶的信息容量要遠遠大于低頻無線電波。因此，目前國際上所使用的現代多路通信系統，包括衛星通信系統，幾乎無例外都是工作在微波波段。同時，微波信號還可以提供相位信息、極化信息以及多普勒頻率信息，這些信息可以幫助人類更好的對目標進行檢測和對遙感目標的特征進行分析。

二、復合材料的定義

復合材料（Composite materials），是指由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。

三、復合材料在微波工程中的應用

（一）金紅石陶瓷一玻璃復合介質

金紅石陶瓷結構作為應用的最廣泛的微波介質正被廣泛的應用于各種微波工程之中。金紅石陶瓷結構本身所具有的相對介電常數大、微波插人損耗小以及溫度穩定性好等特性也是微波工程選用此類結構的主要因素。但是單組分金紅石陶瓷結構本身較為疏松，其機械強度較差，基本上不能對其進行機械加工，因此以前該結構的運用受到了很大的限制。

隨著復合材料技術的不斷進步，一種新型的可以提高金紅石陶瓷結構致密度，同時可以改善其機械強度，使其能進行機械加工的復合材料被研發出來。其基本指導思想如下：由于微波具有穿透性的特點，當微波遇到玻璃、塑料和瓷器的物體時，微波幾乎是穿越而不被吸收，如果能將金紅石陶瓷與玻璃進行復合，則可以在不降低金紅石陶瓷結構本身正常工作的情況下，提高金紅石陶瓷結構致密度并改善其機械強度，其達到能進行機械加工的目的。

首先，將CaO， B2O3和SiO2按一定比例進行配料、球磨后，在1320℃的高溫下燒結后制成玻璃粉；然后把制成的玻璃粉與由ZnO和SiO2在1320℃的高溫下生成的硅酸鋅粉按一定比例混合并進行球磨、過篩，生成玻璃相；最后將玻璃相與TiO2、ZnO、CaF2、BaCO3以及ZrO2等按配方配制，經過嚴格的工藝流程、球磨、成型以及在940℃的溫度下燒結，生成金紅石陶瓷一玻璃復合介質。這種復合介質既保留了金紅石陶瓷的特征，又有好的機械強度和硬度。這種材料的相對介電常數約為100，當部分填充工作在米波波段的高功率微波終端時，能使高功率微波終端沿傳輸方向300mm的幾何長度就能獲得約2.5m的電長度，有效地縮小了體積，滿足了微波工程的實際應用需要。

（二）鐵氧體-陶瓷復合材料。雷達作為現代最重要的通信工具誕生于20世紀40年代。其工作原理是：雷達發射機通過天線把電磁波能量射向空間某一方向，處在此方向上的物體反射碰到的電磁波；雷達天線接收此反射波，送至接收設備進行處理，提取有關該物體的信息。

為確保雷達在某一時點向某一方向發射電磁波時，不會同時向其它方向發射電磁波，這就需要在發射電磁波方向的反方向具有很強的吸收微波作用的物質。在雷達運用的早期，通常選用錳鋅軟磁鐵氧體和鎳鋅軟磁鐵氧體作為吸波材料。兩種材料在雷達工作時具有高磁導率、高電阻率、低損耗等特點，且成本低廉。

然而，由于錳鋅和鎳鋅都屬于金屬類產品，對微波具有反射作用，而影響到微波吸收率，從而干擾到雷達電波的準確程度。

隨著復合材料的發展，人們逐漸意識到：如果能夠使用幾乎對微波不會產生任何影響的陶瓷取代傳統的鐵氧體材料，這種局面也許能打破，一種新型的鐵氧體-陶瓷復合材料應運而生。這種復合材料的微波阻抗在很寬的頻帶范圍內幾乎不發生變化，使用這種新型材料設計制造的天線和微波類傳輸線等器材在實際應用中都產生了非常好的使用效果。

（三）選擇性透波復合材料

隨著我國經濟的發展，我國的綜合國力得到了顯著的增強。我國的航空航天事業及軍工事業也得到了非常快速的發展。在此基礎上，我國對于透波材料的需求，尤其是選擇性透波復合材料的需求也不斷上升。透波材料在航空航天領域中具有重要的地位，是航空航天器材所不可缺少的重要外部材料。當航空飛行器在遇到惡劣飛行氣候或是在通信環境非常惡劣的條件時，透波材料可以保證航空飛行器的通訊、遙測等系統的正常運轉。同時在運載火箭、宇宙飛船等領域也有重要的作用。伴隨著技術的進步，新型的選擇性透波復合材料正成為業界所關注的重點。選擇性透波復合材料是對頻率選擇表面技術同復合材料相結合，從而產生的一種新型的材料工藝。選擇性透波復合材料對于飛行器的隱形技術有著重大的貢獻，它可以在保證飛行器自身通訊正常工作的情況下，屏蔽其他外來電磁波對飛行器的偵查和干擾等。結論：隨著復合材料技術的不斷進步，各種穿透性好、透波性能好的復合材料相繼問世。由于納米材料的研制成功及其應用技術的發展，新型功能劑不斷出現，，透波、吸波性能越來越高。這些都極大地提高了復合材料在微波工程中的使用范圍，增強了微波工程的使用效果。相信在不就的將來，復合材料在微波工程中的應用將越來越廣泛，復合材料所起到的效果也將越來越重要。

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