咪唑类离子液体吸波性能及超宽带吸波器构建与机理研究

论文摘要

近些年,随着电子信息技术的飞速发展,电磁辐射问题日益严峻,已成为继大气污染、水污染和噪声污染之外的新型环境污染,对电子设备、人类健康和国防军事设施等方面构成了极大威胁。电磁波吸收材料,通过将电磁能量转化为热能以及其它形式的能量消耗掉或者利用电磁波干涉而相互抵消的一种材料,能够在很大程度上防护电磁污染以及军事设施探测等问题。基于国防和电磁防护的巨大需求,开发具有“性能强、频带宽、厚度薄、质量轻”的高性能吸波材料成为各国的研究热点和迫在眉睫的问题。然而,现有的、单一的材料难以满足应用环境的苛刻要求。人们主要通过不同损耗机制的传统吸波材料组合及探索新材料和新结构的方式,发掘综合性能更为优秀的新型吸波材料。本文将新型软功能材料—离子液体应用于吸波材料领域,构建超宽带吸波器,并揭示其吸波机理。主要的工作概括如下几个方面:第一,研究了咪唑类离子液体介电特性及与影响因素之间的关系。搭建开口同轴测试系统,在1-14 GHz频段范围内研究了[BMIm]+和[EMIm]+咪唑类离子液体介电特性及与阴阳离子、链长、温度和不同离子液体构成的二元混合体系之间的关系,并进行理论分析。研究发现,咪唑类离子液体介电特性具有相对较小实部和较大的介电损耗角,具有较好的电磁阻抗匹配和较高介电损耗,为其应用吸波领域提供理论依据。随着阳离子链长和阴离子对称性增加,离子液体介电特性实部和虚部均会减小。环境温度的增加会导致介电特性的增大。不同离子液体构成的二元混合体系可以调制介电特性。第二,研究咪唑类离子液体吸波性能及与影响因素之间的关系。基于介电数据和单层匀质金属背板模型,研究离子液体吸波性能与阴阳离子种类、温度和涂层厚度之间的关系,并通过阻抗匹配理论和介质损耗机制揭示其吸波机理。研究结果表明,离子液体具有较好吸波特性,如[BMIm][OTf]在7.7 GHz峰值频率处的最小反射损耗可达-33.1 dB。当涂层厚度为4 mm时离子液体吸波频段主要集中在6-12 GHz,随着阳离子链长减小、温度升高和涂层厚度增加,其吸收峰值频率向低频区移动。深入分析损耗机理发现,在低频区域电导损耗占主导作用,随着频率的不断增加极化损耗逐渐成为主导。第三,构建并研究一种基于离子液体的极化不敏感、宽入射角、超宽带吸波器。提出通过引入顶层匹配介质构成多层吸波结构拓展吸波带宽的方法。建立理论分析模型,研究离子液体种类、几何参数、极化模式和入射角等参数对吸波器吸波性能的影响规律。利用自由空间法实验测得吸波器吸收频率范围为9.26-50GHz,相对吸收带宽达136.4%,且具有极化不敏感、大入射角和温度稳定性好等优点。通过对吸收峰频率处的电磁参数分布、阻抗匹配和单元介电损耗进行分析,研究该类型吸波器吸波机理。第四,构建并研究基于离子液体的重力可调型超宽带吸波器。提出利用重力改变吸波器中离子液体形状调制吸波性能的方法。通过实验和理论分析旋转角度、极化模式和环境温度对吸波器吸波性能的调控规律。研究发现,通过旋转角可实现对吸波器性能大幅度调控。该吸波器对TE和TM模式电磁波吸收效果不同,同时在两种模式下均具有较好调制作用和温度稳定性。阻抗匹配和峰值频率处电磁参数分析发现,不同旋转角度的吸波器具有不同的阻抗匹配特性和电磁谐振规律,进而实现对吸波性能的调控。综合上述研究结果可知,充分利用离子液体具有电导和介电极化复合损耗机制,可将其应用于吸波领域,并在X波段和C波段表现出优秀的吸波性能。同时,离子液体吸波材料性能可依据阴阳离子、链长、温度、厚度和二元混合体系等手段进行灵活设计和调控。通过设计单元结构,可以构建基于离子液体的超宽带吸波材料与器件,为吸波材料设计和实现提供了新的思路与方法。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究的背景及意义
•   1.2 电磁吸波材料设计的关键要素
•   1.3 电磁吸波材料的研究进展
•     1.3.1 吸波材料发展历程
•     1.3.2 典型吸波材料概述
•   1.4 电磁吸波材料的结构优化
•     1.4.1 单层匀质吸波结构
•     1.4.2 复杂结构吸波材料
•     1.4.3 吸波材料微结构设计
•   1.5 本文的主要工作与创新点
•     1.5.1 本文的主要工作
•     1.5.2 本文的创新点
• 第二章 离子液体概述
•   2.1 离子液体简介
•   2.2 离子液体的分类
•   2.3 离子液体的物理化学性质
•     2.3.1 离子液体熔点及热稳定性
•     2.3.2 离子液体的粘度
•     2.3.3 离子液体的电导率
•     2.3.4 离子液体的透光率
•   2.4 离子液体在光电媒质领域中的应用
• 第三章 超材料吸波器
•   3.1 电磁超材料
•   3.2 超材料电磁吸波器
•     3.2.1 任意极化超材料吸波器
•     3.2.2 多频吸收特性超材料吸波器
•     3.2.3 宽带超材料吸波器
•     3.2.4 可弯曲的超材料吸波器
•   3.3 超材料吸波特性
• 第四章 离子液体介电特性及吸波性能研究
•   4.1 介电特性理论基础
•   4.2 实验部分
•     4.2.1 咪唑类离子液体选择及除水处理
•     4.2.2 测试方法及实验系统搭建
•   4.3 实验结果与讨论
•     4.3.1 介电特性与阴离子组成和对称性之间的关系
•     4.3.2 介电特性与阳离子链长之间的关系
•     4.3.3 介电特性与环境温度之间的关系
•     4.3.4 离子液体介电损耗机制
•     4.3.5 离子液体二元混合体系对介电特性调控
•   4.4 咪唑类离子液体吸波性能研究
•     4.4.1 阴阳离子种类对离子液体吸波性能影响
•     4.4.2 离子液体涂层厚度和环境温度对吸波性能影响
•   4.5 本章小结
• 第五章 基于咪唑类离子液体超宽带吸波器的研究
•   5.1 液态超宽带吸波器概述
•   5.2 基于匹配介质的单元结构设计
•   5.3 数值分析
•     5.3.1 0.5-50GHz离子液体介电特性测试
•     5.3.2 离子液体种类对吸波器吸波性能的影响
•     5.3.3 单元结构参数对吸波器性能的影响
•     5.3.4 吸波器稳定性分析
•   5.4 基于离子液体超宽带吸波器吸波机理研究
•   5.5 实验结果与分析
•   5.6 本章小节
• 第六章 基于咪唑类离子液体重力可调型超宽带吸波器的研究..
•   6.1 可调超材料吸波器工作原理
•   6.2 重力可调型吸波器单元结构设计
•   6.3 重力可调型吸波器数值分析
•     6.3.1 旋转角和极化对可调吸波器吸波性能的影响
•     6.3.2 环境温度对可调吸波器吸波性能的影响
•   6.4 实验结果及分析
•   6.5 重力可调吸波器机理研究
•   6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
•   7.1 本文的主要研究结论
•   7.2 后续的研究工作展望
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杨富龙

导师: 张晓萍

关键词: 吸波材料,离子液体,超材料吸波器,宽带吸收

来源: 兰州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,材料科学

单位: 兰州大学

分类号: TB34;O441

总页数: 119

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