吸波材料研究进展

2015-01-05刘元军赵晓明李卫斌

纺织科学与工程学报 2015年3期

刘元军，赵晓明，李卫斌

(天津工业大学纺织学部，天津300387)

0 前言

随着现代科技的不断进步，电磁波辐射的影响日益增大，这种影响体现在各种生活环境中。在机场，飞机会因受到电磁波影响无法起飞而误点;在医院，移动电话等通讯设备常会影响一些电子诊疗仪器的正常工作。电磁的出现，促进了人类文明的进步，给人们的生活带来了极大方便，我们的日常生活已经离不开电磁波，但它带来的危害不容忽视。近些年来，电磁波危害日益严重，已逐渐成为一大环境污染，因此，治理电磁波污染，刻不容缓，找到一个方法来抵御或减少电磁辐射的材料——吸波材料，已成为当今科学研究领域的一个重大问题。

1 吸波材料的国内外研究现状

所谓吸波材料，是指能够吸收或衰减入射的电磁波，并将其电磁能转换成热能耗散掉或使电磁波因干涉而消失的一类材料［1］。在工程领域，一般要求吸波材料在较宽频带内对电磁波具有较高的吸收率，另外还要求其具备质量轻、耐温、耐湿、抗腐蚀等特点。

吸波材料的发展已有40～50年的历史［2－3］，早在二战期间，美、英、德等国为了各自的军事目的，针对雷达电子侦察和反侦察方面，开始对电磁波吸收材料进行大量的探索性工作。当时的目的之一是为了减小潜艇潜望镜的雷达散射截面。在40～50年代间这方面的工作有了一定的进展，上世纪60年代初，美国空军给予了隐身技术及吸波材料很大关注，开始把吸波材料应用于空军的很多机型上，如F－14、F－15、F－18等战斗机型和F－117隐形飞机。70～80年代间吸波材料进入了快速发展阶段，80年代以来，世界各国投巨资并加大对吸波材料的研究力度。随着电信行业的快速发展，吸波材料已广泛应用于通信、环境保护、人类和其他领域的保护。

1.1 吸波材料的分类

吸波材料的种类繁多，吸波机理也不尽相同，目前对吸波材料的分类存在多种方法，主要有以下4 种［4－7］。

(1)按吸波机理的不同，分为吸波型和干涉型两类。前者主要是材料本身对电磁波的损耗吸收;后者是利用吸波涂层表层和底层两列反射波的相干即振幅相等、相位相反进行干涉抵消来设计吸波涂层。当电磁波垂直入射到吸波涂层表面时，一部分被反射出去，称之为第一反射波。其余部分透入涂层，在自由空间与涂层的界面和涂层与金属的界面之间进行来回反射。在反射波每次返回自由空间与涂层的界面时，都有一部分波会穿出此界面，返回到自由空间。这部分波叠加以后形成第二反射波。如果第一反射波与第二反射波处于同一偏振面上，且相位差为180°，则会发生干涉，使总的反射波能量发生急剧衰减，其缺点是吸收频段很窄［8］。

(2)按材料耗损机理的不同，可分为电阻型(导电损耗型)、电介质型(介电损耗型)和磁介质型(磁损耗型)。非磁性金属粉末、导电高分子及石墨等属于电阻型吸波材料，电磁能主要衰减于电阻上，其机理为当吸波材料受到外界磁场的感应时，吸波材料会在导体内产生感应电流，感应电流继而又产生与外界磁场方向相反的感应磁场，与外界磁场相互抵消，从而达到对外界电磁场的屏蔽作用;钦酸钡、铁电陶瓷等属于电介质型吸波材料，其机理为依靠介质的极化现象即电子极化、分子极化、离子极化或界面极化等对电磁波进行弛豫、衰减、吸收;铁氧体、羧基铁粉、磁性金属等属于磁介质型吸波材料，这类吸波材料的吸波机理主要可归结为以自然共振、畴壁共振、磁滞损耗和后效损耗等磁极化机制来衰减、吸收电磁波，其具有较高的正切磁损耗角，吸波能力较强，吸收频带较宽，是目前应用最为广泛的吸波材料类型。

(3)按材料成型工艺和承载能力，可分为涂敷型和结构型两大类。涂敷型吸波材料是将吸波剂与粘合剂混合后涂在目标表面形成吸波涂层，使材料具有一定的吸波效果，其以涂覆方便灵活、可调节性高、吸收性能好等优点受到世界各国的重视。此外，国外还在研制含放射性同位素的涂料和半导体涂料，其特点是吸波频带宽，反射衰减率高，使用寿命长;结构型吸波材料具有承载和吸收雷达波的双重功能，通常是将吸波剂分散在层状结构材料或特种纤维增强结构材料中所形成的结构复合材料，或是以透波性能好、强度高的高聚物复合材料(如玻璃钢，芳纶纤维复合材料等)做面板，夹芯采用蜂窝状、角锥体或波纹体的夹芯结构吸波材料。可成型成各种形状较为复杂的部件，如机翼、尾翼和进气道等，具有涂敷型材料不可比拟的优点，是当代隐身材料的主要发展方向。

(4)按研究时期还可以分为新型吸波材料和传统吸波材料。传统的吸波材料包括铁氧体、金属铁粉、轻基铁、钦酸钡、石墨、碳化硅、导电纤维等，缺点是吸波频带窄、密度大等;新型吸波材料有导电聚合物、高分子聚合物、手性材料、纳米材料、视黄基席夫碱等，其具有吸收能力强、密度小等优点。但不论是哪一类的吸波材料，单独使用其中一类或一种很难满足“薄、轻、宽、强”的要求。利用复合材料的协同效应及电磁参数可调的优点，将不同吸收频带、不同损耗机制(介电型损耗、电阻型损耗、磁损耗)、不同吸收机理的材料进行多元复合，有可能实现厚度薄，吸收频带宽、质量轻、吸收强的目标。近年来，对同时具有两种或两种以上功能特性的复合吸波材料的研究正逐渐成为热点。

1.2 吸波材料的研究概况

吸波材料种类繁多，各有特点，由于在军事和民用上的广泛应用，使其在国内外掀起了研究新型吸波材料的热潮，涂覆型吸波材料，又称吸波徐层，由于其施工方便，吸波性能优良，得到广泛应用，目前重点研究的涂覆型吸波材料主要有以下几种［9－12］。

(1)铁氧体吸波材料

铁氧体是铁元素与氧元素化合而形成的各类化合物，属亚铁磁性材料，其相对介电常数和相对磁导率均呈复数形式，为双复介质材料，具有磁吸收和电吸收两种功能，吸波性能来源于亚铁磁性及介电性能，其对电磁波的吸收主要通过极化效应和自然共振。它既能产生介电损耗，又能产生磁损耗，因此具有良好的微波性能。铁氧体吸波材料是目前研究较多而且比较成熟的吸波材料，在高频下磁导率较高，而且电阻率也较大，使电磁波易于进入并能快速衰减，被广泛地应用在雷达吸波材料及隐身领域及光催化领域中［13－14］。铁氧体可分为尖晶石型、石榴石型和磁铅石型等三种类型，均可作为吸波材料。铁氧体系列吸收剂，包括镍锌铁氧体、锰锌铁氧体和钡系铁氧体等。铁氧体吸波材料通常又分为尖晶石型与六角晶系两种类型，其中尖晶石型铁氧体的应用历史很长，但由于尖晶石型铁氧体的介电常数和磁导率都比较小，而且难以满足相对磁导率和相对介电常数尽可能接近的原则。目前对铁氧体的研究多集中于六角晶系，展开较多的是对钡系 M，W型六角晶系铁氧体材料研究［15－16］。单一铁氧体材料很难达到吸收频带宽、厚度薄和面密度小的要求，若把铁氧体粉与磁性微粒结合而制成复合铁氧体材料，可通过改变铁氧体粉体的粒径、组成等来控制其电磁参数，提高吸波性能。铁氧体吸收剂具有吸收强、吸收频带宽的特点，具有较好的频率特性，由于其相对磁导率较大，且相对介电常数较小，适合制作匹配层，在低频拓宽频带方面具有良好的应用前景。铁氧体吸波材料耐高温性能差，当温度由250℃至100℃变化时其吸收性能呈下降趋势，由于面密度较大，在隐身飞行器应用中受到很大限制，而高速飞行器(如米格25)，要求吸波材料在600℃以上工作，国内对铁氧体的研究水平吸收频宽为8～18GHz，吸收率为10dB，面密度5kg/m2左右。日本研制出的由阻抗变换层和低阻抗谐振层匹配组成的双层结构宽频高效吸波涂料，可吸收频率为1～2GHz的雷达波，吸收率为20dB。

(2)电介质陶瓷吸波材料

陶瓷类吸波材料目前国内外研制开发的主要有碳化硅、氮化硅、氧化铝、硼硅酸铝材料或纤维等，特别是碳化硅纤维或材料［17－18］。碳化硅纤维具有高强度(1～4GPa)、高模量(150～400GPa)、耐高温(＞1200℃)、抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变、低密度等优异性能，是耐高温陶瓷吸波纤维之一。PZT(锆钛酸铅)、BaTiO3等电介质材料也具有良好的吸波效果，但吸收带宽较窄。法国Alcole公司用玻璃纤维、碳纤维和芳酞胺纤维制成复合纤维，在这种复合纤维中加入 TiO2后可使其耐高温达1200℃，其主要特征是具有较小的电阻率(0～10Ω·cm)，这使其具有较佳的吸波特性。

(3)多晶铁纤维吸波材料

多晶铁纤维的研究始于20世纪80年代中期，是一种轻质的磁性雷达波吸收材料，吸收剂包括Fe，Co，Ni及其合金纤维吸收剂，具有复合损耗机理(涡流损耗、磁滞损耗、介电损耗)。目前所使用的大部分隐身材料磁性吸收剂质量太重，难以实现在导弹等飞行武器上应用。多晶铁纤维以其独特的形状各向异性、质量轻、频带宽和斜入射性能好等优点备受青睐。由于纤维的长度、直径、排列方式、电导率等对吸波体的电磁参数的影响较大，所制备的吸波体稳定性差，制备实用价值较高的纤维吸波材料还有待进一步研究。

(4)导电高分子吸波材料

导电高分子吸波材料一般是由有机高分子物质(树脂类、橡胶类、聚乙炔、聚毗咯等)与导电物质(金属、非金属类及氧化物类填料)或掺杂剂(浓硫酸、盐酸、三氯化铁及其它有机物)经过一定的复合工艺复合而成。目前，制备导电高分子复合吸波材料的填料主要包括金属系材料和碳系材料金属系材料两大类，碳系材料中的石墨、炭黑、碳纳米管等以其优异的性能而得到广泛的应用［19］，与其他吸波材料相比，导电高分子材料密度小(只有铁氧体的1/5)，电导率可以在绝缘体、半导体和导体范围内变化而呈现不同的吸波特性，可通过掺杂调节电导率来控制其吸波性能，导电高分子材料的质量轻、密度小(一般在1.0 g/m3的范围内)，且具有很好的加工成膜、成纤性，电、光、压力等因素影响其导电、颜色、红外等性能，结构多样，热稳定性好，能较好的适应环境。目前对该材料的研究主要集中在不同导电填料及其用量、不同掺杂剂对吸波性能和导电性能的影响。据美国宾夕法尼亚大学的报道用聚乙炔做成的2.0mm的膜层，对35.00GHz的微波吸收达90%。国内的研究人员将能导电的高分子聚合物苯胺与氰酸盐晶须的混合物，悬浮在聚氨酯或其他聚合物基体中研制出一种透明吸波材料，这种材料可以喷涂，也可以与复合材料组成层合材料。导电高分子作为一种新型的吸波材料，由于其优良的特性，已成为研究的热点。

(5)纳米吸波材料

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1－100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料由“颗粒组元”和“界面组元”两种组元构成。独特的结构使其具有量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、小尺寸和界面效应，从而使它的电、磁、光、热等物理性质和催化、吸收等化学性质发生奇特的质的变化，不仅磁损耗大，而且兼具透波、吸波、偏振等多种功能，同时兼有吸收频带宽、兼容性好、厚度薄等特点，使其具有良好的吸波特性。纳米吸波材料的研究和应用比较深入，美国研制出的被称作“超黑”的纳米材料，吸波率高达99% 。法国研制成的纳米CoNi超微粉宽频微波吸收涂层，厚度约8nm，复磁导率在0.1GHz-18GHz大于6，与粘接剂复合而成的吸波涂层在50MHz～50GHz频率范围内吸波性能良好。

2 吸波材料的应用

在日益重要的隐身和电磁兼容(EMC)技术中，电磁波吸收材料的作用和地位十分突出，已成为现代军事中电子对抗的法宝和“秘密武器”，其工程应用主要在以下几个方面。

2.1 军事方面

在飞机、坦克、导弹、舰艇、仓库等各种武器装备和军事设施上面涂覆吸波材料，就可以吸收侦察电波、衰减反射信号，从而突破敌方雷达防区，是反雷达侦察和减少武器系统遭受红外制导导弹和激光武器袭击的的一种有力手段和方法，如美国B－1战略轰炸机由于涂覆了吸波材料，其有效反射截面仅为B－52轰炸机的1/50;美国先进隐身轰炸机B－2是大部分使用甚至全部使用复合材料的最大的飞机，它的雷达截面积小于0.1m2。在0H－6和AH－1G型眼镜蛇直升机发动机的整流罩上涂覆吸波材料后可使发动机的红外辐射减弱90%左右［20］。在1990年的海湾战争中，美国首批进入伊拉克境内的F－117A飞机就是涂覆了吸波材料的隐形飞机，F－117A隐身战斗轰炸机，遵循了“下吸上散”的设计原则。除了采用独特的外形布局外，大量采用了雷达波反射小的碳纤维复合材料和硼纤维复合材料。采用它们有效地避开了伊拉克的雷达监测。近年来，美国、日本等国在新一代导弹的研制中都把导弹的隐身性能做为衡量导弹先进性的一个重要方面。新一代的导弹几乎都具有隐身能力，而各种先进复合材料和吸波材料也在导弹上得到了广泛应用。由于巡航导弹射程远，速度较慢，因此，为了提高巡航导弹的生存能力和突防能力，应用隐身技术就显得尤为重要。美国的“战斧”巡航导弹的雷达散射截面仅有0.05m2，新一代巡航导弹AGM-129的雷达散射截面将会比“战斧”巡航弹的更小［21］。据悉，近年来由瑞典海军研制成功的世界上第一艘隐形战舰已经投入使用，美、英、俄、日等国也均已研制出自己的隐形坦克和其它的隐形作战车辆。此外，电磁波吸波材料还可用于隐蔽着落灯等机场导航设备以及其它的地面设备、舰船桅杆、甲板、潜艇的潜望镜支架和通气管道等设备。吸波材料也可以作为柔性隐蔽材料(伪装网)，用于遮盖军事目标，防止雷达探测。瑞典的Diab Barrcauda AB公司专门从事研发和制造伪装材料，生产的产品具有国际领先水平。该公司采用双层屏蔽材料制备出的热伪装网不仅能防护毫米波、厘米波的探测，也能对可见光、近红外和热红外起到一定作用。中国兵器工业第五九研究所的工程师们设计出的具有隐形功能的蓬盖布，经过测试反射率可达－10dB。

2.2 民用方面

(1)改善整机性能

飞机机身对电磁波反射产生的假信号，可能会导致高灵敏机载雷达假截获或假跟踪;飞机或舰船上的几部雷达同时工作时，雷达收发天线间的串扰有时会十分严重，机上或舰上自带的干扰机也会干扰到自带的雷达或通信设备。因此，为减少诸如此类的干扰，国外常用吸收电磁波优良的磁屏蔽材料来提高雷达或通信设备的性能。如在雷达或通信设备机身、天线和周围一切干扰物上涂覆吸波材料，则可使它们更灵敏、更准确地发现敌方目标［20］;在雷达抛物线天线开口的四周壁上涂覆吸波材料，可减少副瓣对主瓣的干扰和增大发射天线的作用距离，对接收天线则起到降低假目标反射的干扰作用;在卫星通信系统中应用吸波材料，将避免通信线路间的干扰，改善星载通信机和地面站的灵敏度，从而提高通信质量［22］。

(2)吸波材料在电子抗干扰中的应用

随着电子技术的飞速发展，电子产品尤其是移动通讯设备、计算机、各种一般家用电器的普及，人们的生活环境已经遭受到电磁波的严重污染，电子环境由于城市高层建筑的增多在不断恶化，如何减少电磁波的干扰已成为全球电子行业普遍关注的问题。目前用于降低电磁波干扰的产品和吸波材料的产量正与日俱增，新产品也不断涌现［23］。

(3)吸波材料在建筑上的应用

建筑吸波材料延用了军事中吸波材料的概念，但是也有显著的差异。军事上雷达的电磁波要求频率更高，频段更窄。在材料成本方面，军事领域的吸波材料成本较高。要将吸波材料用于建筑领域，降低材料成本则是一个必须考虑的因素，选择经济有效的吸波材料应用于建筑物防辐射，才是推广应用的前提［24］。在电磁环境易受到污染的公共建筑、公共场所、居民小区等区域，可开发具有吸波性能的建筑材料，使建筑物对电磁波具有强吸收、低反射的作用来减少电磁辐射所带来的各种不良影响［25］。

3 吸波材料的理论研究及测试

3.1 吸波机理

3.1.1 材料损耗

(1)电阻型(导电损耗型)，电磁能主要衰减在电阻上，其机理为当吸波材料受到外界磁场的感应时，吸波材料会在导体内产生感应电流，感应电流继而又产生与外界磁场方向相反的感应磁场，与外界磁场相互抵消，从而达到对外界电磁场的屏蔽作用。

(2)电介质型(介电损耗型)，其机理为依靠介质的极化现象即电子极化、分子极化、离子极化或界面极化等对电磁波进行弛豫、衰减、吸收。

(3)磁介质型(磁损耗型)，这类吸波材料的吸波机理主要可归结为以自然共振、畴壁共振、磁滞损耗和后效损耗等磁极化机制来衰减、吸收电磁波，其具有较高的正切磁损耗角，吸波能力较强，吸收频带较宽，是目前应用最为广泛的吸波材料类型。

3.1.2 相位干涉

干涉相消是利用吸波涂层表层和底层两列反射波的相干即振幅相等、相位相反进行干涉抵消来设计吸波涂层。当电磁波垂直入射到吸波涂层表面时，一部分被反射出去，称之为第一反射波。其余部分透入涂层，在自由空间与涂层的界面和涂层与金属的界面之间进行来回反射。在反射波每次返回自由空间与涂层的界面时，都有一部分波会穿出此界面，返回到自由空间。这部分波叠加以后形成第二反射波［8］。如果第一反射波与第二反射波处于同一偏振面上，且相位差为180°，则会发生干涉，使总的反射波能量发生急剧衰减。

3.2 电磁参数及其物理意义

3.2.1 吸波材料的重要电磁参数

当电磁波作用在吸波材料上时，电磁波会使吸波材料内部发生磁化和极化，并反之对外加电磁场产生影响。材料内部的电感应强度D，磁感应强度B与电场强度E和磁场强度H之间的关系是［26－27］:

研究吸波材料的重要电磁参数有复介电常数和复磁导率，其复数形式为

在以上定义式中，ε'，μ'是吸波材料在电磁场作用下产生极化和磁化程度的变量;ε″为外加电场下，材料的电偶极矩发生重排引起的损耗的量度;μ″是在外加磁场下材料的磁偶极矩发生重排引起的损耗量度;由此可见，对介质而言，承担着电磁波吸波功能的是电导率和磁导率的虚部ε″和μ″，它们引起能量的损耗，介质损耗角δ的正切即损耗因子 tanδ可以用下式表示［28－29］:

式中:δE为电感应场D相对于外加电场的滞后相位;δM为磁感应场B相对于外加磁场的滞后相位。因此，tanδ随ε″和μ″的增大而增大。材料的ε″和 μ″和 tanδ越大，吸波性能越好。

3.2.2 主要电磁参数的测试方法

吸波材料的主要电磁参数有介电常数和磁导率，本论文主要通过介电常数来研究材料的吸波性能，下面主要介绍介电常数的测试方法。

介电常数测试采用德国Novocontorl Gmbh公司制造的Novocontrol Technologies Alpha-A High Performance Frequency Analyzer即BDS50介电谱仪测试介电常数，测试频率范围0～107Hz。由于纺织品本身的特性，其介电常数很容易受到空气湿度及温度的影响，所以本次实验在恒温恒湿(20～22℃、64% ～66%RH)条件下进行测试。

Novocontrol介电阻抗谱仪通过与Agilent高频分析仪的结合达到极宽的频率范围(3μHz～3GHz);具有很高的分辨率(可达10－5)，能灵敏地测量低电导率和低损耗的材料;具有较宽的阻抗分析范围(10mΩ～100TΩ)。其测量的样品材料，不但包含各种固体、薄膜，甚至可以测量液体和粉末等材料的介电特性。自主研发的全自动在线软件控制，以及多种温度控制模式的设计，使得Novocontrol介电阻抗谱仪被广泛的用来测量材料的介电性能。

4 吸波材料的性能评价

电阻率(ρ)、复介电常数(ε)、复磁导率(μ)和介质损耗角正切(tanδ)等参数是保障材料原始组分和整个材料吸收电磁波的基本物理特性，是评价吸波材料的主要参数［30－31］。

4.1 电阻率(ρ)

理论研究表明，当介质组分的损耗很小，甚至可以略去不计时，在金属一介质、半导体一介质型吸波材料中，其吸波性能在很大程度上是由漏泄电导决定的。所以，有必要对金属、半导体的电阻率的本质作一深人探讨。

4.2 复介电常数(ε)和复磁导率(μ)

复介电常数(ε)和复磁导率(μ)是吸波材料电磁特性的两个基本参数，是评价吸波材料性能优劣的主要依据。

4.3 介质损耗角正切(tanδ)

介质损耗角正切(tanδ)是表征吸波材料的一个重要电磁参数，在实践中的应用较为广泛。在损耗取决于电导的情况下，介质损耗角正切由复介电常数决定，tanδ=ε″/ε'。

4.4 反射率

反射率是能比较直接的反映吸波效果的参数，值越小，表明吸波材料的吸波性能越好，因此对吸波材料的要求是在规定的工作频率内，其反射率低于－10dB。而反射率小的吸波材料具有较大的介电常数和磁导率，但介电常数并不是越大越好，介电常数过大，尤其是虚部过大时，材料的阻抗与自由空间失配，对电磁波反射强烈，使吸波性能变差。

5 吸波材料的发展前景与趋势

对于吸波材料的研究已经取得长足的发展，但随着电子信息技术的发展，电子环境的恶化，对吸波材料的要求也发生了变化。近年来，紧紧围绕“薄、轻、宽、强”的要求，为进一步提高吸波性能使吸波材料的研究呈现出以下趋势:

(1)复合化

根据目前吸波材料的发展现状，单一的材料很难同时满足“薄、轻、宽、强”的要求，因此需要将多种材料进行复合以获得最佳效果，其中采用有机/无机纳米复合技术，将不同的损耗机制、不同的吸收频带的材料进行多元复合，可方便地调节复合物的电磁参数以达到阻抗匹配的要求，而且能够明显地减轻质量，有望成为今后吸波材料研究与发展的一个重点方向。

(2)低维化

为探索新的吸波机理和进一步提高吸波性能，纳米微粒、纤维、薄膜等低维材料日益受到重视，研究对象主要集中在磁性纳米粒子、纳米纤维、颗粒膜与多层膜等上。它们具有兼容性好、质量轻、吸收频带宽、吸收强等优点，极具发展潜力。

(3)多频谱兼容化

随着米波雷达、激光雷达等先进探测器的问世，仅采用对抗单一频带的隐身材料已经不能满足要求，只有发展对抗多种探测仪器的宽频谱隐身材料才能满足军事装备隐身的需要。因此发展兼容红外激光、米波、厘米波、毫米波等多频段隐身的宽频谱隐身材料必然成为隐身技术发展的重要方向之一。

(4)智能化

智能化材料能够感知背景环境的变化，并通过调节材料自身的结构和电磁特性来对外界环境信号做出最佳响应，达到与背景环境的融合、匹配。DARAM密度低，电磁参数在特定频率下可调节，从而受到各国的高度重视。

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