装备隐身中的石墨烯吸波材料应用研究

摘  要：针对现代军事装备隐身对吸波材料的吸收性能、力学性能、透光性能要求的不断提升，传统的铁氧体吸波材料难以满足性能要求。作为新型质轻、高吸收性能、强力学性能的纳米材料，石墨烯在军事装备隐身中具有较为广泛的应用前景。本文针对应用于装备隐身领域的石墨烯轻质结构吸波材料制备，对现有技术进行了系统性分析，包括晶体生长工艺、结构设计技术、数值计算方法，提出一种石墨烯轻质结构吸波材料制备方案，并对未来石墨烯质轻高性能吸波材料的发展方向进行了总结和探讨。

关键词：装备隐身;吸波材料;石墨烯;电子技术

中图分类号：TQ127.11;TB34      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）19-0049-03

Abstract：In view of the increasing requirements of modern military equipment stealth for absorbing properties，mechanical properties and transmittance properties of absorbing materials，traditional ferrite absorbing materials are difficult to meet the performance requirements. As a new type of nano-material with light weight，high absorptivity and strong mechanical properties，graphene has a wide application prospect in military equipment stealth. Aiming at the preparation of graphene light structure absorbing materials used in stealth equipment，this paper systematically analyzed the existing technologies，including crystal growth process，structural design technology and numerical calculation method，proposed a plan for preparing graphene light structure absorbing materials，and proposed a plan for future graphene light and high performance absorbing materials. The development trend of graphene light and high performance absorbing materials in the future is summarized and discussed.

Keywords：equipment stealth;absorbing materials;graphene;electronic technology

0  引  言

裝备隐身在战争中起到隐蔽我军、妨碍敌人侦察和射击、创造有利条件获得战场优势的重大作用，从而显现出巨大的威力，已成为武器装备先进性评价的重要指标。装备隐身通过装备表面覆盖隐身材料以减少目标与背景在光照、热红外、微波波段等电磁波波段的散射或辐射性的差别，以隐蔽目标或降低目标的可探测特征[1]。近年来，隐身装备对隐身材料不仅提出了电磁学性能要求，还提出了力学性能要求，需要隐身材料具有质轻、宽带、吸收率高等特点。

本文针对各种应用场景下装备对轻质、宽带隐身材料的技术需求，对石墨烯的应用前景以及技术路线进行了分析;对现有石墨烯吸波材料制备技术进行了归纳分析;提出将石墨烯技术和超材料技术融合，设计并制备石墨烯基轻质、宽频吸波结构复合材料;设计了包括精细结构石墨烯制备、石墨烯吸波材料结构设计的实现方案。

1  装备隐身领域石墨烯吸波材料的优势及研究方向

目前，在军用武器作战平台的表面涂覆一层吸波材料是最常用的隐身方法。但是，传统的吸波材料在低频段存在频带较窄、厚度大、质量重、弯曲性能有限等缺点，很难满足现代武器装备隐身技术对吸波材料的“薄、轻、宽、强”的要求。

石墨烯是目前世界上最薄以及最坚硬的纳米材料，具有导电率高、耐热性能好、质量轻、易弯曲、微波波段吸波性能稳定等优点。因此，利用石墨烯制作吸波材料将具有频带宽、质量轻、吸收性能强、厚度薄、弯曲性能好等优点。此外，石墨烯的导电率可通过外加偏置电压调节，这使得它在制作吸收率和吸收谱可调吸波材料方面具有得天独厚的优势。同时，石墨烯具有很高的透光性，在400～700nm可见光范围内，石墨烯的透光率可达90%以上，这使得利用石墨烯制作透明吸波材料，可应用于机舱、装甲车窗等关键特殊部位隐身。

目前，吸收型隐身技术是利用介质或金属结构对点电磁波的损耗来减小电磁波幅度的。一般地，传统吸波材料利用介质损耗进行电磁波吸收。这种方法一般仅能够满足某个波段的隐身需求，但是无法实现X和Ku波段的宽带高效隐身。虽然可以通过增加吸波材料的厚度来获取更高的吸波率。但是，这增加了吸波材料的重量，也大大减小了装备有效载荷，难以广泛应用。因此，急需对质轻、宽带的吸波材料展开技术攻关，满足当今武器装备对隐身材料的需求。

石墨烯作为一种高性能二维材料，基于石墨烯的优异物理性质，结合超材料吸波技术，可以实现质轻、宽带的吸波材料。但是，超材料技术需要石墨材料具有特定的电学性能和几何结构，例如需要制备具有特定方阻的3层石墨烯堆叠周期结构。因此，为了实现质轻、宽带的吸波材料，急需对石墨烯基吸波材料的材料制备以及结构设计展开研究。

2  石墨烯吸波材料制备技术

2.1  机械剥离法

机械剥离方法就是使用外部机械应力，直接将石墨烯从块状的石墨上剥落下来，实现较为容易。目前，还有许多新的机械方法，如滑动摩擦法、机械压力法[2]等。但是这些方法效率不高，制备出的石墨烯尺寸、层数难以控制，一致性较差，难以获得大面积的石墨烯薄膜，不适合规模化生产。

2.2  热解SiC外延生长法

热解指的是在单晶碳化硅的特定晶面上将晶体热解并脱除硅原子来制备石墨。该方法最早由C.Berger等人在2009年实现。具体的做法一般为：将样品的表面进行氧化或氢气刻蚀后，在超高真空下进行电子轰击加热到1000℃以去除表面氧化物，通过俄歇电子能谱确認氧化物已完全去除后，样品再加热至1250～1450℃并恒温10～20min，从而形成极薄的石墨稀片层[3]。相比微机械剥离法制备石墨烯，热解碳化硅外延生长法最大的优势在于与半导体工艺兼容性好。其主要缺点在于制备条件较为苛刻，往往需要超高真空环境和高温，此外碳化硅基底非常昂贵且制备的石墨烯难以转移，在微电子以外领域的应用存在困难。

2.3  氧化还原法

氧化还原法是以化学法获得的氧化石墨烯分散液为前驱体，通过化学还原反应尽可能去除氧化石墨中含有的环氧基、羟基、羰基和羧基等含氧基团，从而获得石墨烯分散液。使用时，只需涂在基片上即可获得导电的石墨烯薄膜。氧化还原法的优势在于可以大量快速地生产石墨烯，且工艺简单，成本低廉，容易控制;但是氧化石墨很难被完全还原，这将使石墨烯的晶体结构存在大量的缺陷，致使导电特性不足。对于一些对导电性要求不高的应用领域，这种石墨烯薄膜制备工艺可以发挥其低成本的优势，但如果要发挥石墨烯的阻抗吸收特性，则难以达到应用要求。

2.4  化学气相沉积法

化学气相沉积法（CVD法）通常以铜或镍等金属为衬底，使用有机碳源气体在金属表面的催化裂解提供碳源，从而在衬底表面获得连续的石墨烯薄膜。采用CVD法制备石墨烯最大的优势在于可制备大面积连续的高品质低缺陷石墨烯。更为重要的是，CVD法制备的石墨烯可以方便地转移至几乎任意材料的衬底。这些优点使得基于金属衬底的CVD法成为目前面向透明导电薄膜和吸波材料等应用领域的主要石墨烯制备方法。

针对石墨烯吸波材料这一新的应用领域，CVD法石墨烯制备技术将面临新的挑战。首先，石墨烯层数与其吸波性能紧密相关，所以除了通过衬底处理等方法降低成核密度控制提高单晶尺寸以减少晶粒晶界，利用复合金属作为生长衬底，从而控制石墨烯生长层数，从而优化石墨烯薄膜的吸波特性将是重要的研究内容。另一方面，石墨烯的表面等离子体激元现象的产生与其吸波特性密切相关。石墨烯与介质层或其他元素原子、原子团的复合工艺，是石墨烯薄膜吸波材料制备面临的重要课题。

3  石墨烯吸波材料设计技术

3.1  石墨烯电压偏置可调吸波技术

近年来，研究者们逐渐意识到石墨烯在制作吸波材料方面的巨大优势，各种基于石墨烯的太赫兹功能的器件开始出现，Wang和Huang分别利用石墨烯作为高阻表面，并将该材料应用于谐振频率和方向图可重构的太赫兹天线[4]。这些器件通过改变石墨烯的偏置电压或给不同石墨烯贴片加偏置电压来调整高阻面的反射相位，从而调整天线的谐振频率和辐射方向，但这些天线却存在工作带宽不稳定、增益不稳定以及效率较低的问题。丹麦科技大学的Andrei Andryieuski博士设计了超材料可调吸波体，基本实现了吸收率随石墨烯偏置电压的动态调节[5]，KAUST大学的Muhammad Amin利用多层石墨烯设计了超宽带吸波体，通过调节不同层石墨烯的偏置电压，实现了相对带宽超过70%的超高吸波特性。

3.2  石墨烯超材料吸波技术

传统的超材料技术吸波体都是在微波介质材料上刻蚀并使用金属结构填充实现吸波特性，这种方法不但难以实现宽带吸波，还属于刚性材料，重量重、无法弯曲。将石墨烯与超材料技术结合可以实现石墨烯超材料，有望解决传统超材料的上述问题。目前，这种超材料吸波体将石墨烯设计成具有一定几何图形的石墨烯周期结构。

2013年，南京航空航天大学的Xu利用石墨烯-Si- SO02复合结构设计了吸收频率可调的THz吸波体，西安交通大学的Shi利用石墨烯-介质复合材料和石墨烯-金属混合结构，设计了高吸收率并且频段可调的THz吸波体。

3.3  各类技术分析

但是，目前关于石墨烯吸波体的研究，大多停留在THz波段，关于微波波段的石墨烯吸波体的研究非常少，这些研究大多利用了石墨烯的电导率可调特性，基本实现了吸收频段或者吸收率可调。但这些吸波体要么工作带宽较窄，要么可调频率有限，此外，关于石墨烯吸波体的研究大多只有数值仿真结果，实验测试结果较少，与此同时，目前的研究对石墨烯吸波体的基本工作原理还缺乏足够的理论分析，还有许多关键的基础性问题有待解决，如石墨烯产生表面等离极化激元现象的基本原理，石墨烯外加偏压对石墨烯器件性能的调制规律，以及石墨烯载流子迁移率对石墨烯吸波性能的影响等。

随着石墨烯加工技术的进步，基于多层石墨烯的吸波体开始出现，但是，对多层石墨烯的层间互扰问题，以及互扰对石墨烯导电率的影响等问题，目前还没有相关研究。同时，由于目前大部分数值模拟方法都将石墨烯层进行了简化，忽略了石墨烯层的厚度、带间导电率和各向异性特征，因此，关于石墨烯厚度和带间导电率对石墨烯电磁特性的影响，以及磁偏置下石墨烯的各向异性等问题，目前也缺乏相应的研究。

目前，武器装备对微波段轻质、宽带的吸波提出了明确的需求，石墨烯基吸波材料将迎来史无前例的市场需求。但是仅靠石墨烯材料无法实现宽带高性能吸波，无法满足在X和Ku波段内实现-10dB的反射率。超材料技术有望解决这一问题，但限于基础材料和制备工艺，传统超材料重量重，难以弯曲。因此，未来石墨烯吸波材料的发展趋势必将是融合石墨烯和超材料技术，实现学科交叉，多材料多方法复合技术。

4  技术路线分析

根据对石墨烯吸波材料的现有技术和研究的分析，未来石墨烯吸波材料可以遵循以下研究方向和技术路线。

4.1  层数可控的石墨烯CVD法生长制备技术

为了实现层数可控的石墨烯CVD法制备，通过降低石墨烯成核密度，使得每片石墨烯有足够的成长空间[6]，从而获得大尺寸石墨烯单晶，有效降低石墨烯界面数量，提高导电性;通过中等强度的氧化性试剂在生长前对生长衬底处理，可在降低生长成核密度的同时，提高连续成膜速度;通过对石墨烯薄膜生长衬底Ni基表面化学处理工艺化学改性，实现对石墨烯成核密度，生长厚度和生长速度调节;通过PET等聚合物薄膜的表面改性来实现生长衬底至目标衬底的直接转移技术。

4.2  电磁吸收性能可控的石墨烯“种晶”生长工艺

利用石墨烯晶粒晶界的搭接状态，通过合适的掺杂技术，调控石墨烯晶粒晶界电子传输通道，从而调控其电磁吸收和能量耗散效率;研究石墨烯晶粒晶界的搭接状态，通过合适的掺杂技术，调控石墨烯晶粒晶界电子传输通道，从而调控其电磁吸收和能量耗散效率;研究石墨烯晶体表面缺陷还原与结构修整技术，增加石墨烯薄膜材料的电导率。

4.3  基于堆叠结构的石墨烯基宽带、质轻超材料吸波结构的设计技术

基于电磁结构阻抗调控技术，通过建立以高损耗材料为基底的电磁结构数值模型，设计新型超宽带高效吸波材料;将分形技术用于石墨烯吸波材料设计，可以有效拓展石墨烯吸波材料带宽，或实现X和Ku波段高效吸收。通过合理设计宽带超表面单元结构和分布，将自由空间入射的电磁波高效耦合为表面等离激元，再利用表面等离激元的局域增强特性使其在高损板材上被吸收，达到吸波隐身的效果。通过对损耗基底、金属结构及其互耦的阻抗特性进行分析与综合，从而实现与自由空间阻抗匹配的宽带吸收型隐身技术。

5  結  论

石墨烯作为一种新型纳米材料，具有独特的物理结构和优异的力学、电磁学性能，在制作吸波材料方面具有天然的无可比拟的优势。但是目前，国内外针对X和Ku波段的质轻、宽带的石墨烯吸波材料研究并不成熟。采用溶液法和CVD法制备出层数可控、电磁学性能可控的石墨烯材料，基于阻抗匹配理论与表面等离激元耦合理论，解决宽带、质轻的石墨烯吸波超材料设计问题以及不同石墨烯层数、导电率、电子迁移率等参数对石墨烯吸波材料吸波性能分析研究仍将是石墨烯吸波材料领域未来的研究方向。

参考文献：

[1] 宣兆龙，易建政.地面军事目标伪装材料的研究进展 [J].兵器材料科学与工程，2000（2）：51-55.

[2] 张梓晗.石墨烯大规模机械剥离制备和石墨烯高性能发声器 [D].合肥：中国科学技术大学，2017.

[3] 常焜.类石墨烯过渡金属硫化物/石墨烯复合纳米材料的合成及其电化学储锂性能的研究 [D].杭州：浙江大学，2012.

[4] 耿莉，谢亚楠，原媛.基于石墨烯的太赫兹方向图可重构天线 [J].激光与光电子学进展，2017，54（3）：213-222.

[5] KHROMOVA I，ANDRYIEUSKI A，LAVRINENKO A. Ultrasensitive terahertz/infrared waveguide modulators based on multilayer graphene metamaterials [J].Laser & Photonics Reviews，2014，8（6）：916-923.

[6] 韩江丽，曾梦琪，张涛，等.石墨烯单晶的可控生长 [J].科学通报，2015，60（22）：2091-2107.

作者简介：刘康（1991-），男，汉族，陕西西安人，助理工程师，本科，研究方向：科技产业投融资、电子与通信工程。