电磁吸波材料研究进展

曾 强，王荣超，张小兰，彭化南，胡申萍，刘 绮

(上饶师范学院 化学与环境科学学院，上饶 334001)

隐身技术是通过改变武器装备的可探测信息特征，使敌方的探测装备不易发现或者发现距离缩短的一种技术手段，其主要途径是降低武器装备的雷达散射截面积(RCS)。目前主要有以下两种方式可以降低武器装备的雷达散射截面积：一是通过对武器装备的外形进行设计，在保证性能的前提下，使其具有最小雷达散射截面积；二是在武器装备中使用吸波材料，这种材料可以吸收和衰减进入其内部的电磁波，并且将电磁波的能量以热能等形式耗散掉。外形设计由于存在很多限制条件，发展的空间有限；而吸波材料没有任何限制条件，其发展空间广阔，因此吸波材料的应用成为隐身技术的主要研究方向。如美国的F-22﹑F-35﹑B-2以及中国的歼-10﹑歼-20等先进飞机都使用了吸波材料，并在航空领域展现强大优势。此外，5G等通讯技术的发展给我们的生产生活带来便利的同时，也带来了电磁污染、电磁干扰等问题。电磁波污染成为继噪声污染、水污染、空气污染之后威胁人类的第四大公害，不仅对电子通讯设备和电子系统造成严重干扰，对信息安全造成严重威胁，而且给人体健康带来很大危害。由此可见，不管是军用还是民用，开发具有高效吸波性能的吸波材料都有巨大的应用前景。吸波材料的分类方式有很多，根据其组成与结构可分为：磁性吸波材料、碳基吸波材料、复合型吸波材料。

1 磁性吸波材料

磁性吸波材料具有磁损耗强，成本低、制备技术门槛低等优势。目前，国内外的研究者抓住磁性材料在高频处仍有较大的磁导率这一特性，制备了一系列特定组分或者特定结构的在高频处有较强吸收的吸波材料，主要包括铁氧体[1]、磁性金属及合金纳米颗粒[2]、磁性纳米金属氧化物[3]、羰基铁[4]以及它们的混合物[5]。通过广大研究者的努力，磁性吸波材料的吸波性能有很大的提高，但仍存在很多不足，比如磁性纳米吸波粒子易团聚﹑易氧化，在低频区吸收较差，整体吸收频率范围窄等。

2 碳基吸波材料

碳基吸波材料具有密度小、导电性好、抗氧化能力强、力学性能优异等特点，因此吸引了国内外很多研究者的关注，并进行了大量的研究工作。碳基吸波材料主要包括多孔炭[6]、碳气凝胶[7]﹑碳纤维[8，9]、碳纳米管[10]、石墨烯[11]以及它们的混合物[12]等。碳基吸波材料虽然在密度、化学稳定性方面有较大优势，但其要达到较好吸波性能一般需要较大的厚度，并且在高频处的吸收强度较弱。因此，单一的使用碳基吸波材料已经不能满足对现代吸波材料“薄、轻、宽、强”的要求。

3 复合型吸波材料

为了拓宽吸波频率范围，增加吸收强度，复合型吸波材料应运而生。目前，国内外研究者把碳材料﹑磁性材料以及其它类型材料中的两种或者多种通过不同技术手段复合到一起，形成具有多种损耗机制的复合吸波材料。这类复合吸波材料不仅保持各组分的优点，同时还克服了单一组分的缺点，甚至产生各单一组分都没有的新性能。国内许多研究团队对复合型吸波剂进行了深入研究，并取得了丰硕成果。西北工业大学张立同院士团队设计制备了一系列石墨烯基吸波复合材料，如氧化锌纳米线/还原氧化石墨烯泡沫复合材料[13]、还原氧化石墨烯/Ti3C2TX泡沫复合材料[14]、石墨烯/Si3N4多孔复合材料[15]等。研究发现，这类复合材料独特的结构不仅有效地降低了石墨烯的团聚和复合材料的密度，而且对阻抗匹配、介电损耗和内部散射都有很大的贡献，增强了材料的微波吸收性能。复旦大学车仁超团队在核壳机结构吸波复合材料的研究方面做了大量工作，他们根据介电损耗材料和磁损耗材料复合的思路制备了一系列核壳结构吸波材料，如CoNi@SiO2@TiO2[16]、CoNi@Air@TiO2[16]、γ-Fe2O3@C[17]、γ-Fe2O3@C@α-MnO[17]、Fe3O4/PDA[18]等。这些材料既有介电损耗能力又有磁损耗能力，显著提升了复合材料吸波性能，其有效吸收频宽都超过了8 GHz。北京理工大学的曹茂盛团队对高温吸波材料进行了深入研究，设计并制备了如3D结构的Co3O4-rGO复合材料[19]、链状的镍纳米材料[20]、SiO2/MWCNTs[21]复合材料等一系列在高温环境下依然保持优异吸波性能的材料。Co3O4-rGO复合物在353 K-473 K温度范围内的吸波性能基本没有变化，显示出耐高温性能。链状的镍纳米材料，在厚度为1.8 mm，温度为373 K 时，其有效吸收频宽覆盖了整个X频段。SiO2/MWCNTs复合材料在100 ℃-500 ℃温度范围内，其有效吸收频宽都覆盖了整个X波段。南京航空航天大学的姬广斌团队设计制备了一系列碳基吸波材料，如Co@纳米多孔碳复合材料[22]、介电常数和吸波性能可调控介孔碳空心球[23]、含核壳结构SnS/SnO2@C的复合薄膜吸波材料[24]等，这些材料都显示出优异的吸波性能。其中含SnS/SnO2@C复合薄膜在厚度约为5 mm，并施加16 V电压的情况下，在1.5 GHz-2.0 GHz频率下的吸收值超过85%，显示出优异的低频吸波性能。国外也有许多研究者做了大量工作：Yadav等[25]制备了铁/纳米石墨片/聚甲基丙烯酸甲酯(Fe/NG/PMMA)复合材料。当添加2wt%的纳米石墨片时，复合材料的有效吸收频宽达到6.3 GHz，最小反射率值为-38.8 dB。Thi等[26]通过原位预聚法制备了一种聚苯胺-吡咯共聚物/还原氧化石墨烯包覆SiO2的新型的纳米复合材料，研究发现该复合材料的有效吸收频宽达5.5 GHz，其吸波性能明显优于聚苯胺/还原氧化石墨烯包覆SiO2复合材料和聚吡咯/还原氧化石墨烯包覆SiO2复合材料。Singh等[27]通过球磨分散的方法将锌和碳化硅混合制备Zn/SiC复合物，并研究了其吸波性能。结果显示，当锌的含量为6wt%，厚度为1.7 mm时，复合物的吸收频宽为4.2 GHz。

此外，作者在前期研究工作中，从材料结构设计出发，设计了具有空心结构的还原氧化石墨烯微球；使用油包水与高温煅烧两步法相结合的自组装技术，将磁性纳米粒子引入到具有空心结构的石墨烯微球中，成功制备了负载有不同磁性纳米粒子的还原氧化石墨烯复合微球(Air@rGOCo[28]﹑Air@rGONi[29]和Air@rGOFe3O4[30])。研究发现：复合微球具有优异的吸波性能，其电磁波吸收强度和有效吸收频宽都远大于纯还原氧化石墨烯和纯磁性纳米粒子。Air@rGOCo复合微球在匹配厚度仅为2.2 mm达到最优的吸波性能，有效吸收频宽达到7.1 GHz；Air@rGONi复合微球有效吸收频宽达到4.8 GHz，匹配厚度为2.7 mm。Air@rGOFe3O4复合微球在匹配厚度为2.8 mm时有效吸收频宽达到7.2 GHz。

通过对国内外相关研究成果进行系统分析结合作者前期研究基础，我们发现：将纳米碳材料和纳米磁性材料通过一定复合技术制备具有特殊结构的复合吸波材料是提升吸波材料吸波性能的有效途径。常用的碳材料有石墨烯、碳纳米管、碳纤维、炭黑等。将上述碳材料与不同的磁性纳米材料复合制备的复合吸波材料的吸波性能有很大提升。

4 结构吸波材料

虽然碳/磁复合型吸波材料有很多优点，但是也存在许多亟待解决的问题。首先，这类吸波材料都没有力学承载的能力，它们只能做涂覆型吸波材料；然而在实际服役中发现，单一涂覆型吸波材料普遍存在增加飞行器自重、与壳体粘结强度低、容易剥落或开裂、需要频繁修复等缺点，因而在实际应用中尤其是在航空航天领域受到越来越多的限制。其次，多组分的复合型吸波材料，其协同吸波机制还不明确，不能对多组分的结构进行设计。针对复合型吸波剂的以上缺点，结构型吸波材料应运而生。结构型吸波材料是在先进复合材料基础上发展起来的，是将吸波剂分散在基体或增强材料中通过复合工艺成型的具有承载和吸收雷达波的结构功能一体化复合材料。其优点是可大量减轻飞行器的质量，结构具有可设计性，且可成型各种形状复杂的部件，因而成为当今吸波隐身材料的主要发展方向之一。目前常见的结构型吸波材料主要有板层结构吸波材料[31-33]﹑夹芯结构吸波材料[34，35]等，而夹芯结构吸波材料吸波性能要优于板层结构吸波材料。Shen等[34]制备的一种纤维增强的泡沫夹芯复合材料，厚度为9.73 mm时的有效吸收频宽达18.4 GHz。进一步分析复合材料的力学性能发现，在厚度为4.99 mm时，其弯曲极限载荷达768.07 N。Wang等[35]以玻璃纤维复合材料为面板，碳纤维复合材料为底板，表面涂有碳黑/环氧混合物的芳纶蜂窝为芯材制备了蜂窝夹层复合材料，并分析测试其吸波性能和机械性能。结果显示，复合材料厚度为30 mm时，其有效吸收频宽达16 GHz，弯曲极限载荷为5 kN。由此可见，夹层复合材料能满足武器装备对吸波材料耐热等级、力学性能、宽频吸收的要求。因此，发展具有更高耐热等级、更高力学性能、更优异吸波性能的夹层结构隐身复合材料将成为研究热点。夹芯吸波层是构成夹层结构吸波复合材料的主体，模仿天然蜂巢的六边形蜂窝结构由于重量轻且具有高强度和高刚度被广泛地用作夹层结构芯材。

5 总结与展望

磁性材料和碳材料复合制备的复合吸波材料能够有效提升复合材料的吸波性能，但是这类吸波材料不能承载承重。于是研究者将吸波剂分散在基体或增强材料中通过复合工艺成型的具有承载和吸收雷达波的结构功能一体化复合材料，这类结构吸波材料虽然能够达到“薄、轻、宽、强”的要求，但复合吸波材料中不同吸波剂对电磁波的协同损耗机理还有待进一步研究和阐述。复合吸波材料的研究有很广阔的应用前景，研究新型结构吸波材料能够为实现飞行器向高速、轻量、隐身等方向的发展提供一种新途径，对推动我国新一代制空型无人作战飞机的研制和国防实力的进一步提升具有重要意义。