磁性石墨烯應用在吸波塗層_塗料 (#59)*規劃中

02-03

2015-8-5

前面 87篇文章分別從實務及理論來探討石墨烯的神奇功效，接下來就來講講我在石墨烯應用技術開發的思考邏輯，這需要後續實際案例來驗證，所以，每篇文章都會隨時更新執行進度，讓更多讀者能充分了解其中奧妙。

項目需求﹕開發一款石墨烯紅外線吸波塗料。

思考邏輯﹕1. 吸波有別於屏蔽，屏蔽取決於表面反射損耗，而吸收系將干擾源產生的電磁波輻射能量轉化成熱能而消耗掉﹔

2. 以現有石墨烯的特性達標，不另以表面等離子體等方式來增加工序及成本﹔

3. 單一的電損耗材料不能滿足寬頻帶、高吸收的要求。故對石墨烯進行改質以改善磁導率，可望成為電磁損耗材料。

基本原理﹕

nn 依據反射損耗公式

R = 20 log |(Zin – Zo)／(Zin + Zo)|

Zin與相對磁導率和相對介電常數有關，Z= μ／ε。R 絕對值大就說明吸收性能好。R 是材料的反射損耗值，它包括了（1）材料表面的反射，即阻抗不匹配的反射；（2）入射材料內部的電磁波沒有被損耗的反射。吸波性再好的材料也不可能達到阻抗完全匹配的，即 Zin和 Zo不可能相等。吸波塗層要吸收電磁波必須滿足阻抗匹配條件和衰減條件，滿足阻抗匹配條件就是要求在整個頻率範圍內介電常數與磁導率相等，但是這實際上難以做到。也可以通過幾何形狀過渡的方法獲得良好的匹配或吸收。另外，吸波設計既要考慮阻抗匹配，減少電磁波在入射界面的反射，又要考慮加強對已進入介質的電磁波的吸收，避免電磁波再次反射回來。也就是說衰減條件對電磁參數的要求與匹配條件要求的電磁參數情況不同。若是介電常數與磁導率相等了，雖然滿足了匹配但是無法滿足衰減要求，吸收很少，反射率照樣會很高。衰減條件要求介電常數和磁導率大小不同。吸波體的設計就是要在這兩個條件要求下尋求最合理的組合。

吸波材料的反射率說白了就和材料的阻抗有關係，而影響阻抗的恰恰就是頻率、介電常數、介電損耗、磁導率、磁損耗、厚度。一般情況下，材料的電磁參數一定，可以調節厚度來改變材料的反射率。當厚度一定時就要對材料進行設計，調節材料的電磁性能來改變材料的反射率。一般情況下，厚度大，材料吸波峰值出現在低頻，同時吸收帶寬變窄。此外，吸波材料最好能夠結合具體的項目指標，了解項目要求的各個頻段的反射率，進行電磁參數和匹配厚度的設計。現有的低反射、高吸收電磁吸波材料是一種能夠將大部分電磁能吸收，而反射很少的一種新型電磁吸波材料。這類材料，目前是吸波材料界的難點，因為很難找到一種單一的材料，國內外關於這方面的研究報導很少，其研究更多的借鑒了電磁屏蔽吸波材料的設計方法。低反射、高吸收電磁吸波材料的設計主要集中在兩個問題上，一個是吸波材料的選擇，另一個在於設計方式。低反射、高吸收吸波材料的選擇應當遵循以下原則﹕設計吸波材料的關鍵因素之一是提高材料的電磁損耗，使電磁波能量轉化為熱能或其他形式的能，從而電磁波在介質中被最大限度地吸收。

電磁波入射到介質表面能最大限度地透入介質進而被吸收。而要增加介質的吸波效能，必須提高電導率和磁導率，增加極化「摩擦」和磁化「摩擦」，同時要滿足阻抗匹配條件。對單一組元吸收介質，阻抗匹配和強吸收很難同時滿足，只有將多元材料複合，使電磁參數可調，才能在儘可能滿足匹配條件下提高材料吸收損耗能力。儘管提高介質電導率是增大損耗的重要手段 (電導率大，電阻型損耗大)，但當電導率到達金屬所具有的電導率時，反射係數接近於 1，將難以匹配。研究設計吸波材料，時必須綜合考慮電磁損耗和阻抗匹配二種因素。

吸波材料設計考慮因素具有三個基本條件：(1)當電磁波進入材料第一介面反射量減少，即設計時要考慮自由空間與材質波阻抗匹配特性；(2)當電磁波進入材料內部於內部進行傳播，能迅速將能量衰減即考慮其衰減電磁波能量之特性，此部份與材料的電磁參數損耗項 μ、ε 有關；(3)利用吸波片厚度為四分之一波長時，使入射波與反射波產生異相干涉行為，使反射量盡量減小，此部份與材料本質特性阻抗與厚度有關。而損耗的機制可分為三類﹕一是與材料電導率有關的電阻型損耗，電導率越大，越有利於電磁能轉變為熱能﹔二是與電極化有關的介電損耗 (反覆極化的「摩擦」作用)﹔三是與動態磁化過程有關的磁損耗 (反覆磁化的「摩擦」作用)。設計吸波材料時需要綜合考慮以上多種損耗，除了要儘可能提高損耗外，還要考慮另一關鍵因素即波阻抗匹配問題，使介質表面對電磁波反射係數為 0。

多元複合能將電阻型損耗、介電損耗、磁損耗有效地結合，而且可以設計出組分及電磁參數可調、阻抗漸變利於波阻抗匹配和吸收的梯度功能吸波材料。同時，某些納米材料由於具有特殊電、磁、旋光性能和單疇結構，吸收性能遠高於常規材料，有些納米物質具有微波紅外吸收兼容和吸收頻帶加寬的特性，因此選擇納米相與聚合物進行多元複合設計並利用他們的優良性能及協同效應製造吸波材料具有廣闊的應用前景。用磁性粉末配合技術配方製備而成的磁性薄片狀吸波材料將是我們使用磁性石墨烯應用在吸波塗層的首次嘗試。

nn學者過去以 PAN聚合液分別加入 Fe、納米Fe及FeC2O4-2H20經熱處理成磁性石墨烯復材，在塗層厚度達 2.5 mm時最小反射損耗值 R 最佳可以達到n-46 dB，遠高於 R <n-10 dB的水平。最後，我查到文獻指出薄膜的介電常數與熱傳導係數往往呈反比關係。吸波塗層最希望是透明及塗布厚度薄，我們已經開發出透明導電膜確定其導熱性也很好，且透光性佳 (即反射率低)，若再結合磁性石墨烯就如虎添翼了。這裡再回顧上面的反射損耗公式，反射損耗值 R 大就是 Zo要小，而 Zo= μo／εo就表示 εo要大，亦即介電常數越大越好，這跟我們所期望的結果相同 (介電常數是指物質保持電荷的能力，損耗因數是指由於物質的分散程度使能量損失的大小。理想的吸波物質的兩項參數值較大)。通常，介電常數大於 3.6的物質為極性物質；介電常數在 2.8~3.6範圍內的物質為弱極性物質；介電常數小於 2.8為非極性物質。