不同电磁特性吸收剂的多层宽带吸波材料设计

许志远，李 维，马国庆，陈志宏，官建国

(武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，湖北武汉 430070)

1 前 言

电子与通讯技术的发展，特别是移动通信和计算机的普及给人类带来了巨大的便利，与此同时，也造成了严重的电磁污染和泄露，干扰设备本身的正常工作、威胁人们健康[1-3]。常见的电磁污染源种类繁多，如电视广播的发射系统、射频及微波治疗设备、微波炉等，各类设备的工作频率跨越宽频微波频带。宽带微波吸收材料[4-7]作为一种针对电磁污染和泄露行之有效的解决方案，在隐身技术中也有着重要的应用，因而引起了国内外的广泛关注和长期投入。微波吸收材料通常由粘接剂基体和吸收剂组成。吸波性能主要由吸收剂的电磁性能所决定，即复介电常数(εr=ε'-jε″)和复磁导率(μr=μ'-jμ″)。羰基铁粉由于其良好的电磁性能，成为了最受关注的微波吸收剂。通过调节羰基铁粉的颗粒形貌、晶粒大小、填充体积分数、粒子取向等微观参数[8-11]，可以优化其吸波性能。例如，Yang等[10]通过将球形羰基铁粉球磨片化获得了大宽厚比的片状羰基铁粉，突破了Snoek极限，提高了磁导率，在2～18 GHz获得了比球形粉更好的微波吸收性能。Min 等[12]通过外加磁场制备具有增强吸波性能的取向片状羰基铁/环氧树脂复合材料，在1.4 mm 厚度下，反射损耗低于-10 d B 的频段范围为5.5～18 GHz，而未取向的复合材料的有效吸收带宽较窄，仅为1.4 GHz。但是，包括以上所述工作在内的大量研究显示，单层吸波材料的设计难以充分发挥吸收剂的宽带强吸收潜能，而多层微波吸收材料能够在同样厚度限制条件下实现更宽频的吸收。例如，何山等[13]采用“陷阱”结构，并根据阻抗匹配原理设计出五层结构的吸波材料，利用电磁波在多层材料中的多次反射和多磁损耗，获得了在6～17 GHz频段内小于-12 d B的反射率，但材料厚度达到了5.0 mm。甘治平等[14]以增大吸收带宽和降低材料厚度为目标，利用遗传算法进行优化设计，在5～18 GHz频段获得了反射率-8 d B以下，厚度约为1.49 mm 的薄层宽带吸波材料。但仅基于遗传算法的优化设计需要建立庞大的电磁参数库，且没有明确的设计思路。在这些设计中，通常只采用了单一种类的羰基铁粉吸收剂，限制了其带宽厚度比的进一步提高，并且设计和制备往往较为复杂，需要借助优化算法[15]以及非常规的制备手段。在多层材料的设计中，如果只是采用简单的优化而不贯之以良好的设计思想以及合适的材料选择，则难以得到良好的结果。同时采用多种吸收剂和多层设计则有望解决这一问题，并可能进一步提高带宽厚度比。在本研究中为了降低设计总厚度，拓宽吸波带宽，结合了三种不同匹配频率和磁共振频率的吸收剂，同时又引入阻抗匹配的思想，将高介电常数、高磁导率、低频损耗大的FeSiAl合金吸收剂应用在底层，中频吸收强的片状羰基铁粉作为过渡层，以及低介电常数、低磁导率、高频性能好的球形羰基铁粉作为面层，设计多层宽带吸波材料。此方法可减少对电磁参数库的依赖，通过对厚度的优化，即可设计出对不同频段电磁波逐层吸收的宽带吸波材料。当材料总厚度为2.4和1.0 mm时，反射损耗分别在频段范围2～18 GHz和2.2～18 GHz可达到-8 dB和-4 dB。

2 设计与实验

2.1 实验材料

片状FeSiAl合金粉(FFSA)和片状羰基铁粉(FCIP)由实验室自制[16]；球形羰基铁粉(SCIP)，型号YW，外购；丁腈橡胶(NBR)，型号NBR3304，外购。

2.2 设计原理与方法

对于一个带有金属反射背板的多层平面吸波材料系统各层进行编号。从接近金属的底层到接近自由空间的面层依次编号为1到M，金属层和自由空间分别编号为0和M+1。于是，i 和i+1层间包含了多重反射的反射系数可以通过以下递归函数计算[17]：

其中，ρi是i和i+1层间不计多次反射的反射系数；ki为各层的波矢；ηi是第i 层的输入阻抗；di为第i层厚度；εi和μi 分别为第i 层的复介电常数和复磁导率；η0=120πΩ；c 是光在真空中的传播速率；f 是频率。对于第1层和编号为0的金属层界面之间，Γ0=ρ0=-1。而Γi-1e-2kidi则代表了从i-1层进入i 层并经过该层的传输和损耗后的电磁波。如果各层中某一层的损耗很大，理想情况下可以假定Γi-1e-2kidi=0，此时反射率主要取决于面层的阻抗匹配，即ρM的大小。此外，还可以推断，各层之间的反射率不能太大，即阻抗匹配性要好。这意味着采取从面层到底层的阻抗渐变结构更有利于实现低反射率。根据以上原则可知，采用匹配频率具有高、中、低频分布且吸收强的多种材料设计成阻抗渐变的结构，即多种材料达到各自最大吸收率的频率具备高频到低频的分布，将非常有利于在薄层条件下达到宽带强吸收的目的。

基于以上原理，为实现宽带吸波多层材料，将磁共振及匹配频率位于低频的高介电材料作为底层、磁共振及匹配频率位于高频的低介电材料作为面层、磁共振及匹配频率位于中频的材料作为中间层。同时通过改变每层材料厚度来优化三层平板吸波材料的性能。其电磁波正入射下的吸波性能计算采用传输线方程[18]进行：

由于第一层与金属背板相连，故第一层阻抗可表示为：

因此多层平板吸波材料，电磁波正入射时的反射损耗可表示为：

2.3 制备与测试

将FFSA、FCIP和SCIP分别与NBR 及适量的硫化剂在混炼机上混合均匀。之后，按照设计的厚度在平板硫化机上分别压制成300 mm×300 mm 尺寸的橡胶片形复合材料FFSA-NBR、FCIP-NBR、SCIPNBR。多层材料则是在同样大小的铝板上依次贴合FFSA-NBR、FCIP-NBR、SCIP-NBR 制成。吸波性能的测试按照GJB 2038A—2011规定的自由空间反射损耗测试系统进行，测试频率范围1～18 GHz。

为了进行上述三种材料电磁参数的测试，首先用精密雕刻机分别从上述片形材料中加工出内径为3.04 mm、外径为7.00 mm 的圆环形同轴样品。采用同轴传输/反射法测量三种吸波材料的复磁导率和复介电常数，测试频率范围为0.1～18 GHz。电磁参数和反射率所用矢量网络分析仪均为N5230A 型，最大可覆盖频率范围为10 MHz～40 GHz。

3 结果与分析

3.1 吸收剂分析

由于高磁导率有利于提升吸收带宽[19]，为了实现低频到高频的宽带吸收，选取了分别在不同GHz频段具有较大磁导率的FFSA、FCIP 和SCIP 三种磁性粉体作为吸收剂进行研究，以期设计出在宽频范围内具有较强磁损耗的多层宽带吸波材料。其中，羰基铁粉在8～18 GHz具有优良的阻抗匹配性和一定的宽带磁损耗；片状化的羰基铁粉吸收剂则能表现出更强的磁损耗性能，但与空气的阻抗匹配性由于片状形状带来的高介电常数而有所降低；FeSi Al合金具有低的自然共振频率，近年来在低频微波吸收领域引起了广泛关注。三种吸收剂分别与NBR 制成的复合材料FFSA-NBR、FCIP-NBR、SCIP-NBR 的电磁参数如图1所示。图1(a)、(b)分别为介电常数的实部和虚部，图1(c)、(d)分别为磁导率的实部和虚部。从图可见，FFSA、FCIP、SCIP三种样品的介电常数依次增大，因此样品FFSA、FCIP、SCIP的阻抗匹配性能依次变差。从磁导率来看，样品SCIP磁导率虚部较小，但在高频段(12～18 GHz)大于FFSA，样品FCIP 的磁导率在中频段(5～2 GHz)最大，而样品FFSA 的磁导率在低频段(＜5 GHz)最大。由于铁磁性金属微粉对电磁波的损耗主要由磁损耗所引起，同时考虑介电常数过大会造成阻抗失配，故SCIP、FCIP、FFSA 单独使用时将分别对高、中、低频的电磁波具有较好的损耗能力。

为了阐明三种材料的本征特性及更好的设计三层复合平板吸波材料，根据传输线方程计算得到了三种典型样品在各自匹配厚度下的反射损耗以及各自的特征阻抗，如图2(a)和(b)所示。从图2(a)可以看到，SCIP、FCIP和FFSA三种典型样品的匹配频率分别处于高、中、低频。由于SCIP样品在整个频段的介电常数和磁导率均较低，故其匹配频率在高频，对应于高频强吸收；FCIP样品中片化后的羰基铁粉介电常数和磁导率都有一定的增加，故其匹配频率低于SCIP样品，适合中间频段的吸收；FFSA样品由于其高介电常数和高的低频磁导率，适用于低频吸收，即匹配频率在更低频率。图2(b)显示了三种材料特征阻抗的模值。SCIP、FCIP 和FFSA三种材料特征阻抗模值逐渐降低，说明其与空气的匹配性逐渐变差。因此在阻抗渐变多层吸波材料设计中SCIP适用于作为面层，FCIP适用于中层，FFSA样品适用于底层设计。由于吸波材料对电磁波的吸收除了要实现阻抗匹配之外，更需要具备相应的强损耗能力，有必要对这三种材料的损耗性能进行研究。材料损耗特性根据传播常数公式可表示为[20]：

式中：tanδe和tanδm分别为电损耗和磁损耗正切；λ0为电磁波在真空中以厘米为单位的波长。根据式(8)计算得到了三种典型样品的损耗系数与频率的关系曲线，如图2(c)所示。从图中可以看出，FFSA 对低频微波损耗能力相比于另外两种材料更强，FCIP 对中、高频微波都具有较好的损耗能力，但由于这两种材料与空气的阻抗匹配性差，故作为底、中层设计，并可在保证损耗的同时设计较薄的厚度。虽然SCIP的损耗能力较弱，但由于其与空气良好的匹配性可作为面层，同时设计时予以较大的厚度以弥补其损耗能力的不足。根据以上分析和理念，在下节内容中具体设计了一种多层宽带吸波材料。

图1 三种典型的磁性吸波复合材料的电磁参数频率谱 (a)介电实部；(b)介电虚部；(c)磁导率实部；(d)磁导率虚部Fig.1 Electromagnetic parameters frequency spectrum of three typical magnetic absorbers(a)Real and(b)imaginary parts of permittivity，(c)real and(d)imaginary parts of permeability

图2 三种典型复合吸波材料的本征特性 (a)在匹配厚度下的反射损耗曲线；(b)特征阻抗模的频率谱；(c)损耗系数频谱Fig.2 Intrinsic properties of three typical absorbers (a)reflection loss curves at the matching thickness；(b)spectra of characteristic impedance mode，and(c)curves of loss constant

3.2 多层宽带吸波材料

由于三种样品的匹配频率不同，在设计中采取梯度叠加方式来充分利用三种材料的性能，以实现对2～18 GHz电磁波的宽频吸收，其结构如图3(a)所示。在具体设计方法中，将匹配频率位于低频的FFSA 作为底层，而易于与空气阻抗匹配且匹配频率位于高频的SCIP作为面层，另外将匹配频率适中的FCIP作为中间过渡层，从而构成三层阻抗渐变结构。在典型优化结果中，底层厚度t1=0.6 mm；中间层厚度t2=0.55 mm；面层厚度t3=1.25 mm，总厚度t=2.4 mm。上述多层材料的反射损耗可由式(5)～(7)计算出，结果如图3(b)所示。其反射损耗在2～18 GHz范围内均小于-8 d B，有效吸收带宽达到16 GHz。为验证结果的正确性及可行性，根据以上设计原理和优化的结构参数制备了三层复合样品，并对其进行了反射率测试，测试结果如图3(b)中的绿色线所示。从图可见，模拟和测试的反射率曲线高度吻合，说明设计方案和结果是切实可行的。

为了进一步阐明复合材料的宽带吸收机制，同时展示每层材料对吸收的贡献，通过数值模拟给出了每层材料对入射电磁波的吸收率以及复合材料分别在2.5、6和16 GHz频率下的磁场强度分布图，如图3(c)、(d)所示。从图3(c)可知，由于底层FFSA 具有低频强磁损耗特性，因此主要吸收低频电磁波；中间FCIP层磁损耗相对较弱，主要吸收中频电磁波；面层SCIP层磁损耗最弱，主要吸收高频电磁波。从图3(d)可以直观的看到电磁波入射到材料内部后的磁场强度分布。其中16 GHz的电磁波集中在面层被损耗，6 GHz的电磁波主要在中间层被损耗，2.5 GHz的电磁波主要被底层所吸收。仿真结果与设计初衷很好的稳合，实现了对高、中、低频电磁波的逐层吸收，说明采用高、中、低频三种频段损耗的材料进行梯度复合对于兼顾高、中、低频的吸收从而拓展吸收带宽是一种行之有效的方法。

图3 多层宽带吸波材料的(a)结构示意图，(b)模拟和实测反射损耗频率谱，(c)各单层吸收率的频率谱，和(d)在2.5 GHz、6 GHz和16 GHz处多层吸波材料的磁场强度分布图Fig.3 (a)Structure design，(b)simulated and measured reflection loss spectrum，(c)frequency spectrum of each single layer absorptivity and(d)magnitude of magnetic field distribution at 2.5，6 and 16 GHz of multilayer broadband absorber

为阐明每层厚度变化对吸收的影响规律，固定总厚度和其中一层厚度不变，分别计算了三种情况下层厚变化对反射损耗的影响。图4 分别为中间层和底层、面层和底层以及面层和中间层厚度变化对反射损耗的影响。图4(a)表明，当材料总厚度和底层厚度不变时，随着中间层厚度的增大，低频吸收增强，中、高频吸收减弱；图4(b)表明，当材料总厚度和中间层厚度不变时，随着底层厚度的增大，低频吸收增强，中、高频吸收减弱；图4(c)表明，当材料总厚度和面层厚度不变时，随着底层厚度的增大，中频段吸收逐渐减弱，低频吸收峰往更低频移动。这些变化说明，中间层和底层厚度的增加有利于低频的吸收，不利于中高频的吸收。同时，只有当面层具有一定厚度才能使底层和中间层材料与透过面层的电磁波更好的匹配，从而产生有效的吸收。这是由于三种材料匹配频率的不同，若要实现高、中、低频的宽频吸收，则三层的厚度同时受到限制。只有当t1=0.6 mm，t2=0.55 mm，t3=1.25 mm时才可获得反射损耗小于-8 dB的最大带宽。

采用匹配频率在低、中、高频吸收材料的逐层复合设计理念，进一步拓展设计了总厚度仅为1.0 mm 的宽带吸波材料。如图5所示，当面层厚度t1=0.5 mm，中间层厚度t2=0.25 mm，底层厚度t3=0.25 mm 时，可实现2.2～18 GHz范围-4 dB 以下的吸收。这一结果说明了该理念对进行不同厚度的宽带吸收材料设计的适用性。将低、中、高频吸收材料的逐层复合设计方法和结果与现有文献进行对比，可以发现其在带宽拓展和降低厚度方面具有优势。在文献报道中，2 mm以下的宽带吸收材料只能达到对8～18 GHz的良好吸收。最近Li等[21]利用图形化超材料的构造思路，在3.7 mm 的厚度下达到了4～40 GHz范围内-10 dB的吸收。而Xu等[22]利用类似的方法在2.8 mm达到了2.27～18 GHz范围-8 dB 反射率。逐层复合设计方法只需2.4 mm 厚度即达到了2～18 GHz频率范围-8 dB以下的反射率，超过上述文献优值。因此该方法具有设计更简单，厚度更低，带宽更大，且无需超材料结构设计，在薄层宽带吸收领域具有广泛的应用前景。

图4 (a)面层和中间层，(b)面层和底层，和(c)中间层和底层厚度变化对反射损耗频谱的影响Fig.4 Variation of reflection loss with thickness change of different layers：(a)thickness change of the surface and the middle layers，(b)thickness change of the surface and the bottom layers，and(c)thickness change of the middle and the bottom layers

图5 涂层总厚度1 mm 时的模拟反射损耗频率谱Fig.5 Simulated reflection loss spectrum at total thickness of 1 mm

4 结 论

1.通过将具有高、中、低不同匹配频率和阻抗特性的三种磁性吸波材料按阻抗渐变的原则进行多层设计，获得了一种多层宽带吸波材料。

2.设计并制备得到的多层吸波材料，对高、中、低频电磁波具有逐层吸收的特征。其中面层主要吸收高频电磁波，中层主要吸收中频电磁波，底层则对低频电磁波进行强吸收。

3.设计并制备得到的多层宽带吸波材料，在厚度仅为2.4 mm 时，反射率小于-8 dB 的带宽可达16 GHz(2～18 GHz)；厚度为1.0 mm 时反射率小于-4 d B的带宽为15.8 GHz(2.2～18 GHz)，皆超过可查文献中的优值。

4.应用匹配频率不同的磁性吸波材料进行高、中、低频叠层设计，可简化设计，充分融合不同吸收剂的优异性能，对实现薄层宽带吸收材料具有重要意义。