吸波材料

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吸波材料范文第1篇

【关键词】吸波材料 电磁兼容 手机 杂散辐射

1 引言

随着电子技术的飞速发展,电子产品正迅速向节能化、智能化、信息化、多系统、多功能及娱乐性等多元化方向发展。这些拥有各种个性化娱乐功能的电子产品的普及,在很大程度上丰富了人们的物质生活需要;但与此同时,也不可避免地带来了一些问题,尤其是电磁兼容(EMC)问题。电磁兼容问题的存在,往往使电子、电气设备或系统不能正常工作,性能降低,甚至受到损坏。为解决这些问题,全球各地区基本都设置了与电磁兼容相关的市场准入认证,用以保护本地区的电磁环境,如:北美的FCC、NEBC认证,欧盟的CE认证,日本的VCCEI认证,澳洲的C-TICK认证,台湾地区的BSMI认证,中国的3C认证等。

此外,由于消费类电子产品集成的功能越来越多,以手机为例,目前市场上一部智能手机,往往同时集成有GSM移动通信、蓝牙、Wi-Fi、摄像头等,另外还具有MP3、MP4等多媒体功能,这使得手机的工作频率越来越高,系统内部各个子模块之间的互相干扰也变得很突出。因此,电子产品内各子系统之间的电磁兼容设计问题也更加突出,在一定程度上增加了电子产品设计的难度。

鉴于此,如何有效地解决电子产品的电磁兼容问题,为产品赢得市场机会,成为每一个电子产品设计工程师必须予以足够重视的问题。而由于目前消费类电子产品的便携化、小巧化、多通信系统融合及智能化等趋势,使得在进行电子产品电磁兼容设计时,一些传统的设计方法无法应用,比如:使用全封闭的金属外壳,各子系统之间保证足够的距离,产品内使用屏蔽罩等。因此,必须采用一些新型的电磁兼容设计方法和材料。其中,吸波材料作为一种新型的屏蔽材料,具有“轻、薄”特征的产品已经面世,使得在手机产品的电磁兼容设计中应用吸波材料作为屏蔽材料成为可能。

2 吸波材料

2.1 介绍

所谓吸波材料,是指能够将投射到它表面的电磁波大部分吸收并转化成其他形式的能量(主要是热能)而几乎无反射的材料[1]。

对于吸波材料的研究,起初是为适应现代战争的需要――20世纪40年代,由于雷达的面世,引发了对于吸波材料的研究。1950年代,美国开始把吸波材料用于隐形飞机技术中,海湾战争F117隐形飞机的成功使用,使世界各国加大了对吸波材料研究的力度。随着技术的发展,由于在民用领域电磁兼容问题日益严重,吸波材料的应用与研究已远远超出军事应用范围,而更广泛地用于微波暗室、电磁屏蔽、降低光学器件反射、避免通讯设备干扰、建筑防辐、消除电视重影等许多方面[2]。

2.2 基本原理

设材料的介电常数和磁导率分别为εr和μr,自由空间的介电常数和磁导率分别为ε0和μ0。入射电磁波从自由空间照射在吸波材料上时(如图1),依据Maxwell方程及边界条件可知,当电磁波垂直入射时,材料界面的复反射系数为[1]:

R=(ZM-Z0)/(ZM+Z0) (1)

其中,ZM和Z0分别为吸波材料和自由空间的阻抗。

式中:εr'、μr'分别为吸波材料在电场和磁场作用下产生的极化和磁化程度的变量;εr"为在外加电场下,材料电偶矩产生重排引起损耗的量度;μr"为在外加磁场作用下,材料磁偶矩产生重排引起损耗的量度。由此可见,对介质而言,承担着电磁波吸波功能的是介电常数和磁导率的虚部εr"和μr",它们引起能量的损耗。

吸波材料对电磁波能量的吸收,可以由下式来表示[3]:

式中:

P[W/m3]:单位体积吸波材料所吸收的电磁能量;

E[V/m]:入射电磁波的电场强度;

H[A/m]:入射电磁波的磁场强度;

σ[S/m]:材料的电导率;

ω[sec-1]:电磁波的角速度,ω=2πf,f是电磁波的频率;

ε0[F/m]:真空的介电常数,8.854×10-12F/m;

εr:材料的复介电常数;

μ0[A/m]:真空的磁导率,1.2566×10-6A/m;

μr:材料的复磁导率。

为使吸波材料实现吸收电磁波的功能,首先必须能够使电磁波不反射,必须使得电磁波在材料界面的复反射系数为R=0,亦即要求ZM=Z0,即吸波材料必须满足阻抗匹配的条件。如电磁波是由自由空间入射到吸波材料,自由空间的阻抗是Z0=377Ω,那么,此时要求吸波材料的阻抗必须为ZM=Z0=377Ω。

此外,电磁波在入射到吸波材料内后,还必须能够在一定的距离内被衰减掉。电磁波在介质内传播时,其能量的衰减与传输距离x呈指数关系:Ploss=e-αx。α是吸波材料的衰减常数,可以由下式表示[4]:

α=-(μ0ε0)1/2ω(a2+b2)1/4sin[(1/2)tan-1(-a/b)] (7)

其中,a=(εr'μr'-εr"μr"),b=(εr'μr"-εr"μr')。

由式(7)可以看出,要在较短的距离内实现很大的衰减,α必须很大,也就是说,εr'、εr"、μr'及μr"必须很大。这是吸波材料实现吸收电磁波功能所必须满足的另外一个条件,即吸波材料必须满足衰减匹配。

然而,我们发现,实际上这两个条件是相互矛盾的:要满足衰减匹配的要求,εr'、εr"、μr'及μr"必须很大,而这又会导致反射系数变大。因此,在实际设计时,往往会采用多层吸波材料或阻抗渐变的吸波材料。

综上所述,吸波材料要实现吸收电磁波的功能,必须满足阻抗匹配及衰减匹配这两个条件;且在设计时,必须采用一些方法来解决阻抗匹配与衰减匹配之间的矛盾。吸波材料对电磁波的吸收能力,取决于材料的电导率、介电损耗及磁损耗,介电损耗取决于复介电常数的虚数部分,对电场起作用;而磁损耗由复磁导率的虚数部分决定,作用于磁场。因此,可以利用微波吸波材料的介电损耗来吸收电磁波的电场部分,这种类型的吸波材料称为介电型吸波材料。在使用介电型吸波材料时,如果应用在距离射频电路很近的位置,会存在导致电路短路的风险。填充物是特殊的铁及铁氧体之类的磁性材料,被称为磁性吸波材料,这些材料对于直流来说是绝缘的,因此可以以直接接触的方式应用于内部电路。

2.3 分类

吸波材料有许多分类方法,一般来讲,主要有以下几种[2]:

(1)按损耗机理,可分为介电型吸波材料和磁性吸波材料。介电型吸波材料的主要特点是具有较高的介电常数和介电损耗角,以介质的电子极化或界面衰减来吸收电磁波。磁性吸波材料损耗机理主要为铁磁共振吸收,具有较大的磁损耗角,以涡流损耗、磁滞损耗、剩余损耗衰减来吸收电磁波。

(2)按成型工艺和承载能力,可分为涂覆型和结构型。涂覆型吸波材料是具有电磁波吸收功能的涂料,其工艺简单,使用方便,因容易调节而受到重视,隐形兵器几乎都是用了涂覆型吸波材料。结构型吸波材料具有承载和吸波的双重功能,其结构形式有蜂窝状、角锥状和波纹状等。

(3)按吸收原理,可分为吸收型和干涉型。吸收型吸波材料本身对雷达波进行吸收损耗,基本类型有复磁导率与复介电常数基本相等的吸收体、阻抗渐变“宽频”吸收体和衰减表面电流的薄层吸收体;干涉型则是利用吸波层表面和底层两列反射波的振幅相等、相位相反进行干涉相消,如1/4波长“谐振”吸收体,这类材料的缺点是吸收频带较窄。

(4)按研究时期,可分为传统吸波材料和新型吸波材料。铁氧体、钛酸钡、金属微粉、石墨、碳化硅、导电纤维等属于传统吸波材料,它们通常都具有吸收频带窄、密度大等缺点。其中铁氧体吸波材料和金属微粉吸波材料研究较多,性能也较好。新型吸波材料包括纳米材料、手性材料、导电高聚物、多晶铁纤维及电路模拟吸波材料等,它们具有不同于传统吸波材料的吸波机理。其中纳米材料和多晶铁纤维是众多新型吸波材料中性能最好的两种。

其中,如前所述,铁氧体等磁性吸波材料,由于在直流工作时具有不导电的特性,因此可以直接贴附于发出干扰的电路上,这一特性使得磁性吸波材料很适合在手机等对产品尺寸要求较高的消费类电子产品中应用。

3 吸波材料在手机电磁兼容设计中的应用

手机在工作时,会不断往外发射电磁波,最大功率可以达到2w,这对周围环境的影响是很大的。比如,在手机通话的过程中,如果与固定电话距离较近,且固定电话也在通话,那么,我们经常会在固定电话的手柄中听到“滋滋滋”的声音,非常刺耳,这就是典型的手机对固定电话的干扰现象。因此,为避免手机在工作时对周围环境的干扰,必须对手机工作时的一些不必要的辐射(spurious emission)进行限制。国际上对此有严格的限制,其中与手机相关的国际规范(3GPP TS 51.010-1 V9.0.1(2010-02))对此的规定如表1所示[5]:

在处理手机的杂散辐射时,常用的措施有滤波、屏蔽等,而在某些特殊的情形下,吸波材料的应用也是一个很好的解决办法。下文通过一个典型案例,阐述吸波材料在解决手机杂散辐射问题时的应用。

在本案例中,手机在耦合杂散辐射性能上不能满足上述规范的要求,主要的问题为:在手机各个频段反射的二次谐波处,超出限制值。测试数据如表2所示:

从上述原始数据来看,手机在各频段的二次、三次谐波点处超出了3GPP规范的要求,并且最大超出了23.53dBm。

而手机在传导测试时,各频段的二次、三次谐波性能正常,完全满足规范的要求,如表3所示:

因此,需要进一步查找其他的原因。经排查发现,手机中内置的GPS天线与该项测试有着明显的相关性:当去除GPS天线时,测试结果一切正常,能够完全满足规范要求;而在安装上GPS天线后,测试结果大大恶化。然而,在进行此项测试时,GPS部分功能是完全处于关断状态的,所以,手机在耦合状态下所测试到的二次、三次谐波处的杂散辐射,应不是由GPS天线本身辐射出来的。经仔细观察,发现GPS天线与手机天线位置相对,处于手机主板的两端,GPS天线背面有一个大的金属地平面,且与手机天线相距62mm。因此,怀疑是这块金属地平面形成了一个反射面,将手机天线发射出的电磁波反射回去,从而形成了能量的叠加,恶化了二次、三次谐波处的杂散辐射性能(如图3所示)。作为一种解决对策,在GPS天线背面的金属平面处粘贴一铁氧体吸波材料,重新进行此项测试,结果得到了很大的改善,如表4所示。

由表4可以看出,在GPS天线背面的金属平面上粘贴吸波材料后,确实起到了吸收电磁波、减少反射的作用,从而改善了耦合二次、三次谐波辐射性能。

4 总结

近年来,随着民用产品电磁兼容设计需求的不断增多,吸波材料的应用场合已经远远超出最初的军事领域,不断向民用方向发展。同时,适合于民用产品如手机的电磁兼容设计等应用的产品也不断被开发出来。从上述实例可以看出,吸波材料在解决手机产品的电磁兼容设计问题时是很有效的。随着电子产品的小型化、多功能化、数字化发展以及工作频率的不断提升,吸波材料,尤其是具有不导电性能的铁氧体吸波材料,在这些产品的电磁兼容设计方面,将可发挥越来越大的作用。

参考文献

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吸波材料范文第2篇

关键词：混杂纤维；隐身复合材料；力W性能；吸波性能

中图分类号：TQ327.3 文献标志码：A Development in the Research of Hybrid Fiber Reinforced Structural Absorbing Composites

Abstract： Hybrid fiber reinforced structural absorbing composites have been used in many stealth applications thanks to their excellent electromagnetic wave absorption and mechanical properties. The article analyzed the mechanism of interaction between electromagnetic wave and stealthy material， made clear the principle for designing such materials and investigated the influence of carbon fiber orientation， hybrid ratio and hybrid structure on the electromagnetic weave absorption and mechanical properties of the materials. It also pointed out some shortcomings to be improved， hoping to offer certain reference to the structural design of such composite materials.

Key words： hybrid fibers； absorbing composites； mechanical property； electromagnetic wave absorption

1 武器系统隐身材料的发展概况

随着雷达探测技术和精确制导武器的发展，作为现代战争标志的各类作战飞机、导弹等武器的生存能力受到严重威胁。隐身技术作为提高现代武器系统生存和纵深打击能力的有效手段，受到世界各军事强国的高度重视，并且投入大量人力和物力进行研究。

武器系统的隐身可以通过外形设计和使用隐身材料来实现。外形隐身技术难度较大，成本较高，而且容易使目标的结构性能劣化；而采用隐身材料技术相对简单，设计难度较低，所以隐身材料的研发和应用成为隐身技术发展的关键。隐身材料（或吸波材料）按照承载能力和成型工艺，可以分为结构型和涂敷型两大类。涂覆型隐身材料虽然具有价格便宜、工艺过程简单等特点，但大多存在吸波频带窄、易脱落、涂层厚、密度大、不耐高温等缺点，越来越难以满足现代隐身材料“宽、薄、轻、强”的需求。结构隐身材料是在先进复合材料基础上发展起来的结构-隐身一体化复合材料，既能承载又能隐身，还可以成型各种复杂形状的部件，如机翼、尾翼、进气道等，具有涂敷材料无法比拟的优点。其中，混杂纤维复合材料不但可以做到不同纤维间性能的取长补短、匹配协调，使之具有优异的力学性能，而且在隐身性能上可以通过纤维间的混杂排布和编织，使材料表面输入波阻抗和自由空间波阻抗匹配，减少入射波的反射，是一种典型的结构-隐身一体化复合材料，是当代隐身材料发展的重要方向，对新一代高性能武器系统的发展具有重要意义。

碳纤维复合材料因具有高比强度、比刚度以及质轻等优点而成为航空航天领域的应用热点，但碳纤维（CF）延伸率较低，抗冲击性能和断裂韧性较差，且连续的CF是雷达的强反射体。为了避免这些缺陷，充分发挥其优势，国内外研究人员采用CF与其它高性能纤维混杂的方式制备了吸波性能和力学性能优异的混杂纤维增强结构隐身复合材料（Hybrid fiber reinforced structural absorbing composites，HFRSACs）。本文就HFRSACs的应用现状、设计原理、影响因素进行了分析总结，并对HFRSACs的发展趋势进行了展望。

2 HFRSACs的应用现状

国外CF结构隐身材料已迈入应用阶段。如美国F-117先进隐身战斗轰炸机，采用了大量的对雷达波反射较小的硼纤维和CF混杂的复合材料，主要用在主翼前缘、发动机四周、前部机身及垂直尾翼等部位。F-117隐身战斗机在1991年的海湾战争中出动了1 000多架次无一受损。B-2隐身战略轰炸机上采用了非圆形特种CF与玻璃纤维（GF）混杂编织的三向织物增强复合材料，这种材料就像微波暗室结构一样，有很多微小的角锥，具有良好的吸波性能。B-2隐身轰炸机从美国本土长途奔袭到科索沃执行轰炸任务却未受丝毫威胁。先进巡航导弹以及YF-22、YF-23、F-22战斗机上均大量采用了CF、CF/芳纶或CF/GF混杂作为增强材料的HFRSACs。西欧联合研制的20世纪90年代主力战斗机EFA也大量采用CF、对位芳纶（以杜邦的Kevlar？为例）以及其它纤维增强的热固性聚酰亚胺和热塑性复合材料作为HFRSACs。法国Alcole公司采用GF、CF和芳酰胺纤维混杂复合材料制造出无人驾驶隐身飞机。

3 HFRSACs设计原理

HFRSACs设计需要兼顾力学和隐身性能的双重需求。混杂复合材料力学性能的设计相对成熟，因此本文主要探讨隐身性能的设计原理。雷达波遇到隐身材料，在界面上会发生反射和折射，部分雷达波进入隐身材料内部被吸收，部分反射回空间。对自由空间中的平板材料，其反射系数R与材料等效阻抗ZL有如下关系：

式（1）中：Z0= u0/e0 ，Z0= u1/e1，其中e、u分e为材料的介电常数和磁导率。

为了使雷达波不被反射，反射系数必须为 0，即ZL=Z0，也就是u1=e1，即隐身材料的介电常数和磁导率相等。但在实际应用中还没有发现能满足此条件的隐身材料，单一的吸波材料和单层材料设计很难满足理论要求。因此，HFRSACs一般设计成多层或复合多种纤维以达到较好的匹配以及最大限度地吸收电磁波。

根据上述分析可知，雷达波隐身材料能吸收电磁波有两个条件：第一，电磁波入射到材料表面时，能够最大限度地进入隐身材料内部，以减少电磁波的反射，即隐身材料的电磁匹配特性要好；第二，当电磁波进入隐身材料内部时，能迅速地被衰减掉，即电磁损耗要大。因此，HFRSACs一般由透波层和吸波层组成，透波层首先让电磁波最大限度地进入隐身材料内部，吸波层通过各种损耗机制将进入隐身材料内部的电磁波转化为热能或其它形式的能量耗散失掉。其中，透波层（表层）一般由介电透射特性优异的纤维，如Kevlar？-49纤维、GF、碳化硅纤维、硼纤维等增强低介电损耗树脂基体制作；吸波层（中间层）一般由电阻损耗吸收型的CF和树脂制作。目前，HFRSACs混杂方式主要有以下 3种 ―― 层间混杂、层内-层间混杂和夹芯混杂，如图 1 所示。

4 HFRSACs吸波性能的影响因素

4.1 增强体中CF取向对吸波性能的影响

华宝家等研究了CF/GF混杂单向复合材料的吸波特性，结果发现：混杂纤维增强复合材料对电磁波的反射具有明显的方向性，即当CF排列方向和电磁波的电场方向互相垂直时，无论CF比例多少，其反射率都低于10%，但当它们互相平行时，CF/GF为1∶l、1∶2或1∶4时，其反射率非常大，与金属类近似，仅CF/GF为1∶8时，其反射率随频率的增大而降低，均小于10%。林海燕等研究了用T700级CF和GF制作的螺旋混编结构纱线增强环氧树脂复合材料的吸波性能，结果得到和华家宝等相似的结果，即隐身材料在CF方向与入射电磁波电场方向垂直时具有良好的隐身性能。因此，在设计HFRSACs时，在满足力学性能的前提下，尽量分散布置CF，不要使其全部沿着一个方向排列。

4.2 混杂比对吸波性能的影响

华家宝等研究了CF和GF的混杂比对其平纹布增强复合材料吸波性能的影响，结果发现随CF比例的增加，反射率增加。当CF/GF为1∶18时，反射率均小于10%；当CF/GF为1∶4时，反射率迅速增加；当CF/GF为1∶1混杂时，几乎为全反射。可见，CF含量越低，材料的隐身性能越好，但当CF体积含量很低时（CF/GF为1∶18），混杂纤维增强复合材料的模量较低，失去了先进复合材料应有的高强、高模特性。因此，在设计HFRSACs时，需要优化配置CF和其它混杂纤维的比例。

4.3 CF铺设层数对吸波性能的影响

莫红松等研究了CF和GF混杂增强复合材料中CF铺设层数对隐身材料吸波性能的影响，结果发现在CF含量相同的情况下，铺设层数越多吸波性能越好。林海燕等研究了用T700级CF和GF制作的螺旋混编结构纱线增强环氧树脂复合材料的吸波性能，结果得到和莫红松等相似的结果，即材料的吸波性能随铺设层数的增加而增强。因此，在设计HFRSACs时，在纤维体积含量保持不变的情况下，应尽量增加铺设层数。

5 HFRSACs力学性能的影响因素

纤维混杂增强复合材料是否会具有混杂效应，不但与材料的组分性能有关，而且还与其混杂比、混杂方式等因素有关。

5.1 混杂比对复合材料力学性能的影响

两种纤维混杂的比例不相等时，复合材料的力学性能差异很大。Wan YZ等研究了CF和Kevlar？纤维在不同混杂比下增强的三维编织复合材料的弯曲强度，研究结果表明：混杂复合材料的弯曲强度随着CF/Kevlar？比例的增大而增大，并且在两者的混杂比为4∶1时达到最大值，之后弯曲强度随其比例增大而下降。由此可见，并不是强度高的纤维所占比例越大，混杂复合材料的力学性能越高，因此在设计HFRSACs时需要对纤维比例进行优化配置。

5.2 混杂结构对复合材料力学性能的影响

张用兵等研究了CF和超高分子量聚乙烯纤维在混杂比相同的情况下，分别采用层内、层间和夹芯的混杂方式加工的乙烯基树脂复合材料的力学性能。研究发现，混杂方式不同，复合材料的弯曲、拉伸、抗冲击性能也不相同，但压缩性能差异并不明显。其中，以层内方式混杂的复合材料的拉伸性能最好，以夹芯方式混杂材料的弯曲性能最佳，以层间方式混杂材料的抗冲击性能最佳。因此，在设计HFRSACs时，需根据材料最终的应用部位和所承受外力情况选择混杂结构。

6 结语

混杂纤维增强结构隐身复合材料（HFRSACs）在不增重和降低力学性能的前提下，可满足现代隐身复合材料“宽、薄、轻、强”的吸波需求，并且可成型各种形状复杂的部件，已被广泛应用于武器隐身的各个领域。但雷达探测技术的发展，也对HFRSACs提出了新的挑战，仍有许多问题有待解决，主要体现为：

（1）HFRSACs的力学性能和吸波性能受CF排布方向、纤维混杂比、混杂结构等因素的综合影响，且一些因素对力学性能和吸波性能的影响呈负相关性，因此需要对HFRSACs的力学性能和吸波性能进行综合优化设计；

（2）目前HFRSACs的混杂多为两种纤维材料的混杂，为了提高吸波性能，应进行两种以上纤维的超混杂复合材料的开发；

（3）目前，HFRSACs多为层合结构，但这种结构易分层，损伤容限和抗冲击能力相对较低，因此需要开发三维HFRSACs（三维编织、三维机织、三维针织、三维缝合），明确HFRSACs的性能与混杂结构的变化规律；

（4）现阶段，混杂只是将多种纤维进行简单的层内或层间混杂，可以尝试将多种纤维制成混杂纱线，然后用混杂纱线增强树脂制作HFRSACs；

（5）明确HFRSACs的混杂效应和隐身机理。

参考文献

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吸波材料范文第3篇

    1侵彻实验与机理分析

    1阶段的主要破坏模式。

    1.1弹道实验及结果弹道实验以热固性树脂基纤维增强复合材料层板为靶板,增强纤维织物采用了装甲防护中常用的Kevlar29芳纶纤维。考虑侵彻过程稳定性与结果一致性需求,选取4.5g典型质量的钢质球形破片模拟弹(10.3mm、HRC63)作为侵彻弹体。实验靶板的标称厚度为10mm,以400~1860m/s的入射速度垂直侵彻贯穿靶板,并测定模拟弹的入射速度和贯穿后残余速度。材料动态和弹道实验分别在兵器五三研究冲击力学实验室和靶场完成。测得弹体入射速度vi与残余速度vr的关系如图1所示。以弹体(假定为刚性体)在贯穿过程中动能的损耗来表征靶板的抗弹吸能,得到入射速度vi与靶板贯穿吸能Eab的变化规律(见图2)。为分析复合材料靶板在高速侵彻过程中的瞬态变形规律和破坏特点,对某些特定速度和厚度靶板的贯穿过程进行了高速摄影成像记录分析(见图3),对贯穿靶板的入射和射出口及弹孔分别进行了破坏形貌比较分析(见图4)、CT扫描断口成像剖析(见图5)及弹孔纤维破断细观电镜分析(见图6),分析了弹靶作用历程和破坏吸能特点。实验结果显示,模拟弹贯穿靶板的残余速度vr和贯穿吸能Eab均与入射弹速vi成正比,vi与vr基本呈线性变化,vi与Eab呈二次曲线变化;靶板弹体射出口破坏面积大于入射口,端口呈“葵花状”外翻,且弹体射出后靶板背面形变继续增大,直至回弹完成;在靶板厚度方向上,背部层裂区域随靶厚及vi的不同呈规律性变化:vi增大,层裂区域变小,靶板增厚,层裂区域变大;入射口及弹孔内壁前端纤维呈明显压剪断裂状态,而背部破断口处纤维呈拉断破坏状态。靶板贯穿后破坏形态剖析及瞬态贯穿过程(图3~5)均显示,侵彻贯穿过程可以忽略靶板结构挠曲的影响,毁伤是仅与材料性能相关的局部性破坏。

    1.2抗侵彻贯穿机理分析分析复合材料层板抗侵彻贯穿历程可以发现,无论是中低速冲击侵彻,还是高速贯穿,层板耗散弹体动能的破坏吸能模式是基本一样的,概括起来主要有靶板的压缩失效破坏、剪切失效破坏、拉伸弯曲失效破坏、摩擦耗能、层裂耗能、惯性膨胀耗能、整体结构响应变形能等,不同的是因弹体形状、侵彻速度和靶板尺寸的差异,在侵彻过程中各破坏模式会呈现出不同比例的分配形式。低速冲击时,虽然材料自身性破坏是吸能的主要部分,但靶板的整体结构挠曲变形吸能也不可忽视;而在高速贯穿侵彻过程中,靶板破坏基本呈现局部性破坏,且随着入射速度的提高,结构效应的影响减弱,破坏的局部性趋势更加明显,破坏区域更集中,更突出地表现为材料性破坏。这种局部性破坏程度的变化是受入射速度和靶体材料声速共同制约的。冲击动力学过程与应变率效应和惯性效应密切相关,不可忽视。应变率影响材料力学性能,应力波传播影响材料破坏模式阶段和区域大小的划分。靶板的高速侵彻过程是一个瞬态动力学过程,整个过程伴随着材料高应变率变形、失效与破坏,靶板的抗弹吸能分析与复合材料高应变率下动态性能紧密相关。通过高速摄影实验对10mm厚芳纶复合材料板的动态变形率分析可以看到,当弹体以504m/s的入射速度侵彻时,靶板材料变形率在开坑阶段达到了5×104s-1,在射出阶段达到了3×103s-1,整个贯穿过程的平均变形率在2.2×104s-1左右;而当弹体以1880m/s的速度入射时,开坑阶段材料变形率高达2×105s-1。因此,复合材料动态力学参量应是影响分析层板抗贯穿吸能的关键因素之一。在高速侵彻过程中,弹靶作用遵循能量守恒原则。瞬间侵彻所涉及的破坏吸能模式分析也应遵循瞬态能量守恒的原则,应把抗贯穿破坏模式的瞬间吸能分析与材料或结构瞬态变形破坏之后的后能量继续耗散加以区别。瞬态变形破坏吸能区域与最终样品剖析模态是有区别的,例如靶板弹孔入口处纤维的分层外翻状态,以及背部射出口处扩大了的层裂破坏和突起区域等,均是纤维吸能并失效破坏后能量后续耗散的结果,而非瞬时破坏的状态,这在图3中有清晰的展示,因此对弹体贯穿能量耗散分析不具影响力。刚性弹体高速冲击靶板时,触点处将产生远大于靶板材料抗力的瞬间冲击压应力,接触点处材料瞬间压碎破坏,完成冲击开坑。弹靶作用中,子弹紧追靶板中的前驱冲击应力波向前侵彻运动,被冲击压缩的靶体材料瞬间无法达到整体应力均匀化,因此,随着弹体的前进,靶板会产生局部厚度上的连续压碎失效破坏,并不断被侵蚀,部分碎屑残体受挤压反向喷出,对弹体入口周边材料形成冲刷,并与断裂后材料的反向回弹共同作用,入口破断材料形成“葵花”状的喷射外翻和倒锥台型开裂区(见图4~5)。初始侵彻时,因弹体与侵彻点周边材料在侵彻方向存在的巨大速度梯度,弹体周边会对靶板造成冲孔式剪切破坏,这种剪切破坏程度以平头弹最为明显。冲击压碎与剪切破坏在入射阶段是耦合连续进行的,构成了弹体贯穿靶板第

    复合材料层板背部的分层现象,应是弹靶作用中材料的局部非协调性变形与冲击应力波共同作用造成的。在压剪连续侵彻后期,随着连续侵彻弹速的衰减,对靶板材料的压碎和剪断均无法瞬间完成,伴随着应力波的传播,弹体周边材料应力区域和受力变形在增大,当压缩应力波在靶板背面形成的强反射拉伸冲击波与弹体相遇时便形成弹体与靶板的界面速度梯度,至此导致弹体压剪耦合连续侵彻破坏过程的结束和冲击拉伸失效破坏阶段的开始,这个破坏模式阶段的转化点是由冲击波在层合板中的传播速度和弹体入射速度确定的。弹体对层板的冲击拉伸破坏是脉动非连续的,D.Starratt等[14]对侵彻后期拉伸阶段弹体受力的测定结果也证明了这一点。靶板背部的层裂现象在冲击压缩波由靶板背面自由反射为拉伸冲击波,并迎弹回传过程中就已发生,因此也可认为最终分层是冲击压缩能量“后耗散”过程的产物,此时层裂主要在强冲击压缩波和反射拉伸波协同作用下,由层间微裂纹、空洞、杂质、界面脱粘点等缺陷引起细小的、不连贯的层间损伤,在层间薄弱处产生并扩展。这种层裂可能是以一层或几层为一个离散微层单元,所包含的实际纤维增强层数并不固定(这与样品剖析结果一致)。压剪阶段整个微层裂现象在靶板外观上并不明显,弹体此时亦未侵入该微层裂区域。因此可认为弹体在完成压剪耦合连续侵彻时,靶板背部区域已离散成为若干微层的叠合区,而后续弹体继续侵彻导致微层弯曲拉伸失效破坏时,各微层间则相互影响协同外凸变形。一系列证据及分析说明,侵彻结束后弹体入口处靶体材料外翻、起层、背部显着层裂、层裂区扩大、大鼓包等现象应是靶体材料失效破坏吸收弹体动能之后的“后能量耗散”的结果,这种现象的耗能不应对靶体抗贯穿吸能的累积产生增量的影响。因此,从瞬态动力学角度分析认为,层板高速贯穿分析中,层裂是一种典型的破坏模式,而在整个瞬态破坏分析中可不作为一个独立的主要瞬态吸能模式来计入。与金属相比,纤维增强复合材料密度较低,各项异性导致各方向抗压强度差异较大,且沿纤维方向的抗压强度远大于其他方向的压缩强度,在弹体侵彻分析时,层合板面内方向的侵彻惯性力的影响可以忽略。由于不同入射速度下层合板贯穿弹孔中间区域层的损伤范围与弹径相近,也说明忽略球腔膨胀效应对层合板的抗贯穿吸能分析影响微小。根据模拟弹贯穿复合材料层板破坏模式和现象的综合分析,侵彻破坏可表述为:前期的压剪耦合连续侵蚀破坏与后期对微层裂区域冲击拉伸破坏的两段式模型。

吸波材料范文第4篇

（广西民族师范学院化学与生物工程系／广西高校桂西南特色植物资源化学重点实验室培育基地，广西 崇左 532200）

摘要：结合解吸－超声波提取、硫酸－苯酚比色法对甘蔗（Saccharum officinarum）渣多糖成分进行提取研究，以多糖提取率为考察指标，通过单因素试验确定了影响甘蔗渣多糖提取率的影响因素为超声波提取时间、提取剂用量、液料比和解吸剂用量，结合正交试验法确定提取甘蔗渣多糖的最佳工艺条件为：超声提取时间55 min，提取温度70 ℃，料液比1∶25（g∶mL），解吸剂60％乙醇用量为12 mL，在此条件下重复试验，甘蔗渣多糖提取率达到0．695％。说明先解吸后超声波有利于甘蔗渣多糖的提取。

关键词 ：甘蔗（Saccharum officinarum）渣；多糖；解吸；超声波；正交试验

中图分类号：S566．1；R284．2 文献标识码：A 文章编号：0439－8114（2015）16－4023-03

DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.049

收稿日期：2014－12－29

基金项目：广西民族师范学院自治区级大学生校外实践教育基地建设项目（XWSJ201306）

作者简介：翁艳英（1985－），女，广西钦州人，讲师，硕士，主要从事天然植物应用研究及教学工作，（电话）13978683057（电子信箱）wengwengay45＠126．com。

近年来生物活性的多糖物质已经越来越受到人们的关注。植物多糖，相对分子质量大，结构复杂，给多糖的提取分离带来了难度［1］。目前，多糖的提取方法主要有浸提法［2］、超声波提取法［3，4］、酶法［5］等，粗分离方法主要就是醇沉。从提取方法的多样化、多糖的性质及植物的品种来看，要选择一种合适的提取法对多糖的研究具有重大意义。为了响应国家节能减排的政策，综合利用废弃物，多糖活性成分的提取研究已经趋向于以废弃渣作为提取原料［6，7］。甘蔗（Saccharum officinarum）渣系甘蔗榨糖后的副产品之一，中国是甘蔗的盛产地，糖厂每年会产生大量的甘蔗渣。多糖是甘蔗渣主要活性物质之一，研究表明甘蔗渣多糖具有增强免疫、抗肿瘤、抗病毒等药理作用［8］，极具开发价值，所以对甘蔗渣多糖的提取工艺研究是相当有必要的，变废为宝，实现高值利用，并符合环保理念。目前对甘蔗渣多糖的提取研究还是较少，主要是集中于传统提取、超声波提取［9］，但提取时间较长。本试验以糖厂的甘蔗渣为原料，先采用乙醇溶液对原料进行解吸，再进行超声波提取，结合正交试验得到多糖提取最佳工艺，这对甘蔗渣的开发利用具有重要的实际意义。

1 材料与方法

1．1 材料

材料为甘蔗渣，购于广西崇左的崇左市左江糖厂，经烘干后使用。试剂为95％乙醇、葡萄糖、浓硫酸、乙醚、苯酚、均为分析纯。

1．2 方法

1．2．1 多糖的测定 取一定量的甘蔗渣多糖溶液，按文献［10］在490 nm处测定吸光度A490 nm，通过标准曲线回归方程计算甘蔗渣多糖的含量C，甘蔗渣多糖的提取率η如下式：

η＝（C×V1）／（V2×M×1 000）×100％

其中，η为甘蔗渣多糖提取率（％）；C为甘蔗渣多糖含量（mg）；V1为甘蔗渣多糖溶液总体积（mL）；V2为移取体积（mL）；M为甘蔗渣质量（g）。

1．2．2 解吸－超声波提取 解吸－超声提取法分为两步：第一步称取5．00 g甘蔗渣粉末，滴加一定量乙醇解吸剂使之湿润均匀，室温下解吸20 min。第二步在物料中加入一定量某温度下的提取剂去离子水后，将其置于超声波清洗仪中，提取一段时间后，抽滤、浓缩，冰箱静置过夜，洗涤沉淀，并取样分析，计算多糖的提取率。按单因素试验确定以下因素对解吸－超声波法提取甘蔗渣多糖的影响：提取时间（解吸剂乙醇浓度为50％，解吸剂用量10 mL，提取剂用量为 125 mL，提取温度 80 ℃）；提取温度（解吸剂乙醇浓度为 50％，解吸剂用量10 mL，提取剂用量为125 mL，提取时间45 min）；提取剂用量（解吸剂乙醇浓度为 50％，解吸剂用量10 mL，提取时间45 min，提取温度80 ℃）；解吸剂用量（解吸剂乙醇浓度为50％，提取剂用量125 mL，提取时间45 min，提取温度80 ℃）；解吸剂浓度（解吸剂用量10 mL，提取剂用量125 mL，提取时间45 min，提取温度80 ℃）。

1．2．3 正交试验 在单因素试验的基础上，选取对甘蔗渣多糖提取率影响较大的4个因素：超声提取时间、提取温度、液料比（g∶mL，下同）和解吸剂用量作为考察因素，每个因素选取3个水平设计正交试验，因素与水平见表1。

2 结果与分析

2．1 单因素试验结果

2．1．1 提取时间对甘蔗渣多糖提取率的影响 提取时间对甘蔗渣多糖提取率的影响见图1。由图1可知，随着提取时间的增加，甘蔗渣多糖提取率逐渐增加，当提取时间超过35 min，提取率趋于平稳。

2．1．2 提取温度对甘蔗渣多糖提取率的影响 超声提取温度对多糖提取率的影响见图2。由图2可知，在超声波作用下，在一定温度范围内，随着温度的升高，多糖提取率逐渐增高，甘蔗渣多糖的溶出效果提高，利于多糖的提取。

2．1．3 提取剂用量对甘蔗渣多糖提取率的影响 提取剂用量对甘蔗渣多糖提取率的影响见图3。由图3可知，随着提取剂用量的增加，甘蔗渣多糖提取率逐渐增加，当提取剂用量达到125 mL时，多糖提取率为0．71％，继续增加提取剂用量，多糖提取率呈降低趋势，可能是因为提取剂的用量增加较多时，甘蔗渣里的其他杂质也相应溶出，导致提取率降低。

2．1．4 解吸剂用量对甘蔗渣多糖提取率的影响 解吸剂用量对甘蔗渣多糖提取率的影响见图4。由图4可知，随着解吸剂用量的增加，多糖提取率增加后又逐渐下降。解吸主要是使解吸剂乙醇溶液渗透进入甘蔗渣细胞内部，将多糖成分充分解吸，在超声波作用下溶出多糖成分。

2．1．5 解吸剂对甘蔗渣多糖提取率的影响 解吸剂浓度对多糖提取率的影响见图5。由图5可知，在乙醇为30％～70％时，多糖提取率变化不大，在浓度60％时出现了最大值，可以选择该浓度的乙醇溶液作为解吸剂。

2．2 正交试验结果

选用L9（34）正交表进行试验，通过硫酸－苯酚比色法分析多糖含量，以甘蔗渣多糖提取率作为考察指标，正交试验结果见表2。由表2可知，通过分析比较极差结果可以看出，影响甘蔗渣多糖提取率的因素大小顺序为B＞A＞C＞D，影响较大的为B、A、C，即提取温度、提取时间和料液比，解吸剂用量的影响不显著。本试验采用解吸—超声辅助提取甘蔗渣多糖，甘蔗渣中的有效成分在超声波三大效应的作用下快速释放出来。多糖是一种大分子化合物，物料在被乙醇溶液充分地解吸之后，需要在一定的温度下多糖成分才能随着乙醇溶液渗透进入提取剂。因此，提取温度起着很显著的作用。通过极差分析可知，解吸—超声提取甘蔗渣多糖的最佳工艺组合为A3B2C2D3，即60％的解吸剂（乙醇溶液）12 mL解吸30 min，料液比为1∶25，70 ℃超声波提取55 min。在此条件下，进行3次平行验证试验，以考察最佳条件的合理性和可靠性，3次结果稳定，经测定，甘蔗渣多糖的提取率平均值达到0．695％，比正交设计中最高提取率高，说明正交设计得到的甘蔗渣多糖提取的最佳条件组合是合理、可行的。

3 结论

试验采用正交试验优化超声波提取甘蔗渣多糖的工艺，确定了最佳工艺条件，即浓度60％的乙醇溶液解吸剂12 mL解吸30 min，料液比为1∶25，在70 ℃条件下超声波提取55 min，提取2次。在最佳条件下平行试验3次，甘蔗渣多糖的平均提取率为0．695％。超声波提取技术的应用原理是利用超声波的空化作用加速植物有效成分的溶出。与传统的方法相比，超声波提取不仅节约时间，减少提取剂的用量，还可以提高提取率，说明解吸后超声波应用于甘蔗渣多糖的提取具有一定的优势。

参考文献：

［1］ 薛 丹，黄豆豆，黄光辉，等．植物多糖提取分离纯化的研究进展［J］．中药材，2014，37（1）：157－161．

［2］ 苗慧琴，霍秀文，王 阳，等．山药多糖脱蛋白方法的研究［J］．食品科技，2014，39（1）：210－214．

［3］ 聂 倩，张直峰，吕建平，等．4种大孔吸附树脂纯化核桃青皮中多糖的比较［J］．西北农业学报，2014，23（2）：150－154．

［4］ 刘 齐，杜 萍，王飞生，等．超声波法提取板栗壳多糖的工艺条件优化［J］．食品工业科技，2014，35（3）：221－224，229．

［5］ 吕长鑫，李萌萌，徐晓明，等．响应面分析法优化纤维素酶提取紫苏多糖工艺［J］．食品科学，2013，34（2）：6－10．

［6］ 翁艳英，韦藤幼，童张法．内部沸腾法提取三七多糖的研究［J］．时珍国医国药，2011，22（6）：1435－1436．

［7］ 曾小倩，张二妹，潘葵友，等．巴戟天药渣中多糖的提取工艺研究［J］．现代食品科技，2013，29（5）：1096－1099．

［8］ 刘 强，宋雨鸿，李 慧，等．甘蔗渣多糖对免疫抑制小鼠免疫功能的影响［J］．南方医科大学学报，2008，28（10）：1911．

吸波材料范文第5篇

关键词:发泡水泥 材料 探讨

一、发泡水泥的主要原材料

发泡水泥材料按照胶凝材料可分为普通水泥、镁水泥、石膏三大类。无机胶凝材料是水泥发泡材料强度的主要来源,要求其有早期强度高、速凝的特点。一般的发泡水泥选择的胶凝材料是普通的硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥。镁质发泡水泥选择的是氯氧镁水泥作为无机胶凝材料,它是由轻度煅烧菱镁矿(MgCO3)得到的菱苦土(MgO)及氯化镁水溶液反应生成的气硬性凝胶材料。石膏发泡水泥采用的是石膏胶凝材料,它是制作新型建筑材料的良好原材料。

发泡剂是使材料内部产生泡沫而形成闭孔或联孔结构材料的物质,它是影响发泡水泥性能的重要因素之一。外加剂采用具有早强和稳泡功能的外加剂以及提高表面活性的助剂和减水剂。这些外加剂有利于改善浆体的浸润性、和易性和提高制品的强度以及泡沫的均匀稳定性,所以是研究发泡水泥的关键技术。

二、国内发泡水泥材料的研究

发泡聚苯乙烯(EPS)是一种轻质、内含不连续气孔的泡沫,具有密度低、比强度高、吸水率低、耐酸碱、保温性好等一系列优点,但EPS颗粒具有两大弱点:第一,由于EPS表观密度比较低,所以保温材料在搅拌过程中易产生离析;第二,EPS表面为憎水性,与无机胶凝材料不润湿,造成了其与水泥浆体界面黏结力比较差。

通过对废弃EPS的预处理,使其表面由憎水性改变为亲水性,成功地解决了无机胶凝材料对EPS不润湿、混合料和易性差、黏结强度低的技术难题。研究人员选择了高分子黏结剂和偶联剂,配制低水灰比拌合物的硅酸盐水泥胶结料,利用黏结剂和偶联剂的双重作用,实现复合胶结料对EPS的表面包裹,从而有效地改善了EPS的表面性能。

通过结构EPS轻质泡沫材料,利用了类似裹砂工艺的方法制作了新型的发泡水泥材料。并且采用微硅粉来提高EPS在水泥浆体中的分散效果和界面黏结强度,同时加入的钢纤维显著提高了泡沫材料的劈裂抗拉强度,并改善了其抗干缩性能。研究人员发现在EPS填充水泥发泡材料中同时掺加微硅粉和钢纤维能使泡沫材料的力学性能和干缩性能达到最佳。

随着对发泡聚苯乙烯填充水泥材料研究的逐渐深入,国内的研究者已经开始了EPS填充水泥泡沫材料在吸波性能方面的研究。通过对EPS填充水泥复合材料的试验研究发现,该水泥材料具有良好的吸波性能。EPS填充率和颗粒直径对材料的吸波性能具有明显的影响,对室内电磁波的防护也起到了积极的作用。由于纯水泥试样损耗性能比较低,而且水泥试样比较致密,导致材料的透波性能比较差。而EPS是一种良好的透波材料。其颗粒在浆体内均匀分布,引导入射电磁波进入材料内部,并且在材料内部发生多次反射性散射,一方面增加了单颗粒对电磁波的吸收次数,另一方面也增加了散射过程中对电磁波的损耗。同时,EPS填充水泥复合材料在加压过程中发生了较大变形,但其破坏过程是逐渐的,表明材料具有一定的韧性,而纯水泥试样则是脆性破坏,达到压力极限发生突然破坏,说明EPS填充水泥复合材料具有较好的吸收能量的功能。

三、国外发泡水泥材料的研究

美国研究人员最近研制出一种新型发泡水泥制品,它将泡沫分散在水泥材料内并制作成复合的三明治结构,是一种将微泡分散在天然乳胶中形成的水泥浆多相复合材料。鉴于现有水泥制品的脆硬性和开放的泡沫结构,新型水泥材料由于三明治结构和爆炸缓冲层的作用,使得它在抗冲击和耐水性方面具有更加优良的特性。这种新型发泡水泥材料的泡沫是由玻璃微珠制成的,水泥浆则通过天然橡胶的加入而被改良,还添加了大量的纳米陶瓷和玻璃纤维。微珠不但减轻了材料的重量,提高了耐水性,而且其独特的封闭结构使得它在微长度体系上对能量的吸收发挥了巨大的作用;天然橡胶的加入则提高了水泥基体的高温韧性和减水性;玻璃纤维的均匀分布吸收了来自外界的冲击力;少量纳米陶瓷的掺入改进了水泥浆中氢氧化物的结晶组织。因此,这种新型的水泥材料在水泥制品的抗冲击方面取得了突破性的进展。

南洋大学和谢菲尔德大学的研究人员采用陶瓷微珠填充波特兰泡沫水泥浆形成了性能更加优良的发泡材料,尤其是提高了发泡材料的抗水性。陶瓷微珠的主要成分是硅石和氧化铝,后者使得陶瓷微珠具有1600~1800℃的高熔点和低热膨胀系数(8×10-6℃-1),因此陶瓷微珠不可燃并且具有很好的耐火性能,这对于微珠应用于高温领域提供了有利的条件。陶瓷微珠的堆积密度只有400kg/m3,改

善了泡沫浆体的轻质特性。由于微珠内部局部真空的存在,对热量的转移形成了一个天然屏障,所以在泡沫材料的保温隔热方面发挥了积极的作用。陶瓷微珠的高表面硬度(6莫氏硬度)使得它能够承受剧烈的搅拌作用。微珠表面无吸附特性和大量颗粒在材料内部的分布使得它在降低泡沫水泥干缩率方面发挥了巨大的作用。

综上所述,开发环保、节能、价格低廉、性能更加优良的发泡水泥材料建议从以下几个方面开展工作:①选择新型填充料,使发泡水泥材料的应用多功能化。②利用新型纳米材料填充发泡水泥,改善材料的综合性能。③消除有机泡沫对人体的毒害,研究新型的无机泡沫水泥材料,同时开发出无毒副产品的生产工艺流程,以满足绿色工艺的要求。

参考文献:

吸波材料范文第6篇

关键词：epg；植食性盲蝽；取食行为；epg波形

中图分类号：s431.9文献标识号：a文章编号：1001-4942（2013）07-0133-05

电信号传递是生物体内信息传递的主要方式之一[1]，对电信号的研究衍生出了电生理学。作为昆虫电生理学研究的常用技术之一，刺吸电位技术（electrical penetration graph， epg）通过记录刺吸式口器昆虫口针在寄主组织中的刺探行为引起的电信号变化特征来对昆虫口针在寄主组织中的位置进行准确定位，从而对刺吸式昆虫取食行为的不同阶段进行研究。经过不断的发展，epg技术已经成为研究刺吸式口器昆虫对寄主植物的取食选择性、取食部位虫传病毒的机制和作物的抗虫机制等的重要手段[2～5]。

epg技术最先应用于蚜虫取食行为的研究，此后逐渐应用在粉虱和叶蝉等典型刺吸式昆虫的取食行为研究中。近年来，由于植食性盲蝽类害虫的大面积暴发，epg技术在植食性盲蝽类害虫取食行为研究中的应用日益增加。在植食性的刺吸类害虫中，植食性盲蝽类昆虫属于细胞取食者，其取食行为特点与蚜虫和粉虱等汁液取食者有所不同，因而这两类昆虫取食行为的epg波形有一定的差别，在epg使用中的技术要点上也有一些差异。目前epg技术在植食性盲蝽取食行为研究中的应用尚有较大空间。

1epg的发展历史及其工作原理

1.1epg的发展历史

epg的原型是1964年美国加利福尼亚大学mclean和kinsey设计的蚜虫取食监测系统（electrical feeding monitor），并依此建立了蚜虫的取食和分泌唾液的波形记录，及豌豆蚜取食刺吸行为与电子记录波形的对应关系，后来又观察了温度对刺吸行为的影响[6～9]。之后历经不少学者的努力改进，最终得以发展成熟[10～16]。到了20世纪80年代中期，epg技术与计算机联用，明显提高了分析效率，之后的绝大多数epg 的使用逐步建立在波形基础上，对昆虫行为生态学进行研究，研究对象也扩展到包括粉虱、叶蝉、蓟马等在内的多种刺吸式昆虫[17]。而研究方法也逐步的由单纯的epg系统向着epg系统与影像监测技术、显微技术以及荧光技术联合使用的方向转化，这无疑会使研究更加细致和深入。

1.2epg的工作原理

在epg整个回路中，用水溶性银胶将一根长2～3 cm、直径10～20 μm的金线（或铂金线）的末端粘在昆虫的前胸背板上[14]，以此作为昆虫电极；将一根长约10 cm，直径约2 mm的铜棒插入到湿润的土壤中作为植物电极。当刺吸式昆虫口针插入到植物组织中时，整个回路接通，此时用放大器将回路电流输出成为一系列的输出电流波谱，将刺吸式昆虫的取食过程通过电位的形式记录下来[11～13，18]。

epg的电势波动分为电阻（r）成分和电动势（emf）成分。前者由电阻变化引起，后者由生物电生理变化引起。当放大器的输入电压改变时，极性和幅度会随之改变的为r成分，保持不变的为emf成分[11～13，18]。如果整个系统的设计是基于交流电路，则称其为 ac-epg，即交流电型电子取食监测仪。ac-epg的r成分和emf 成分的变换都可引起输出电压的变化，目前在美国应用较多。若系统用一个不可转换的没有矫正器或过滤器的中至高输入电阻（109～1012 ω）的放大器或使用干电池则为直流电型电子取食监测仪（dc-epg）[11，19～21]，目前欧洲应用较多。dc-epg系统的r成分固定，输出电压的变化仅为emf成分，这显然使输出的波形更加准确和细致[17]。

2植食性盲蝽的取食特点

植食性盲蝽为刺吸式口器昆虫，但此类昆虫属于细胞取食者（mesophyll feeder），其取食方式和蚜虫、粉虱等汁液取食者（vascular feeder）有所不同[22]。植食性盲蝽主要取食植物细胞的细胞质和细胞核，在取食时先将口针插入植物细胞内或细胞间，然后通过口针的剧烈活动撕碎植物细胞，在破坏细胞的同时分泌唾液，将要取食的食物变成泥浆状物质之后再进行吸食[23]。此类昆虫在吸食了这种泥浆状的物质后，在取食部位植物组织内留下一个空洞，造成被害植物组

织坏死，形成刺点[24，25]。

3植食性盲蝽取食行为中的epg波形

epg应用于盲蝽研究的时间较短，目前使用epg进行过研究的有豆荚草盲蝽[26]、中黑盲蝽[27]以及绿盲蝽[28，29]。

3.1豆荚草盲蝽取食的 epg波形探究2002 年cline和backus首次利用ac-epg和录像设备研究了豆荚草盲蝽在人工饲料上的取食行为，首次对植食性盲蝽类昆虫的取食行为进行了epg的研究。他们共对豆荚草盲蝽取食行为中的7种行为进行了epg波形的定义，并将波形划分成了8种，分别命名为a波、b波、c1波、c2波、d波、f波、z1波以及z2波，之后又首次通过epg和录像设备对豆荚草盲蝽的口针刺探穿刺行为和其与刺探行为和非刺探行为相关的外部身体活动进行了统计学分析[30]。

3.2中黑盲蝽取食的 epg波形探究蔡晓明等（2008）[27]用dc-epg记录中黑盲蝽雌虫在菜豆、苜蓿、甘蓝、小麦、棉花等寄主上的取食行为，发现不同寄主植物上的取食波形大致相同。整个刺探波呈“～”样的波浪形，大致可分为4部分：ⅰ波、ⅱ波、ⅲ波、ⅳ波。ⅰ波表示口针的刺入；ⅱ波表示口针在撕裂植物组织和细胞，并分泌唾液；ⅲ波表示吸食，有ⅲ1和ⅲ2两种表现形式；ⅳ波表示口针的拔出。此外中黑盲蝽在菜豆、苜蓿上取食的ⅱ波中镶嵌有锯齿状k波。

3.3绿盲蝽取食的epg波形探究对绿盲蝽取食行为的epg波形定义目前有两种，如图1和图2所示。两者的研究均以棉花作为寄主植物，但前者是以绿盲蝽4龄若虫为研究对象，后者是以绿盲蝽成虫为研究对象。所获得的波形及其定义均以中黑盲蝽取食的epg波形作为参照且大致相同。

图1中所示有绿盲蝽取食的5种波形，称为np波、a波、m波、h波和b波。 其中np 波是绿盲蝽口针停留在叶片表面未进行刺吸行为的波形；a 波是绿盲蝽以很快速度刺入叶片的波形（0.05～0.2 hz）； h 波是绿盲蝽刺入组织后，在组织内的刺探波形（0.5～1，5～6 hz）；m 波是口针进入韧皮部中破碎细胞并分泌唾液（0.5～1 hz）；b波是绿盲蝽在组织内部进行取食，以及取食完毕后口针拔出（0.5～1、2～3 hz）。

图2所示绿盲蝽取食行为的epg波形与中黑盲蝽取食的epg波形大体上一致，整个取食过程的epg呈现“～”状的波浪形并分为ⅰ波、ⅱ波、ⅲ波、ⅳ波4个部分。其中ⅰ波表示绿盲蝽口针开始刺入植物组织；ⅱ波表示绿盲蝽口针已经刺入植物表皮，在撕裂植物组织或细胞；ⅲ波表示绿盲蝽在取食细胞内容物；ⅳ波表示绿盲蝽拔出口针，结束取食。

4epg应用中的技术要点

4.1实验材料的选择

实验所选植物应长势良好、茎叶健壮，以尽可能的减少由于实验材料所导致的误差，叶片的选定要根据实验的具体目的来确定。为防止叶片移动造成虫体脱落，可用斜放的塑胶板或聚酯板固定叶片[31]。所用昆虫应选用行动力强的健康昆虫，虫龄的选用依据实验目的来确定，选用成虫时一般选用刚刚羽化的，若虫则选用刚完成蜕皮的。

4.2实验昆虫的预处理

进行epg的实验前一般需要对选用的昆虫进行固定以方便昆虫与金丝的粘连，目前常用的固定方法主要有负压法、冷冻法或co2麻醉法。负压固定可采用真空泵或负压等制作固定昆虫的装置，简单的也可以利用水流产生的负压。昆虫的麻醉方法有干冰麻醉法、冷冻法和乙醚麻醉法。目前常用麻醉法与固定法相结合的方式固定昆虫，其中麻醉法可选用co2麻醉法，固定法采用真空泵负压法。

4.3实验昆虫与金丝的连接

电极与昆虫虫体的连接是一个技术难点[32]，即金丝表面比较光滑，横截面较小，很难聚集银胶，而试虫的连接需要一定的接触面积才能保证其牢固性。在实践中，我们可以在金丝端部制作一个钩状结构或者使之形成一个银胶球的方式解决上述难点[31]。将金丝端部浸入银胶中，抽出后让附着的银胶在空气中干燥 1～2 min，再将金丝端部浸入银胶，如此反复至金丝端部形成一个银胶球。银胶球的大小可根据昆虫个体大小进行选择。成虫和大龄若虫粘连时可先将麻醉过的绿盲蝽腹面用负压装置吸住，然后直接进行粘连；低龄若虫需要在解剖灯下进行粘连的操作。

在将绿盲蝽与金丝粘连成功以后可直接与电极连接并开始记录，但在分析数据时应该把记录开始到开始刺探前的这段时间去掉，因为先后连接金丝的昆虫所受的干扰时间和程度不同，可能使得在记录植物上的刺探开始前的适应期不同。有学者认为在连好金丝后需要先将昆虫进行饥饿

或适应处理。

4.4记录过程中的问题

epg 对外界干扰十分敏感，外界电波的干扰会影响记录的信号，所以整个实验装置应置于一个电压比较稳定、免除外界干扰的环境中，dc-epg 必须使用接地的法拉第笼来屏蔽噪音[33]。在每次实验前，先要对 epg 系统和放大系数进行调校。植物电压的调校不当会造成只有正的波形或者只有负的波形被记录的情况； 而放大系数的调校不当会造成有些有意义的波形不能明确显示[34]。放大系数为 50 倍比较适宜。

epg 实验记录时间的长短主要取决于实验目的。一般昆虫与植物关系的研究需要记录 6 h。而研究昆虫传毒机制，记录几分钟就可以了。若研究寄主植物表面或叶肉层次物理化学性质对昆虫取食行为的影响，一般记录30 min～3 h 。

另外需要在记录时采用epg通道随机排列以及多重复的方法来尽可能的消除误差。

5展望

尽管epg技术经过不断的发展已经比较成熟，但目前研究较为深入的主要是一些汁液取食类的刺吸式昆虫如蚜虫、粉虱等。对植食性盲蝽等细胞取食者的研究仍然不甚深入，现作出定义的一些盲蝽类昆虫取食波形都是针对的一些较为笼统的行为意义；对盲蝽取食波形的划分还不够细致，且没有经过验证；对一些不规范波形如突然超出量程的情况尚未发现出现原因及其行为学意义，这还需要进行更加细致的研究；同时在实验过程当中的一些操作技术需要进一步的规范。鉴于近年来植食性盲蝽对果树的危害日益严重，epg技术用于果树危害研究的可能性也需要进行探究。

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吸波材料范文第7篇

接触科技创新项目“超高分子量聚乙烯基公路护栏材料及结构的力学评估”初期，学生认为对于非本专业的项目不会得出理想的创新成果，不是很有信心能完成此项目。正是由于此原因，在准备方案时，学生能够花费大量的时间和精力查阅相关资料、调研、准备方案。积极主动地收集工程实际问题相关资料，反复进行研究，开讨论会，最终能够结合工程实际提出较为理想的试验方案。举例如下，方案：把相同的两行波改为两边高中间低的三行波。虽然波形结构已经能很好地起到缓冲的作用，不过二次缓冲应该会更有效果。如果一层波没有完全奏效的话，再使用二层波去进行缓冲，可以更好地保证车辆的安全。两行一层波可相当于现在通用的波形结构，当它们没能阻止车辆的撞击时，新加的二层波就可以发挥它的作用。另外，因为波和波并不是一体，而是相互连接起来的，所以当一层波受损而二层波完好时，可以只更换一层波，尽量节约资源。此外，该方案还考虑了附加的“二级缓冲”波的方向问题（上页图为外凸，内凹型在下面ansys建模时会提到），将内凹与外凸效果与原结构进行比较。（后面的支撑柱，只是凭借“三角形最稳定”而加上的，不过会用到更多的材料。）

由于学生意识到自己工科背景知识的不足，所以在准备方案时，为保证能够获得理想的试验结果，学生积极思考，充分调动积极性，设计了多种用于对比研究的护栏截面用于Ansys的计算指导中，然后通过对比来讨论各种方案的优缺点。在数值模拟分析方面，学生发挥了数学专业的优势，能够较为全面、迅速地进行模拟分析。在分析缓冲吸能特性方面，能够不受常规工科思维模式的限制，从侧面分析所设计的护栏结构的缓冲吸能特性。比如，从冲击物的冲击速度与时间的关系、冲击物的冲击加速度与时间的关系、冲击物的最大位移、最大冲击力；被冲击物（护栏）的冲击速度与时间的关系、被冲击物（护栏）冲击加速度与时间的关系、被冲击物（护栏）最大位移等方面来反映所设计的护栏结构的缓冲吸能特性，获得理论分析与ansys模拟分析结果较为吻合的结论。通过模拟分析结果确定最佳方案，学生根据试验结果可以得出理论分析和模拟结果相结合而得出来的分析结论。在项目实施过程中，学生完成了一个与工程相关的项目从查阅资料、实践调研，综合分析，直至提出最终解决方案的全过程。对于具有工程背景的项目如何着手进行研究有了很好的锻炼。另一方面突显较强的分析能力，体现了数学专业学生对于力学的数值模拟计算与分析能力的优势。学生能够从纯数学理论研究过渡到结合相关文献、市场调研和所学理论对工程实际问题进行分析。能够提出问题、分析问题和解决问题。经过这一阶段的学习，学生对于自己所要解决的问题产生了浓厚的兴趣与信心。

二、数学专业的学生实施本项目时的劣势

吸波材料范文第8篇

Zhou Jingjing

（Department of Electronic and Information Engineering，Xi'an University of Posts and Telecommunications，Xi'an 710061，China）

摘要：本文以有限元方法(FEM)为基础，结合边界积分方程(BIM)这一开域边界条件的混合有限元算法实现对目标散射特性问题的分析。本文以一个介质涂敷金属圆柱为例应用有限元/边界积分方程法(FEM-BIM)实现计算结果，并与精确结果进行对比，吻合很好。

Abstract: Using the hybrid Finite Element Method (FEM), combined with Boundary Integral Method (BIM), this paper analyzes the electromagnetic scattering properties of objects. Here an example of a cylindrical metal has been presented, the results have been computed by the hybrid FEM and show the accuracy and validity compared to those published in literature, good agreements are obtained.

关键词：有限元法 边界积分方程 电磁散射

Key words: finite element method；boundary integral method；electromagnetic scattering

中图分类号：O441 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）19-0039-01

0引言

随着电子对抗的不断发展，现代战争表现为电子高科技的对抗，而雷达探测、目标的雷达截面和隐身技术是电子对抗中主要的对抗领域之一[1，2]。而目标的雷达散射截面（RCS）的特性分析已成为隐身领域中一个日益重要的研究课题。

在飞行器上涂吸波材料是减小飞行器雷达散射截面的一种常用的方法。它的基本原理是雷达波能量在经过吸波材料时被转换成欧姆损耗而被吸收掉，从而降低目标总的回波强度，达到减小雷达散射截面的隐身效果。如何对涂敷目标的散射截面进行定量的计算，混合有限元法――有限元/边界积分方程法是对该问题进行分析的有效工具。

把有限元方法应用于此类域问题时，必须用一个虚构边界来截断，以获得一个有界的计算域，使得问题易于解决。由此就必须在这个虚构边界上引入一定的边界条件，使有限元计算域能有效的与虚构边界外延伸到无穷远处的自由空间域耦合，确保场的唯一性。

1有限元-边界积分公式

图1给出了一个导体柱任意截面的涂敷目标几何模型。以涂虚构边界Γ将求解域划分为内外两部分，此虚构边界可以和涂层边界重合。其中内边界Γc为导体边界，外边界Γd为介质涂层的边界。εr（x，y），μr（x，y）分别为涂层的相对介电常数和磁导率；n表示导体边界和涂层边界的外法向单位矢量；Ω为导体边界Γc和虚构边界Γ之间的区域，场可以通过有限元法来确定；虚构边界Γ外部区域的场可以用边界积分方程来表示，内外区域的场就可以通过场的连续性条件联系起来。如图1所示，区域Ω内的总场ψt满足下列标量波动方程：?塄・■?塄ψ■+k■■β■（x，y）ψ■=0（1）

对方程（1）两端同乘以一个检验函数T（x，y），并在Ω域内进行积分，然后利用矢量恒等式和散度定理得到如下方程：

■?塄T・?塄■ψ■-k■■β■（x，y）Tψ■dxdy= ■T?塄Ψ■・■dΓ（2）

对TM极化，α■（x，y）=μ■（x，y），β■（x，y）=ε■（x，y），ψ■=Ez；对TE极化，α■（x，y）=ε■（x，y），β■（x，y）=μ■（x，y），ψ■=Hz。

首先将Ω域划分成M个小三角单元，共有N个结点，相应的虚构边界Γ被分成Ms个小线段，对式（2）进行有限元离散，根据文献[3]，得到有限元方程组：[K][C]=[D][U]（3）

其中，[K]是N×N方阵，[D]是N×Ms矩阵，[C]表示N个结点处未知电场或磁场值的列向量，[U]表示在Ms个边界结点处法向导数值的列向量。此方程组含有N+Ms个未知量，N个线性方程，因此，另外Ms个方程要通过边界积分方程的离散而得到。

这里引入虚构边界，在虚构边界之外使用边界积分方程来表示场。在虚构边界Γ之外的区域里，场ψt可由亥姆霍兹方程：

?塄2ψt（ρ）+k■■ψt（ρ）=f（ρ）ρ∈Ω∞（4）

来确定。为了导出总场的公式，需要引入自由空间格林函数G0，并应用第二格林标量定理，得到边界积分方程：

Ψ■（ρ）=Ψ■（ρ）- ■?塄Ψ■・■G■（ρ，ρ′）dΓ′+ ■Ψ■?塄G■（ρ，ρ′）・■dΓ′（5）

对上式离散得：[K][C]-[D][G]-1[H][C]Γ=[D][G]-1[γ]C（6）

求解式（6），可得到所有结点场（包括虚构边界上的场）以及边界场的法向导数在每个边界结点上的值。 一旦求出了结点场以及边界场的方向导数，就可以计算出边界外部任何位置的散射场及RCS。

2数值算例

图2（a）是涂层金属圆柱TM极化的双站雷达散射截面仿真图。圆柱半径为a=1.0λ；人工边界为圆形边界，半径为1.5λ；涂层的相对介电常数和磁导率为：εr=2.0，μr=1.0。与图2（b）对比，结果与文献[4]的分析基本吻合。

3结论

本论文使用由边界积分方程构造的有限元技术来分析涂有雷达吸波材料的二维导体柱的散射特性。文中采用标量亥姆霍兹方程作为有限元部分的场控制方程，有效提高了有限元公式的通用性，使有限元方法能够分析、设计包含导体和材料尖角的二维目标电磁散射特性；同时边界积分方程可以自动满足辐射条件。因此，该方法在分析复杂介质散射特性时有很大优势。

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