电磁双复微波吸收轻质隐身材料的研究进展

曹先觉，王汝敏，齐暑华

（西北工业大学理学院应用化学系，陕西 西安 710129）

电磁双复微波吸收轻质隐身材料的研究进展

曹先觉，王汝敏，齐暑华

（西北工业大学理学院应用化学系，陕西 西安 710129）

介绍了吸波材料及其吸波原理，综述了铁氧体、导电聚合物及磁性金属微粉吸波材料近几年在国内外的研究进展，并对其发展趋势进行展望，指出了空心玻璃珠是实现吸波材料性能提高的新方向。

吸波材料；铁氧体；微波吸收性能；空心玻璃珠

微波吸收材料是一种重要的功能材料，它在隐身技术、微波通讯、微波暗室、抗电磁辐射以及防止电磁污染等方面得到了广泛的应用[1]。吸波材料按其承载能力可分为结构吸波材料和涂层吸波材料2大类。结构吸波材料是一种多功能复合材料，它不但能够有效地吸收雷达波，同时还用于结构件，具有复合材料质轻高强的特点，其结构多为导电纤维混编的复合材料。涂层吸波材料具有施工简单、使用方便、易于维护、可设计性强等优点，一直受到隐身技术研究与设计人员的重视，然而与结构吸波材料相比，吸波涂层所增加的附加质量及它们的吸收频带较窄的缺点也使其应用受到一定程度的限制。因此如何克服这一难题成为涂层吸波材料研究的关键[2]。

1　吸波材料的分类与吸波原理

雷达吸波材料简称吸波材料，是指能吸收投射到它表面的电磁波能量，或通过材料的电磁损耗使其能量转化为热能或其他形式的能量而耗散掉的一类材料。根据吸波机理的不同，吸波材料的损耗介质可以分为电损耗型和磁损耗型2大类：电损耗型吸波材料主要通过介质的电子极化、离子极化或界面极化来吸收、衰减电磁波，如钛酸钡类；磁损耗型吸波材料主要通过磁滞损耗、畴壁共振和后效损耗等磁极化机制来吸收、衰减电磁波，如铁氧体、羰基铁等。

吸波材料吸收电磁波的基本要求主要有2条：一是入射电磁波最大限度地进入材料内部而不是在其表面就被反射，即要求材料的表面阻抗匹配；二是进入吸波材料内部的电磁波能迅速被吸收而衰减掉，即材料的衰减特性。

吸波材料的吸收特性一般用介电常数ε和磁导率μ表征，其能量损耗tanδ可由式（1）、（2）表示：

式中：ε′和ε″分别为介电常数实部和虚部；µ′和µ″分别为磁导率实部和虚部；δe与δm分别为电损耗角与磁损耗角；tanδe为电损耗，tanδm为磁损耗。

材料对电磁波的吸收取决于ε″与µ″，当ε″与µ″均为零时，材料电磁波损耗为零。由此可以看出，材料的ε″，µ″和tanδ越大，吸波性能越好。增大吸收剂的ε″和µ″，对于提高其吸波性能具有决定作用。而增加吸收剂在基体中的体积分数也可以提高材料的tanδ，相比而言，提高吸收剂体积分数比提高吸收剂的ε″，µ″更易实现。

2　吸波材料研究现状

目前，很多吸波材料的研究手段已经比较成熟，吸波材料正在向频带宽、厚度薄、质量轻、吸收强等高性能方向发展，同时新机理型吸波材料也在不断开发中。常见的吸波材料主要有以下几种：

2.1铁氧体

由于强烈的铁磁共振吸收和磁导率的频散效应，铁氧体是一种较好的吸波材料。这种材料的优点是涂层厚度薄、质量轻、稳定性好，且具有吸收强、频带宽及成本低的特点，因而被广泛应用于隐身领域[3]。自然共振是铁氧体吸收电磁波的主要机制。聂翔[4]采用sol-gel法制备了钡铁氧体（BaFe12O19）和锌铁氧体（ZnFe2O4），并研究了雷达波的微波吸收性能。结果表明，磁铅石型BaFe12O19在10 GHz、11 GHz处的最小反射损耗分别为-11.27 dB、-12.01 dB，对雷达波的吸收性能优于ZnFe2O4。

2.2导电聚合物

导电高聚物（ICPs）是由共主链的绝缘高分子通过化学或电化学方法与掺杂剂进行电荷转移复合而成的。因具有结构多样化、密度低和特殊的物理、化学性质等一系列优点而引起科学界的广泛关注。美国宾夕法尼亚大学的Heeger A J、MacDiarmid A G和日本筑波大学的白川英树发现采用I2或AsF5掺杂的聚乙炔（PA）薄膜有很好的导电性。之后，人们又相继开发了聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANI）、聚噻吩（PTH）等导电高聚物。经过后续多年的研究，导电聚合物在掺杂方法与机理，材料的分子设计与合成，结构与电、磁、光等物理性能及相关机理，导电机理，可溶性和加工性，实用化和技术探索等诸多方面都取得了很大的进步，并正向可实用化方向快速发展[5]。导电高聚物有加工性好、密度低、结构多样化、电磁参量可调以及可分子设计性等独特优点，满足吸波材料“薄、轻、宽、强”的要求，在吸波领域有着广阔的发展前景。

2.3磁性金属微粉

超微磁性金属微粉主要包括Fe、Co、Ni粉以及它们的合金粉。近年来，各国已经对磁性金属微粉展开了广泛研究[6～8]，法国巴黎大学对微米级Ni、Co粉末的吸波性能进行了研究，发现在1～8 GHz内出现最大吸收值。此外，金属微粉吸波材料已经得到实际应用，如美国F/A-18C/D“大黄蜂”隐身飞机使用的就是羰基铁微粉吸波材料。

尽管对于磁性金属微粉材料吸波性能方面的研究已经取得了较好的结果和应用，但由于其密度大，抗氧化性和耐酸碱性差，远不如铁氧体材料发展快。因此，磁性金属微粉向复合化和纳米尺度方向的研究[9，10]将是今后的研究重点。

3　微波吸波材料的发展趋势

3.1低维化

为探索新的吸收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，研究对象集中在磁性纳米、纳米纤维、颗粒膜与多层膜[21]。它们具有吸收频带宽、兼容性好、吸收强、质量轻等优点，极具发展潜力。

3.2复合化

根据目前吸波材料的发展现状，一种类型的材料很难满足日益提高的隐身技术所提出的“薄、宽、轻、强”的综合要求，因此需要将多种材料进行各种形式的复合以获得最佳效果[22]，其中采用有机/无机纳米复合技术可以方便调节复合物的电磁参数以达到阻抗匹配的要求。

3.3多频谱兼容化

目前的反雷达探测隐身技术主要是针对厘米波段雷达，覆盖的频率段有限。例如，谐振型吸波材料只能吸收一种或几种频率的雷达波；介电型吸波材料与磁性吸波材料主要覆盖范围大致分别在厘米波段的低端和高端。而近年来随着先进红外/紫外探测器、米波段雷达、毫米波段雷达等新型先进探测器的相继问世，以及装备部队使用，给原有的隐身手段提出了新的严峻挑战。这就要求隐身材料具备宽频带吸波特性，即用同一种隐身材料对抗多种波段的电磁波源的探测。

3.4智能化

智能型材料是一种具有感知功能、信息处理功能、自我指令并对信号作出最佳响应功能的材料。这种可根据环境变化调节自身结构和电磁特性并对环境作出最佳响应的概念为隐身材料的设计提供新的思路和方法[23]。

4　铁氧体材料

4.1铁氧体材料的种类及特点

铁氧体是一种具有铁磁性的金属氧化物，价格便宜、化学稳定性好，是发展最早、研究最多、较为成熟的吸波材料。早在20世纪40年代初期，铁氧体就已经作为微波吸收材料使用。按晶体结构的不同，铁氧体主要分为尖晶石型、石榴石型和磁铅石型3大类[24]，如表1所示，它们均可用作吸波材料。

磁铅石型铁氧体属于六角晶系，共有6种相似结构的六角晶系铁氧体[25]，分别为M、W、X、Y、Z和U型，如表2所示。研究表明，磁铅石型铁氧体材料的吸波性能最好。这是因为它具有吸收剂的最佳形状-片状结构；此外，它具有较高的磁性各向异性等效场，故有较高的自然共振频率。

4.2铁氧体的微波吸收机理[26，27]

在交变磁场作用下，磁性介质的损耗机制主要有：

表1　铁氧体材料的类型Tab.1　Type of ferrite materials

表2　磁铅石型铁氧体的晶体结构Tab.2　Crystal structure of magnetoplumbite type ferrite

（1）涡流损耗：当通过导体的磁通量随时间发生变化时，导体内部会形成涡流，产生涡流损耗，从而使得电磁能转化为热能形式被损耗掉。

（2）磁滞损耗：磁滞是指当铁磁材料的磁性状态发生变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场强度H之间呈现磁滞回线关系。经一次循环，每单位体积铁芯中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积。产生磁滞损耗的内在机理为畴壁的不可逆移动。

（3）磁共振：磁体中的磁偶极子以固有频率振动，当外加磁场与该固有频率相同时，将引起磁共振，致使材料强烈吸收电磁波。

（4）剩磁效应：由于磁通密度B的变化要比外加磁场滞后一个相位角，因此当外加磁场变为零时，磁体中磁通密度B却不为零，从而产生剩磁。若要使磁通密度B变为零，须外加反向磁场，这个消除剩磁的过程将消耗磁场的能量。

4.3Fe3O4磁性材料

Fe3O4是一种最基本的铁氧体，是世界上应用最早的一种磁性材料，铁磁性颗粒具有很强的磁性，可在很低的磁场中获得很强的磁感应，甚至磁饱和，还有其他的一些特殊的磁特性。

Fe3O4在外磁场作用下能够定向移动，当Fe3O4的粒径在一定范围之内时具有超顺磁性，以及在外加交变电磁场作用下能产生热量等特性，另外纳米磁性Fe3O4粒子由于其原料价格低廉、化学稳定性好以及制备方法相对简单等优点已得到广泛的研究[28]。

5　空心玻璃微珠

高性能空心玻璃微珠（简称空心玻璃微珠）是一种新型节能、清洁轻质填料。它具有中空、质轻、隔热保温、电绝缘强度高、耐磨、耐腐蚀、防辐射、隔音、吸水性低、化学性能稳定等特点。

空心玻璃微珠主要化学成分是碱石灰硼硅酸盐玻璃，微珠是一颗颗透明的微米级玻璃质密闭中空正球体，有坚硬的球壳，球体内充有稀薄的N2，宏观上为纯白色的粉末。其粒径大小不等，最小颗粒粒径为2 µm，平均粒径为 35 µm。壁厚约为其直径的10%。因为中空使它具有质轻的特点，而粒径大小不等可以形成粒径互补，具有合理填补空隙的特点[29]。

它具有以下优点：（a）密度小，容易在有机体系中均匀分散，而且可在0.25～0.60 g/cm3间进行密度调节；（b）抗压能力强，可在2～60 MPa 进行调节，在研磨、混合过程中不易破碎；（c）热导率低，20 ℃时，可在0.051 2～0.093 4 W/mk间进行调节；（d）晶型稳定，一般不与除HF外的酸碱等起反应，即稳定性优异。

6　展望

综上所述，铁氧体、导电聚合物及磁性金属微粉等吸波材料的研究手段已经比较成熟，吸波材料正在向频带宽、厚度薄、质量轻、吸收强等高性能方向发展，低维化、复合化、多频谱兼容化和智能化是吸波材料的发展方向。空心玻璃微珠由于其各项优异性能，正在成为新的研究热点。

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Research progress of double complex and light-stealth materials with electromagnetic microwave absorption

CAO Xian-jue, WANG Ru-min, QI Shu-hua
(Department of Applied Chemistry, School of Natural and Applied Science, Northwestern Polytechnical University, Xi’an, Shaanxi 710129, China)

In this paper, the microwave absorbing materials and their action principle were introduced. The research progress of ferrite, conductive polymer and magnetic metal powder absorbing materials in recent years were reviewed. Finally, the development trend was prospected and it was pointed out that using the hollow glass beads would be a new direction to improve the performance of microwave absorbing materials.

wave absorbing material; ferrite material; microwave absorption properties; hollow glass beads

TQ333.6

A

1001-5922（2016）10-0068-04

2016-07-28

曹先觉（1991-），男，硕士研究生，主要从事吸波材料的研究。E-mail：1446187137@qq.com。

通讯联系人：齐暑华（1949-），女，教授，硕士与博士生导师，主要从事功能材料的研究。E-mail：qishuhua@nwpu.edu.cn。