宽频电磁吸波超材料的研究进展

周 倩，师甜甜

(1.西安邮电大学 理学院,陕西 西安 710121;2.西安科技大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710054)

随着5G和智能电磁设备技术的快速发展，以电磁波为信息载体的各类电子设备得到了广泛应用。电磁波在给人们生活和工作提供方便的同时，也带来了电磁污染，信息安全等问题。高性能吸波材料可以将电磁波能量转化为热能等其他形式能量消耗掉，是电磁防护的首选。开发高性能微波吸收器具有重要的科技和社会价值，已成为国内外研究的热点[1-3]。

通常吸波材料要满足“薄、轻、宽、强”的综合性能要求，其中宽频吸波是设计难点[4-6]。传统吸波材料是将损耗相均匀弥散于透波基体中，形成均质的复合材料，通过材料微结构设计调控电磁参数的频散效应，从而拓展吸波带宽，但也仅能够实现单频段(如X波段)的强吸收。开发更宽频的吸波材料需要结合其他设计方法。

在吸波材料微结构设计的基础上进行宏观的多层结构设计，是拓宽吸波材料有效吸收带宽的方法之一。多层吸波材料主要包括Salisbury屏型[7]、Jaumann型[8]和阻抗渐变型[9-10]等3种类型。Salisbury屏吸波材料仅能实现特定频率处的电磁波强吸收，属于窄频吸波材料。Jaumann吸波材料是Salisbury屏的多层拓展，能够实现宽频吸波但材料厚度较大，限制了其实际应用。阻抗渐变吸波材料将不同电磁参数的材料进行多层组合，通过优化阻抗匹配性能和引入多重电磁干涉作用，能够在较小厚度下实现宽频吸波性能[11]，但其对吸波带宽的拓展作用有限，仍然难以实现更宽频，如2 GHz～18 GHz的电磁波强吸收。

超材料是一系列可通过亚波长的周期性结构设计调控电磁波的新型人工材料，全新的电磁性能设计理念为高性能吸波材料的研制提供了新的思路[12-14]。常见吸波超材料包括二维周期性表面，即频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)型和三维周期性结构型两大类，均在宽频吸波领域表现出了极大优势。该研究将在介绍电磁吸波超材料的原理和设计方法的基础上，简要综述宽频电磁吸波超材料的研究进展，重点对二维FSS型和三维结构型两类吸波超材料的研究现状进行综述，并对其发展趋势进行展望。

1 电磁吸波超材料

1.1 吸波原理

吸波材料是指能够吸收和衰减入射电磁波，并将电磁波能量转化为热能或其它形式能量耗散掉，或是将电磁波干涉相消掉的一类材料。电磁波与吸波材料的相互作用包括反射、吸收和透射等3个物理过程。通常采用反射损耗(Reflection Loss,RL)即反射电磁波与入射电磁波能量的比值来描述和衡量材料的吸波性能[15]，反射损耗的计算表达式为

式中，PR和PI分别表示反射电磁波能量和入射电磁波能量。RL值越小表示反射电磁波越少，吸收电磁波越多，吸波材料的性能越好，当RL<-10 dB时，大于90%的电磁波能量被衰减和吸收。因此，将RL<-10 dB对应的频率宽度称为有效吸收带宽。

理想的吸波材料需同时满足阻抗匹配和衰减两个基本原则[16]。材料表层和空气的阻抗匹配，能够减少电磁波反射，此时，进入材料内部的电磁波迅速被损耗，以增加电磁波吸收。

1.2 设计方法

电磁吸波超材料的设计方法是一种多尺度问题。吸波超材料的各组元由不同电磁性能的材料组成，可以通过微结构的优化设计调控。吸波超材料的周期性结构属于宏观尺度，可以通过调整几何结构单元的尺寸来优化宽频吸波性能。采用从微观到宏观的多尺度结构设计方法才能实现吸波材料的超宽频吸收性能。

2 二维FSS型电磁吸波超材料

二维FSS型吸波超材料是由介质基板和附着于介质基板上的周期性表面复合而成，包括多层FSS表面和多层介质基板的复合。其结构形式可以简单理解为将Salisbury屏和Jaumann吸波材料中的电阻层替换成周期性FSS表面。按照FSS组元的材料类型可将FSS型吸波超材料分为金属型[17-20]、电阻膜型[21-26]和纤维型[27-29]等3种类型。不同FSS型吸波超材料的分类及特征如表1所示。

表1 FSS型吸波超材料的分类及特征

金属型是研究最早的FSS型吸波超材料，具有谐振式的窄频吸波特点，通常不具有宽频吸波性能。目前，电阻膜型吸波超材料中电阻膜所采用的的材料主要有由导电油墨[26,30]和石墨烯[25,31]等碳材料组成的薄膜、以聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate,PET)为基材的半导体氧化铟锡(Indium Tin Oxid,ITO)薄膜[21,32-33]以及导电聚合物薄膜[23,34]等。电阻膜型是目前研究最多的一类宽频超材料，也是发展“薄、轻、宽、强”高性能吸波材料最具潜力的类型之一。虽然金属型和碳纤维型周期表面吸波超材料一般表现为窄频吸波特性，但是将其与传统均质吸波材料相结合，可获得宽频吸波性能优异的吸波超材料。将分形结构的金属周期性表面嵌入两层磁性吸波材料中间形成三明治吸波结构，使得大于90%的电磁波有效吸收带宽从9.0 GHz～12.4 GHz拓宽到8.2 GHz～12.4 GHz[35]。将频率选择纤维织物复合材料(Frequency Selective Fabric Composites,FSFC)与多壁碳纳米管(Multi-walled Carbon Nanotubes,MWCNT)环氧树脂复合材料相结合，获得三明治结构吸波超材料，当厚度为3.5 mm时，实现了X和Ku波段，即8.2 GHz～18.0 GHz范围大于90%电磁波有效吸收[28]。文献[36]优化设计了一种由周期性电阻膜和玻璃纤维/环氧树脂复合材料组成的吸波超材料，并制备了相应的机翼形状结构。电阻膜采用碳基导电材料，其面电阻为73 Ω/sq，电导率约为676 S/m所设计的平板吸波材料厚度为2.67 mm，在整个X波段能够实现大于90%的电磁波吸收。在微波暗室中测试了机翼形状材料的雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)、在两种极化方式下X波段的RCS减小了约10 dB，证明所设计的吸波材料在隐身机上具有很大的应用潜力。文献[23]制备了导电聚合物型周期性表面，将其嵌入到两层透波泡沫中，形成厚度为3.9 mm三明治吸波超材料，制备的复合材料有效吸收带宽覆盖整个X波段。文献[37]将周期性金属谐振环嵌入到以羰基铁为吸波剂的磁性吸波材料中，形成三明治吸波结构，使大于90%电磁波有效吸收带宽从6 GHz～12 GHz拓宽到5 GHz～18 GHz，该新型吸波材料的厚度仅为1.7 mm。文献[38]对于含有活性碳纤维毡周期表面结构和垂直分布碳纤维的复合材料的吸波性能分别进行了实验研究，结果表明，含有碳纤维毡周期结构的复合材料吸波性能较高，在条幅间距和条幅宽度分别为7 mm和5 mm的时，复合材料在8 GHz～18 GHz频率范围的能够实现大于90%的电磁波吸收。文献[39]采用导电油墨作为周期性表面的电阻膜型吸波材料，由于周期性结构单元之间强烈的耦合作用，使得复合材料的有效吸收带宽大幅提高。吸波材料厚度分别为3 mm和4 mm时，分别在6.6 GHz～18.0 GHz和5.27 GHz～18.00 GHz频率范围能够实现大于90%的电磁波吸收。

电阻膜型吸波超材料具有设计参数多，宽频吸波性能优化空间大，制备工艺简单等优点，是制造宽频吸波材料的重要方向之一。此外，由于电阻膜型吸波材料可兼具宽频吸波和透明柔性等多功能特性，能够用于隐身飞机窗口材料，有效改善吸波材料功能单一的问题。文献[21]设计并制备的透明柔性ITO-聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC)吸波超材料，表现出了优异的宽频吸波特性和透光性。文献[40]采用周期形状铝网格、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate,PET)设计了一种透明吸波超材料，其在5.8 GHz～12.2 GHz频率范围能够实现有效吸收，其平均透光率大于62%。文献[41]研制了一种以ITO、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)和PET为组元的透明吸波超材料，实现了8.3 GHz～17.4 GHz范围大于90%的电磁波吸收，透光率为77%。实际应用中通常要求材料的透光率能够大于80%。为了提高材料的透明度，文献[42]将ITO闭环谐振单元直立嵌入有机玻璃的吸波超材料，平均透光率达到82%。

需要注意的是，电阻膜型超材料中起主要吸波作用的碳材料和聚合物在高温下会发生分解，不能应用于高温环境，ITO膜因附着于PET基板上也不能应用于高温环境。因此，需要开发具有耐高温特性的材料应用于FSS型吸波超材料设计。

纤维型吸波超材料主要包括基于碳纤维和SiC纤维的超材料。目前，仅有关于碳纤维吸波超材料的研究，碳纤维与金属相似，具有高的电导率，从而使得其也具有窄频吸波特征，与金属相比其优点是能够耐高温。而SiC纤维具有电导率可调的优点，可用于制备耐高温吸波性能优异的复合材料。目前仅有基于连续SiC纤维的三明治结构SiCf/SiC复合材料的研究[43]。在宽频强吸波方面，与连续型表面吸波材料相比，不连续的周期性超表面设计表现出了极大优势，而基于SiC的周期性超表面吸波材料目前未见有相关研究报道。纤维织物复合超材料的研究主要以碳纤维为研究对象，因为碳纤维电导率太高，所以需要对碳纤维进行改性或者以碳纤维为吸波结构设计的组元之一，从而优化吸波性能。文献[44-46]创新性地将碳纤维置于Si3N4陶瓷中，研究了多层夹心结构Cf/Si3N4复合材料的室温/高温介电特性及吸波性能。

另外，按照FSS型吸波超材料中介质基板的材料类型还可将其分为聚合物及其复合材料型、陶瓷及其复合材料型两类。目前研究报道中采用的介质基板大多为聚合物及其复合材料，以商业化的环氧玻璃纤维板和聚四氟乙烯(Teflon)系列基板居多。这类材料虽然能够获得较宽频的吸波特性，但是由于材料本征性能限制，大都无法实现高温条件下的吸波，而针对高温应用的陶瓷类研究较少，陶瓷基复合材料型尚未见研究报道。因此，如何充分发挥FSS型吸波超材料的优异特性，开发具有宽温域特征的吸波超材料仍然需要更加深入地探索。

3 三维电磁吸波超材料

在表面周期性结构吸波材料的基础上增加设计维度，在3个维度上设计吸波超材料，可以增加宽频吸波材料的性能优化空间，极大地拓宽应用。文献[47]将窄频的金属型超表面进行三维多层设计，实现了7.8 GHz～14.7 GHz宽频范围内大于90%电磁波吸收。文献[30]将电阻膜型碳浆薄膜直立起来形成三维超材料，其在3.9 GHz～26.2 GHz极宽频范围内RL均小于-10 dB，并且吸波材料的密度只有0.062 g/cm3。将传统吸波材料的微结构设计与超材料的宏观尺度结构设计相结合，利用这种多尺度效应能够极大提高传统吸波材料的有效吸收带宽。文献[48-50]采用传统磁性吸波材料，通过将传统磁性吸波材料设计成三维周期台阶结构，材料在2 GHz～40 GHz的极宽频范围内表现出了优异的吸波性能。文献[51]将SiCf/Si3N4复合材料设计成双层周期台阶结构，有效提高了材料在8 GHz～18 GHz频率范围的吸波效率，并实现了低-高频电磁波协同强吸收，能够吸收大于90%的电磁波。将电损耗型材料设计成亚波长突起的周期阵列，以实现对电磁波的调控，能够在不增加材料厚度的情况下，在不同频段产生多个吸收峰，从而有效拓展吸波带宽。可见，通过三维周期结构设计可以极大拓宽吸波超材料的有效吸收带宽，是宽频超材料设计的有效手段。

需要注意的是，虽然三维电磁吸波超材料相对于二维FSS型吸波超材料具有更好的宽频吸波特性，但其吸波结构更复杂，且部分结构的加工难度较大，三维结构上的不连续可能引起其力学性能的衰减，降低其使役性能。因此，如何设计出综合性能优异的结构-功能一体化宽频吸波材料仍需进一步深入研究。

4 结语

宽频电磁吸波超材料和结构的相关研究已经取得诸多成果，但当应用于复杂的环境中时，其性能仍需进一步的提高。在未来的发展中，宽频吸波超材料及其结构的研究应关注以下几个方面。

1)吸波超材料通常具有不同成分的组元，具有复杂的结构，其吸波性能对结构参数较为敏感，不同组元的界面对吸波超材料的承载性能会产生不利影响。采用高精度技术制备吸波超材料，以及获得结构功能一体化的吸波材料，在实现宽频吸波的同时兼顾其力学性能，是未来重要的研究方向之一。

2)武器装备中高温部件能否隐身是限制其隐身特性的重要因素。开发耐高温、高性能的宽频吸波超材料，特别是能够应用于1 000℃以上环境的耐高温宽频吸波超材料，将是未来重要的研究课题。

3)现代武器装备和电子设备对材料的多功能化提出了更高的要求，设计并发展能够应用于微波、红外、激光频和光频等多频谱兼容隐身的吸波超材料是重要的研究方向。