一种胶板类吸波材料等效电磁参数的推演计算方法

1.本发明属于计算电磁学技术领域，具体为一种胶板类吸波材料等效电磁参数的推演计算方法。


背景技术：

2.随着现代科学技术的发展，电磁干扰现象普遍存在于人类生活的空间，其对电子设备或系统以及人体都有着不同程度的危害。在雷达吸波结构的研究中，胶板类吸波材料一直占据着重要的地位，在天线基板，航天航空应用中都有所涉及。
3.胶板类吸波材料采用六角铁氧体、金属合金超微复合颗粒、铁基片状纳米晶颗粒及磁性纤维等磁性吸收剂作为吸收介质，以具有优异耐热、耐臭氧性的氯丁橡胶，耐热和耐化学药品性的氟橡胶和耐油性好、力学性能优异的聚氨酯橡胶为基体树脂制备而成。为了使制作的胶板类吸收材料符合使用需求，设计前就需要获得胶板类吸波材料的电磁特性。如果想要在设计前就知道电磁特性，则需要知道胶板类材料的等效电磁参数，即磁导率和介电常数。
4.为了得到胶板类吸波材料的电磁参数，传统的方法是通过实验测量或者电磁仿真。实验测量需要先做出相应的胶板类吸波材料实物，再对其测量电磁参数，通过不断改变胶板类吸波材料中吸收剂的质量比，分析计算出电磁参数。此类实验费时费力，且在不断调整吸收剂质量比的过程中会浪费大量原材料。电磁仿真虽然减少了材料的浪费，但是在仿真过程中建模也比较复杂，且需要花费大量时间。所以有必要研究一种简便的方法以便我们可以快速得到胶板类吸波材料的电磁性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：提供一种胶板类吸波材料等效电磁参数的推演计算方法，以解决传统方法中制备胶板吸波材料过程中获取胶板类吸波材料电磁参数耗时长的问题。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种胶板类吸波材料等效电磁参数的推演计算方法，包括以下步骤：
8.步骤1、制备含有不同比例吸收剂的胶板样品以及相应的替代品，并分别测试出每个胶板样品的电磁参数和反射率、每个替代品的电磁参数；制备的替代品数量应大于或等于胶板样品的数量，且每个替代品中吸收剂的含量比值应小于每个胶板样品中吸收剂的比值；替代品为石蜡和吸收剂混合物；
9.步骤2、计算胶板磁导率
10.步骤2.1、分别将胶板样品中的环氧树脂和吸收剂的质量比，以及替代品中的石蜡和吸收剂的质量比均转化为体积比；
11.步骤2.2、从步骤2.1转化后的体积比中，找出吸收剂体积分数相同的胶板样品和替代品，并建立相同吸收剂体积分数下胶板样品与替代品的质量比等式；
12.步骤2.3、对比胶板样品与替代品的电磁参数，选出电磁参数最接近的一组胶板样
品与替代品，并根据该组中胶板样品的质量比与替代品的质量比求出一个特解，然后将该特解代入步骤2.2所建立质量比等式，计算得到胶板样品中吸收剂的质量分数与替代品中吸收剂的质量分数的对应关系，基于体积比一致则对应磁导率一致原理计算出胶板磁导率；
13.步骤3、计算胶板介电常数
14.根据步骤2.3得到胶板样品中吸收剂的质量分数与替代品中吸收剂的质量分数的对应关系，找到两者磁导率符合最好的一种情况；
15.将步骤1测量得到的胶板介电常数、胶板中环氧树脂的介电常数以及步骤2.1得到的吸收剂体积分数分别代入麦克斯韦加内特公式中，再利用麦克斯韦加内特公式可以得到不同吸收剂比例胶板样品的介电常数；
16.步骤4、验证步骤2计算出的胶板磁导率、步骤3计算出的胶板中吸收剂的介电常数，完成电磁参数修正
17.利用步骤2计算出的胶板磁导率、步骤3计算出的胶板中吸收剂的介电常数计算胶板反射率；并将计算结果与步骤1的测量结果进行比较，当误差小于标准误差范围时，将计算出的胶板磁导率和介电常数作为制作胶板材料电磁参数。
18.进一步的，所述步骤2.1中质量比转换为体积比是根据体积计算公式v＝m/ρ计算得到的；其中v表示体积，m表示质量，ρ表示密度。
19.本发明提供的一种胶板类吸波材料等效电磁参数的推演计算方法，是将体积比一致则对应磁导率一致理论和麦克斯韦加内特混合公式引入胶板类吸波材料的电磁参数计算中，结合反射率计算公式，根据求出的相对应替代品的磁导率，并用麦克斯韦加内特混合公式计算出胶板样品介电常数，快速得到对应胶板类吸波材料的电磁参数。由于石蜡和吸收剂混合的替代品制作周期比胶板制作周期更短，省去了制作胶板的流程，从而解决了现有技术中制备胶板吸波材料过程中获取胶板类吸波材料电磁参数耗时长的问题。
20.与传统的方法相比，本发明提供的方法耗时短、减少了原材料的浪费。
附图说明
21.图1为本发明方法的示意流程图；
22.图2为实施例lp9和混合石蜡(8：1)的电磁参数；
23.图3为实施例测出的固化树脂的介电常数和反解出的羰基铁介电常数；
24.图4为实施例计算出的胶板反射率和测试反射率的对比。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
26.本发明提供的一种胶板类吸波材料等效电磁参数的推演计算方法，流程如图1所示，包括以下步骤：
27.步骤1、制备含有不同比例吸收剂的胶板样品以及对应的替代品，并分别测试出每个胶板样品的电磁参数和反射率、每个替代品的电磁参数；制备的替代品数量应大于或等于胶板样品的数量，且每个替代品内吸收剂的含量比值应小于其对应每个胶板中吸收剂的
比值。本实施例吸收剂选用羰基铁粉；为计算方便，按照每个替代品内吸收剂的含量比值比其对应胶板中吸收剂占有比值小于1。由于石蜡成本低，且与胶板的密度更加接近，本实施例替代品优选石蜡与羰基铁粉混合。所制备的胶板样品中羰基铁粉和环氧树脂比例、替代品中羰基铁粉和石蜡比例如下表：
28.胶板对应石蜡混合6：1(lp6)5：17：1(lp7)6：18：1(lp8)7：19：1(lp9)8：110：1(lp10)9：111：1(lp11)10：112：1(lp12)11：1
29.步骤2、计算胶板磁导率
30.步骤2.1、分别将胶板样品中的羰基铁粉和环氧树脂的质量比、替代品中的羰基铁粉和石蜡的质量比转化为体积比。具体为：
31.羰基铁粉的密度为7.86g/cm3，石蜡的密度为0.9g/cm3，固化环氧树脂的密度为1.1～1.25g/cm3。然后根据体积计算公式是v＝m/ρ计算出各自对应的体积，公式中v表示体积，m表示质量，ρ表示密度。
32.步骤2.2、通过建立方程求解，设胶板和替代品中两者的羰基铁粉的体积分数相等。
33.因为在胶板的制作中，环氧树脂会反应型固化或催化型固化，这种两种固化都是加成反应，会增加官能团，即固化后会增加反应物的质量。因此，在建立相同吸收剂体积分数下胶板样品与替代品的质量比等式时，将反应物增加的质量设为b，假设替代品中石蜡中羰基铁粉和石蜡的质量分数比为t：1，胶板样品中羰基铁粉和环氧树脂的体积分数比为k：(1+b)。设混合石蜡与胶板每份的质量分布为m、n；树脂固化后密度设为x，则建立相同羰基铁体积分数下胶板样品与替代品的质量比等式为：
[0034][0035]
对式(1)进行简化得到：
[0036][0037]
步骤2.3、将胶板样品与替代品的电磁参数进行比对，通过对比发现胶板样品lp9和混合石蜡(8：1)的磁导率对应几乎一致(如图2所示)，因此，本实施中根据这一组胶板样品质量比与替代品质量比求出唯一特解：
[0038]
再将该特解代入步骤1中的表格中，计算得到胶板样品中吸收剂的质量分数与替代品中吸收剂的质量分数的对应关系，可以得到对应石蜡混合的比例；然后基于体积比一致则对应磁导率一致原理计算出胶板磁导率。
[0039]
胶板对应石蜡混合6：1(lp6)5.3：17：1(lp7)6.2：18：1(lp8)7.1：19：1(lp9)8：110：1(lp10)8.9：111：1(lp11)9.8：112：1(lp12)10.67：1
[0040]
通过反复试验比对发现，胶板(环氧树脂和吸收剂混合)和替代品(石蜡和吸收剂混合)的反射率差异，发现反射率也有较大的差异。为了滤除介电常数的影响，采用胶板的介电常数和相应体积比石蜡混合的磁导率计算得出的反射率曲线，与对应胶板的反射率曲线大致重合。于是需要找寻其他简便方法得到胶板相应的介电常数。
[0041]
步骤3、计算胶板介电常数
[0042]
由于影响反射率的因素包含了磁导率和介电常数，为消除介电常数的影响，本实施例利用麦克斯韦加内特公式来计算介电常数。麦克斯韦加内特公式：
[0043][0044]
(3)式中ε
eff
表示胶板的介电常数；εe表示环氧树脂的介电常数；f表示羰基铁粉的体积分数；εi表示羰基铁粉的介电常数。
[0045]
具体的：
[0046]
根据步骤2.3得到胶板样品中吸收剂的质量分数与替代品中吸收剂的质量分数的对应关系，找到两者磁导率符合最好的一种情况，即胶板样品lp9与混合石蜡(8：1)。通过找到的胶板样品lp9与混合石蜡(8：1)可以计算出吸收剂羰基铁的体积分数。
[0047]
将步骤1测量得到的胶板介电常数、再测量得到的环氧树脂的介电常数和计算出的吸收剂羰基铁的体积分数分别代入麦克斯韦加内特公式中，反解出了胶板样品lp9中的羰基铁介电常数，(如图3所示)。最后再依据体积比计算出胶板的介电常数。
[0048]
为了说明本发明的方法的可行性，本实施例对步骤2计算出的胶板磁导率、步骤3计算出的胶板中吸收剂的介电常数进行了验证：
[0049]
根据步骤2得到的胶板磁导率和步骤3得到的胶板介电常数，计算出胶板反射率；然后将其与步骤1测试得到的胶板反射率数据进行对比。发现两者虽然在峰值大小上有所差距，但差距在误差标准范围内。
[0050]
除上述胶板样品外，本实施例还选取了胶板样品lp6、lp7、lp12按照本发明方法分别计算出他们的反射率，再和各自测试的胶板样品反射率数据进行对比，对比结果如图4所示，误差均小于标准误差范围。由此可见，本发明提供的一种胶板类吸波材料等效电磁参数的推演计算方法可行。