試析復(fù)合材料在微波工程中的運(yùn)用

何謨谞

【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人類對(duì)于世界的認(rèn)識(shí)達(dá)到了一個(gè)嶄新的層面，一系列新事物、新材料不斷涌現(xiàn)。微波，這種自然界中一種常見的波段，被運(yùn)用到人類生活的各個(gè)方面。但由于微波的特殊特性，使得人類在利用這種波段時(shí)難免遇到各式各樣的問題，在這種情形下，新型的復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。新型復(fù)合材料的運(yùn)用極大的提升了微波的使用效率，在微波工程中發(fā)揮了巨大的作用。在本文中，筆者將針對(duì)微波和復(fù)合材料的的特性，結(jié)合案例，系統(tǒng)地分析復(fù)合材料在微波工程中所起到的作用，對(duì)復(fù)合材料在微波工程未來的發(fā)展前景做出展望。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合材料微波工程金紅石陶瓷一玻璃

伴隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，地球上原有的材料已經(jīng)不能滿足人類的需求，正是在這種情況下，復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。復(fù)合材料通過將兩種以及兩種以上的物質(zhì)進(jìn)行融合而產(chǎn)生出一種新型的可以被人類運(yùn)用的材料。伴隨著復(fù)合材料性能的不斷改善以及功能的不斷變化，一部分復(fù)合材料已經(jīng)可以被運(yùn)用到微波工程領(lǐng)域之中，并對(duì)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(zhǎng)在1毫米到1米之間，微波的頻率為300MHz—300GHz。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。相較于其它波段的電磁波，微波具有以下幾個(gè)顯著的特征：（一）微波的穿透性。區(qū)別于其它輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠(yuǎn)紅外線等，微波的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，具有更強(qiáng)的穿透性。微波透入物體時(shí)，能與物體分子相互作用使分子產(chǎn)生震動(dòng)，當(dāng)微波頻率為2450兆赫茲時(shí)，可使物體的分子每秒產(chǎn)生24億次以上的震動(dòng)。動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使物體的溫度達(dá)到整體上的同時(shí)升溫，避免了物體在進(jìn)行熱傳導(dǎo)時(shí)的熱量損耗。同時(shí)，由于物體在加熱過程中不會(huì)出現(xiàn)熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，從而大大縮短了物體的加熱時(shí)間。（二）微波對(duì)不同的物體體現(xiàn)出不同的加熱效果。由于微波穿越不同物質(zhì)時(shí)，微波對(duì)于不同物質(zhì)的震動(dòng)會(huì)產(chǎn)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(dāng)微波穿越玻璃、塑料和瓷器等物體時(shí)，微波幾乎是穿越而不被吸收；當(dāng)微波穿越水和食物等物體時(shí)，這些物體會(huì)受到微波的影響而自身產(chǎn)生熱量；當(dāng)微波穿越金屬類物體時(shí)，微波則會(huì)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(shí)，微波穿透微波爐外壁對(duì)周圍的物體產(chǎn)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(dāng)微波穿越這些物體是，幾乎不會(huì)被吸收。可見，微波對(duì)不同的物體體現(xiàn)出不同的加熱效果。（三）微波的信息性。相比較于低頻無(wú)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(duì)帶寬下，微波可用的頻帶非常廣，可以達(dá)到數(shù)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于低頻無(wú)線電波。因此，目前國(guó)際上所使用的現(xiàn)代多路通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)，幾乎無(wú)例外都是工作在微波波段。同時(shí)，微波信號(hào)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(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)遙感目標(biāo)的特征進(jìn)行分析。

二、復(fù)合材料的定義

復(fù)合材料（Composite materials），是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)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(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。

三、復(fù)合材料在微波工程中的應(yīng)用

（一）金紅石陶瓷一玻璃復(fù)合介質(zhì)

金紅石陶瓷結(jié)構(gòu)作為應(yīng)用的最廣泛的微波介質(zhì)正被廣泛的應(yīng)用于各種微波工程之中。金紅石陶瓷結(jié)構(gòu)本身所具有的相對(duì)介電常數(shù)大、微波插人損耗小以及溫度穩(wěn)定性好等特性也是微波工程選用此類結(jié)構(gòu)的主要因素。但是單組分金紅石陶瓷結(jié)構(gòu)本身較為疏松，其機(jī)械強(qiáng)度較差，基本上不能對(duì)其進(jìn)行機(jī)械加工，因此以前該結(jié)構(gòu)的運(yùn)用受到了很大的限制。

隨著復(fù)合材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，一種新型的可以提高金紅石陶瓷結(jié)構(gòu)致密度，同時(shí)可以改善其機(jī)械強(qiáng)度，使其能進(jìn)行機(jī)械加工的復(fù)合材料被研發(fā)出來。其基本指導(dǎo)思想如下：由于微波具有穿透性的特點(diǎn)，當(dāng)微波遇到玻璃、塑料和瓷器的物體時(shí)，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(jìn)行復(fù)合，則可以在不降低金紅石陶瓷結(jié)構(gòu)本身正常工作的情況下，提高金紅石陶瓷結(jié)構(gòu)致密度并改善其機(jī)械強(qiáng)度，其達(dá)到能進(jìn)行機(jī)械加工的目的。

首先，將CaO， B2O3和SiO2按一定比例進(jìn)行配料、球磨后，在1320℃的高溫下燒結(jié)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(jìn)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(jīng)過嚴(yán)格的工藝流程、球磨、成型以及在940℃的溫度下燒結(jié)，生成金紅石陶瓷一玻璃復(fù)合介質(zhì)。這種復(fù)合介質(zhì)既保留了金紅石陶瓷的特征，又有好的機(jī)械強(qiáng)度和硬度。這種材料的相對(duì)介電常數(shù)約為100，當(dāng)部分填充工作在米波波段的高功率微波終端時(shí)，能使高功率微波終端沿傳輸方向300mm的幾何長(zhǎng)度就能獲得約2.5m的電長(zhǎng)度，有效地縮小了體積，滿足了微波工程的實(shí)際應(yīng)用需要。

（二）鐵氧體-陶瓷復(fù)合材料。雷達(dá)作為現(xiàn)代最重要的通信工具誕生于20世紀(jì)40年代。其工作原理是：雷達(dá)發(fā)射機(jī)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(dá)天線接收此反射波，送至接收設(shè)備進(jìn)行處理，提取有關(guān)該物體的信息。

為確保雷達(dá)在某一時(shí)點(diǎn)向某一方向發(fā)射電磁波時(shí)，不會(huì)同時(shí)向其它方向發(fā)射電磁波，這就需要在發(fā)射電磁波方向的反方向具有很強(qiáng)的吸收微波作用的物質(zhì)。在雷達(dá)運(yùn)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(dá)工作時(shí)具有高磁導(dǎo)率、高電阻率、低損耗等特點(diǎn)，且成本低廉。

然而，由于錳鋅和鎳鋅都屬于金屬類產(chǎn)品，對(duì)微波具有反射作用，而影響到微波吸收率，從而干擾到雷達(dá)電波的準(zhǔn)確程度。

隨著復(fù)合材料的發(fā)展，人們逐漸意識(shí)到：如果能夠使用幾乎對(duì)微波不會(huì)產(chǎn)生任何影響的陶瓷取代傳統(tǒng)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(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。這種復(fù)合材料的微波阻抗在很寬的頻帶范圍內(nèi)幾乎不發(fā)生變化，使用這種新型材料設(shè)計(jì)制造的天線和微波類傳輸線等器材在實(shí)際應(yīng)用中都產(chǎn)生了非常好的使用效果。

（三）選擇性透波復(fù)合材料

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的綜合國(guó)力得到了顯著的增強(qiáng)。我國(guó)的航空航天事業(yè)及軍工事業(yè)也得到了非常快速的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)對(duì)于透波材料的需求，尤其是選擇性透波復(fù)合材料的需求也不斷上升。透波材料在航空航天領(lǐng)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(dāng)航空飛行器在遇到惡劣飛行氣候或是在通信環(huán)境非常惡劣的條件時(shí)，透波材料可以保證航空飛行器的通訊、遙測(cè)等系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)在運(yùn)載火箭、宇宙飛船等領(lǐng)域也有重要的作用。伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，新型的選擇性透波復(fù)合材料正成為業(yè)界所關(guān)注的重點(diǎn)。選擇性透波復(fù)合材料是對(duì)頻率選擇表面技術(shù)同復(fù)合材料相結(jié)合，從而產(chǎn)生的一種新型的材料工藝。選擇性透波復(fù)合材料對(duì)于飛行器的隱形技術(shù)有著重大的貢獻(xiàn)，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(duì)飛行器的偵查和干擾等。結(jié)論：隨著復(fù)合材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種穿透性好、透波性能好的復(fù)合材料相繼問世。由于納米材料的研制成功及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，新型功能劑不斷出現(xiàn)，，透波、吸波性能越來越高。這些都極大地提高了復(fù)合材料在微波工程中的使用范圍，增強(qiáng)了微波工程的使用效果。相信在不就的將來，復(fù)合材料在微波工程中的應(yīng)用將越來越廣泛，復(fù)合材料所起到的效果也將越來越重要。

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