雷達(dá)吸波材料簡稱吸波材料，它能吸收、衰減入射的電磁波，并使電磁能轉(zhuǎn)換成熱能或其他形式的能量消耗掉，或使電磁波因干涉而消失。吸波材料在民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
在民用領(lǐng)域，吸波材料可用于電磁信息泄露防護(hù)、電磁輻射防護(hù)和建筑吸波材料等等，吸收不需要的電磁波。研究者們致力于研究涂層薄、重量輕、吸波頻帶寬、吸波性能強(qiáng)的吸波材料。
鐵氧體和磁性金屬是傳統(tǒng)的吸波材料，具有磁導(dǎo)率較高、飽和磁化強(qiáng)度較大、成本低廉、制備簡單等優(yōu)點(diǎn)，但也同樣面臨有效吸波頻帶窄、密度大、穩(wěn)定性差等問題。
本文結(jié)合國內(nèi)外文獻(xiàn)，綜述了雷達(dá)吸波涂層材料的研究進(jìn)展。首先簡要介紹了雷達(dá)吸波材料及其吸波方式，其次較詳細(xì)地介紹了鐵氧體、磁性金屬、碳系材料、導(dǎo)電聚合物、超材料等的電磁性能和這些材料在雷達(dá)吸波材料領(lǐng)域中的應(yīng)用，最后總結(jié)了雷達(dá)吸波涂層材料的發(fā)展趨勢。
一、吸波材料分類
吸波材料種類繁多，包括傳統(tǒng)吸波材料和新型吸波材料。傳統(tǒng)吸波材料有鐵氧體和磁性金屬。目前傳統(tǒng)吸波材料的制備方法比較成熟，傳統(tǒng)吸波材料大多吸波性能較強(qiáng)、制備過程簡單、成本低，但密度大、吸波頻帶較窄、環(huán)境穩(wěn)定性較差、易氧化，不適應(yīng)武器裝備對(duì)吸波材料質(zhì)量和厚度的嚴(yán)格要求。
新型吸波材料主要有碳材料、導(dǎo)電聚合物、金屬硫化物及超材料等。新型吸波材料多選擇密度小、介電性優(yōu)異或者調(diào)控復(fù)介電常數(shù)、復(fù)磁導(dǎo)率，可以制備輕質(zhì)或可控吸波材料。但目前新型吸波材料制備過程復(fù)雜、成本較大，實(shí)際生產(chǎn)較難。
1.鐵氧體基吸波材料
鐵氧體是常用的傳統(tǒng)吸波材料之一，是鐵的氧化物和一種或幾種其它金屬氧化物組成的復(fù)合氧化物(如BaO·6Fe2O3、MnO·Fe2O3和ZnO·Fe2O3等)。鐵氧體具有磁導(dǎo)率較高、飽和磁化強(qiáng)度較大、成本低廉、制備簡單等優(yōu)點(diǎn)，其作為常用電磁波吸收材料在軍事、商業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
但鐵氧體也存在頻帶窄、密度大、穩(wěn)定性差的限制，可以設(shè)計(jì)復(fù)合材料達(dá)到良好的阻抗匹配，或者設(shè)計(jì)微觀結(jié)構(gòu)調(diào)整磁各向異性和表面各向異性，提高鐵氧體的電磁波吸收性能。鐵氧體基吸波材料的性能見表1。
表1鐵氧體基吸波材料的吸波性能
Yin等人制備了Ni0.5Co0.5Fe2O4/石墨烯復(fù)合材料，Ni0.5Co0.5Fe2O4納米顆粒負(fù)載在石墨烯納米片表面，如圖1(a)所示。
圖1(a)Ni0.5Co0.5Fe2O4/石墨烯-12%的SEM圖
(b)不同厚度復(fù)合材料的反射損耗曲線
圖1(b)是Ni0.5Co0.5Fe2O4/石墨烯在不同厚度的反射損耗曲線，當(dāng)石墨烯的添加量為12%時(shí)，復(fù)合材料在0.8GHz下達(dá)到最小反射損耗值−30.9dB，有效吸波頻帶更偏向低頻方向。
石墨烯的加入使復(fù)合材料同時(shí)具有較高的磁損耗和介電損耗，改善鐵氧體吸波材料的阻抗匹配特性。
NinadVelhal等人采用導(dǎo)電聚合物聚吡咯包裹Ba0.6Sr0.4Fe12O19(BSF)納米顆粒，制備了聚吡咯Ppy/Ba0.6Sr0.4Fe12O19(BSF)納米復(fù)合材料，相互連接的聚吡咯納米球與BSF納米顆粒結(jié)合形成更致密的形態(tài)。
圖2(a)是Ppy/BSF復(fù)合材料的屏蔽效能當(dāng)Ppy占30%時(shí)，樣品在15.2GHz下為達(dá)到最小反射損耗值-37.49dB，在8~18GHz的頻率范圍內(nèi)獲得小于-20dB的有效頻帶寬。
圖2(a)Ppy/BSF復(fù)合材料的屏蔽效能圖片
(b)純BSF和Ppy/BSF復(fù)合材料的磁滯回線
從圖2(b)的磁滯回線可以得到復(fù)合材料的最高磁矩為59.58emu/gm，高于其他PBSF復(fù)合材料和純BSF鐵氧體，是由于聚合物的高導(dǎo)電性和介電性增強(qiáng)了復(fù)合材料吸波性能。
鐵氧體的研究較多，其中與其他材料通過化學(xué)或物理方法合成復(fù)合材料較為普遍。與鐵氧體復(fù)合的常見材料有碳材料、導(dǎo)電聚合物和其他金屬氧化物。
復(fù)合材料具有更好的磁損耗和介電損耗，兼顧良好的穩(wěn)定性和較低的相對(duì)密度，拓寬了鐵氧體基吸波材料應(yīng)用范圍。但是目前大部分制備方法都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，成本較高，難以達(dá)到工業(yè)化要求。
2.磁性金屬基吸波材料
磁性金屬(如Fe、Co、Ni及其合金)也是常用傳統(tǒng)吸波材料之一，其磁導(dǎo)率、磁損耗大。與鐵氧體相比，磁性金屬的晶體結(jié)構(gòu)比較簡單，沒有鐵氧體中磁性次格子之間磁矩的相互抵消，因此其磁性一般較鐵氧體強(qiáng)。
磁性金屬同樣面臨的問題是密度大、易氧化和有效吸波頻帶窄，限制了實(shí)際應(yīng)用。目前研究者提出的解決辦法是將磁性金屬與相對(duì)低磁導(dǎo)率的材料復(fù)合，平衡阻抗；或者構(gòu)建智能的微波吸收材料結(jié)構(gòu)，賦予材料豐富的界面極化損耗和輕質(zhì)的特點(diǎn)，有效提高微波吸收性能。
磁性金屬基吸波材料的性能見表2
Li等人以核殼結(jié)構(gòu)(Co0.9Fe0.1)Fe2O4/酚醛樹脂核(PR)作為前體構(gòu)建出以Co3Fe7為核、C為殼的Co3Fe7/C復(fù)合材料。
圖3不同厚度蛋黃殼結(jié)構(gòu)Co3Fe7/C的反射損耗曲線
圖3是不同厚度下Co3Fe7/C蛋黃殼結(jié)構(gòu)樣品的反射損耗曲線，復(fù)合材料在8.9GHz下達(dá)到最小反射損耗值-35.3dB，在6.8~13.1GHz的頻率范圍內(nèi)獲得小于-10dB的有效吸波頻帶。
Co3Fe7/C蛋黃殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料優(yōu)異的吸波性能來源于介電損耗和磁損耗之間的互補(bǔ)性和協(xié)同作用以及獨(dú)特的蛋黃-殼體結(jié)構(gòu)。磁損耗歸因于磁性Co3Fe7磁芯，介電損耗主要?dú)w因于碳?xì)?，并因各種偶極極化、界面極化及其弛豫而增強(qiáng)。
碳?xì)げ粌H可以保護(hù)磁性金屬免受氧化或腐蝕，而且有效抑制Co3Fe7合金顆粒的團(tuán)聚和趨膚效應(yīng)。蛋黃殼結(jié)構(gòu)能在核心和外殼之間引入空隙。除了明顯降低密度外，蛋黃殼結(jié)構(gòu)的空隙也為電磁波的反射和散射提供更多的活性位點(diǎn)。
Xiang等人采用微波輔助方法和原位碳化過程，以金屬有機(jī)骨架Ni-MOFs為前體衍生出了類似手風(fēng)琴的層狀結(jié)構(gòu)的Ni/C納米復(fù)合材料，分層的Ni/C微棒呈現(xiàn)出手風(fēng)琴狀的形態(tài)，其中三維碳層由精細(xì)分布的核殼裝飾Ni/C納米顆粒和碳納米管內(nèi)包裹著鎳納米顆粒組成。
圖4 不同厚度Ni/C復(fù)合材料的反射損耗曲線
圖4是不同厚度下Ni/C復(fù)合材料的反射損耗曲線，當(dāng)涂層厚度為1.8mm時(shí)，復(fù)合材料15.8GHz下達(dá)到最小反射損耗值-86.9dB，在11.5~18.0GHz的頻率范圍內(nèi)獲得小于-10dB的有效頻帶寬。
分層手風(fēng)琴狀Ni/C納米復(fù)合材料微波吸收的增強(qiáng)歸因于分層結(jié)構(gòu)中界面極化和偶極極化產(chǎn)生的介電損耗、鐵磁共振產(chǎn)生的磁損耗和層次手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)中電子輸運(yùn)產(chǎn)生的傳導(dǎo)損耗之間的協(xié)同效應(yīng)、三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中的電子輸運(yùn)以及鎳納米顆粒中的強(qiáng)磁耦合。
成分(鎳、碳和碳納米管)和結(jié)構(gòu)(層狀、多孔和核殼)使吸收體對(duì)入射微波的反射更小，吸收更多，共同實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料卓越的阻抗匹配。
目前與磁性金屬復(fù)合的常見材料有碳材料、導(dǎo)電聚合物和其他金屬氧化物。與介電材料復(fù)合，可以提升磁性金屬材料的耐腐蝕性，提高其實(shí)際應(yīng)用能力。
從結(jié)構(gòu)上看，層狀結(jié)構(gòu)具有好的形狀各向異性，可以賦予材料多重散射和反射，導(dǎo)致電磁波的多次反射衰減。研究者們常常從材料的形貌和組分方面降低密度，拓寬有效吸波頻帶。
3.金屬硫化物基吸波材料
過渡金屬硫化物吸波材料是新型吸波材料之一，指Fe、Cu、Ag、Zn、Ni、Mo、Co等金屬的硫化物及復(fù)合物。因?yàn)檫^渡金屬硫化物獨(dú)特的物理和化學(xué)性能，研究者對(duì)過渡金屬硫化物的電磁波吸收能力進(jìn)行了大量研究，包括NiS、MoS2、ZnS、Co9S8、CoS等。
與金屬氧化物相比，過渡金屬硫化物表現(xiàn)出更高的介電損耗和更好的導(dǎo)電性，從而提高了電磁波的耗散能力。例如鐵硫化物是一種具有代表性的金屬硫化物，具有低成本、易合成等優(yōu)點(diǎn)。
與其他硫化鐵(包括FeS、FeS2和Fe7S8)相比，作為磁性Fe3O4的對(duì)應(yīng)物，F(xiàn)e3S4表現(xiàn)出優(yōu)異的磁性能。
表3金屬硫化物基吸波材料的吸波性能
Liu等人采用陽離子交換法制備了具有可調(diào)異質(zhì)界面的CuS/Ag2S復(fù)合材料，Ag2S納米粒子修飾在CuS納米片表面。
圖5 CuS和不同比例CuS/Ag2S材料的反射損耗曲線
圖5是CuS和不同比例CuS/Ag2S復(fù)合材料的反射損耗曲線，當(dāng)涂層厚度為1.9mm時(shí)，純CuS在15.0GHz下顯示的最佳RL值為−17.4dB，有效吸收帶寬為3.6GHz。
而復(fù)合材料CuS/Ag2S表現(xiàn)出連續(xù)的雙吸收峰，反射損耗分別為-47.2dB和-20.6dB，在9.3GHz下達(dá)到最小反射損耗值-47.2dB，在8.2~12.4GHz的頻率范圍內(nèi)獲得小于-10dB的有效頻帶寬。
半導(dǎo)體CuS材料具有優(yōu)異的介電性能，但是CuS的阻抗匹配較差，導(dǎo)致入射電磁波在空氣-吸收器界面的強(qiáng)烈反射，從而降低電磁波的吸收。
復(fù)合材料CuS/Ag2S是通過加入并調(diào)節(jié)Ag2S，Ag2S和CuS之間的異質(zhì)界面產(chǎn)生了強(qiáng)烈的介電共振峰，改善了阻抗匹配，從而增強(qiáng)了電磁波吸收性能。
Wu等人通過水熱法制備了Fe3O4/Fe3S4復(fù)合材料，大量Fe3O4納米球被很好地捕獲在超薄的Fe3S4納米片之間，形成三明治狀結(jié)構(gòu)。
通過調(diào)節(jié)硫脲和葡萄糖的添加量，可以獲得不同形貌、晶體結(jié)構(gòu)和電磁波吸收性能的復(fù)合材料，但復(fù)合材料Fe3O4/Fe3S4的熱穩(wěn)定性較弱。
圖6 不同負(fù)載量Fe3O4/Fe3S4的反射損耗曲線
圖6是不同負(fù)載量Fe3O4/Fe3S4的反射損耗曲線，復(fù)合材料在7.1GHz左右達(dá)到最小反射損耗值-45.3dB，在5.8~8.4GHz的頻率范圍內(nèi)獲得小于-10dB的有效頻帶寬。Fe3O4/Fe3S4復(fù)合材料交匯處產(chǎn)生的豐富的孔隙空間和異質(zhì)界面有利于增強(qiáng)界面極化。
而三明治狀結(jié)構(gòu)不僅有利于三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，且通過多次反射和散射提供了更多的次數(shù)和機(jī)會(huì)來衰減電磁波，從而大大提高了電磁波的吸收能力。大的表面積、三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建以及更多的異質(zhì)性和活性位點(diǎn)使復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電磁波吸收性能。
Zhang等人采用單模微波輔助水熱法制備了CoS2/還原氧化石墨烯(CoS2/rGO)納米雜化物。
圖7 2.2mm厚度CoS2/rGO復(fù)合材料的反射損耗曲線
圖7是不同比例的CoS2/rGO復(fù)合材料在2.2mm厚度下的反射損耗曲線，CoS2/rGO納米雜化物在10.9GHz下達(dá)到最小反射損耗值-56.9dB，在9.1~13.2GHz的頻率范圍內(nèi)獲得小于-10dB的有效頻帶寬。
與其他rGO基材料相比，CoS2/rGO納米雜化材料的復(fù)介電常數(shù)可以通過調(diào)整rGO的比例進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，可以在較薄的厚度下表現(xiàn)出優(yōu)越的微波吸收能力。
過渡金屬硫化物在儲(chǔ)能、電子器件、鋰離子電池、太陽能電池等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但在電磁吸收領(lǐng)域研究較少。近年來，過渡金屬硫化物作為新型吸波材料已經(jīng)顯示出優(yōu)秀的吸波性能，但是仍存在著有效吸波頻帶較窄的不足，與碳材料復(fù)合有望提高拓寬有效吸波頻帶，提高吸波性能。
過渡金屬硫化物在儲(chǔ)能、電子器件、鋰離子電池、太陽能電池等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但在電磁吸收領(lǐng)域研究較少。近年來，過渡金屬硫化物作為新型吸波材料已經(jīng)顯示出優(yōu)秀的吸波性能，但是仍存在著有效吸波頻帶較窄的不足，與碳材料復(fù)合有望提高拓寬有效吸波頻帶，提高吸波性能。
4.碳基吸波材料
碳材料是新型吸波材料之一，是眾所周知的輕質(zhì)材料，密度低、導(dǎo)電性可調(diào)還具有較強(qiáng)的介電損耗、優(yōu)良的機(jī)械性能和良好的耐腐蝕性能。但是碳材料在單獨(dú)使用時(shí)受到阻抗不匹配和單一損耗機(jī)制的影響，吸收頻帶窄、吸收性能弱。
常見的吸波材科主要有炭黑、碳纖維、碳納米管、石墨烯、多孔碳等。與傳統(tǒng)的鐵氧體吸波材料相比，碳納米管的密度低、縱橫比高、導(dǎo)電性高且復(fù)介電常數(shù)高，但是低復(fù)磁導(dǎo)率限制它的實(shí)際應(yīng)用。
還原氧化石墨烯(RGO)具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)、低密度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和較強(qiáng)的介電損耗等優(yōu)點(diǎn)，但存在阻抗匹配差和微波吸收差的問題。
在RGO晶格中的摻雜氮不僅可以增強(qiáng)缺陷或偶極極化和介電損耗容量，還可以優(yōu)化阻抗匹配條件。
石墨烯作為一種新型的碳材料，具有優(yōu)異的物理性能，包括高固有遷移率、優(yōu)異的導(dǎo)熱性、強(qiáng)機(jī)械剛度、高楊氏模量、光學(xué)透過率與大表面積。它的大表面積有助于磁性組分的高負(fù)載，優(yōu)越的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性促進(jìn)入射電磁波轉(zhuǎn)化為熱能。
常與磁性材料混合制備磁性納米顆粒/石墨烯雜化材料。生長在石墨烯納米片上的磁性納米顆粒通常會(huì)聚集，導(dǎo)致分布不均勻，可能形成一個(gè)帶有零磁性成分的“死區(qū)”。
目前，改善碳材料阻抗匹配的方法有兩種，一種是將其與其他材料復(fù)合，引入多種損耗機(jī)制。例如，由金屬和配體組成的金屬有機(jī)骨架(MOFs)是通過原位熱碳化過程獲得多孔碳基材料的前體或模板。
另一種是引入多孔結(jié)構(gòu)以降低較高的復(fù)介電常數(shù)，包括空心、核殼、層狀和多孔結(jié)構(gòu)等，可以賦予材料多重散射和反射、豐富界面極化損耗等優(yōu)點(diǎn)，有效地提高微波吸收性能。
孔隙率的存在不僅在一定程度上降低了材料的密度，而且降低碳材料的高介電常數(shù)和平衡吸波材料與空氣之間的阻抗匹配。碳基吸波材料的性能見表4。
表4 碳基吸波材料的吸波性能
Chen等人通過噴霧干燥、化學(xué)還原和1300℃下的熱退火，制備了石墨烯微花(Gmfs)材料，折疊的石墨烯片如圖8(a)所示組裝成花狀微粒，形成一個(gè)高比表面積(230m2/g-1)、低密度(40~50mg/cm-3)的骨架結(jié)構(gòu)。
圖8是不同厚度下NPCA的反射損耗曲線，當(dāng)涂層厚度為2.6mm時(shí)，NPCA在11.0GHz下達(dá)到最小反射損耗值-61.7dB，在9.2~14.5GHz的頻率范圍內(nèi)獲得小于-10dB的有效頻帶寬。
圖8(a)Gmfs的SEM圖
(b)不同厚度Gmfs/石蠟復(fù)合材料的反射損耗曲線
圖8(b)是不同厚度Gmfs/石蠟復(fù)合材料的反射損耗曲線，復(fù)合材料在6.9GHz下達(dá)到最小反射損耗值-42.9dB，在6.0~8.9GHz的頻率范圍內(nèi)獲得小于-10dB的有效頻帶寬。Gmfs優(yōu)異的微波吸收性能來自于多孔花狀結(jié)構(gòu)中的阻抗匹配和有效衰減。
首先，高比表面積和多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電磁波的多次反射衰減。其次，高孔隙率有利于構(gòu)建連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，Gmfs的多孔結(jié)構(gòu)有利于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成。吸收的電磁波通過導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，包括電能和熱能。
Liu等人通過希夫堿反應(yīng)和熱解過程，通過剛性有機(jī)聚合物氣凝膠的明膠工藝合成了N摻雜多孔碳?xì)饽z(NPCA)。隨著熱解溫度的升高，N雜原子的比例降低，同時(shí)可以生成更多的空位，從而調(diào)整微波吸收性能。
NPCA中孔隙率的存在不僅在一定程度上降低了材料的密度，而且引入界面極化，降低碳材料的高介電常數(shù)和平衡吸收體與空氣之間的阻抗匹配。此外多孔結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生多次反射和散射，從而提高微波吸收性能。
圖9不同厚度NPCA的反射損耗曲線
目前，碳材料在組分上，單一組分碳材料對(duì)電磁波吸收性能相對(duì)較差，這與碳材料吸波機(jī)制單一有關(guān)，可以與其他材料復(fù)合發(fā)揮多損耗機(jī)制作用，包括金屬、金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物等材料；在形貌上，趨向于制備高孔隙率的結(jié)構(gòu)，豐富界面極化損耗。
但是多組分復(fù)合材料會(huì)遇到分散不均勻、界面相容性差等問題，制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料會(huì)存在過程復(fù)雜、成本較高的問題，均有待解決。
5.導(dǎo)電聚合物基吸波材料
導(dǎo)電聚合物是新型吸波材料之一，是一種具有高介電損耗因子的良好導(dǎo)電體，具有優(yōu)異的電性能、穩(wěn)定性、柔韌性且易于合成。但是受到單一損耗機(jī)制的影響，導(dǎo)電聚合物難以實(shí)現(xiàn)多頻段吸收和強(qiáng)吸波性能。
通常在導(dǎo)電聚合物(如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等)中添加磁性材料，引入多損耗機(jī)制，基于磁損耗和介電損耗的協(xié)同作用，從而增強(qiáng)電磁屏蔽性能。導(dǎo)電聚合物基吸波材料的性能見表5。
SajidIqbal等人采用原位乳液聚合技術(shù)合成了聚噻吩包覆核殼結(jié)構(gòu)的鋇鐵氧體(BaFe12O19/PTh)納米復(fù)合材料。
圖10是不同材料的屏蔽效能，復(fù)合材料BaFe12O19/PTh在11.56GHz下為達(dá)到最小反射損耗值-43.27dB，在8.2~12.4GHz的頻率范圍內(nèi)獲得小于-10dB的有效頻帶寬。
BaFe12O19和PTh之間的強(qiáng)靜電相互作用增加了納米復(fù)合材料BaFe12O19/PTh的性能，使復(fù)合材料具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性(在800℃下殘?zhí)康?4.91%)、較高的磁損耗和介電損耗(磁矩和矯頑力分別為25.78emu/gm和2.5kOe)，從而產(chǎn)生了優(yōu)異的屏蔽性能。該材料可作為低成本、高性能、輕質(zhì)的吸波材料。
圖10不同材料的屏蔽效能，(a)BaFe12O19，(b)PTh，(c)NC-10，(d)NC-30，(e)NC-50，(f)NC-80，(g)NC-100
Yan等人通過苯胺在氨基官能化石墨烯片(AFG)存在下的原位聚合合成了具有共價(jià)鍵的聚苯胺(PANI)納米棒/石墨烯片復(fù)合材料，PANI納米棒通過共軛共價(jià)鍵與石墨烯緊密結(jié)合。
圖11是不同厚度下PANI-AFG復(fù)合材料的反射損耗曲線，在涂覆厚度為2.5mm時(shí)，PANI-AFG最小反射損耗值在11.2GHz處達(dá)到-51.5dB，在9.6~13.8GHz的頻率范圍內(nèi)獲得小于-10dB的有效頻帶寬。PANI-AFG之間的共價(jià)鍵具有高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和高導(dǎo)電性，可用作高效的寬帶吸波材料。
圖11 不同厚度PANI-AFG的反射損耗曲線
導(dǎo)電聚合物由于導(dǎo)電性、穩(wěn)定性、柔韌性好的優(yōu)點(diǎn)，是有廣泛前景的新型吸波材料。通過與其他磁性材料復(fù)合，可以提高導(dǎo)電聚合物的磁導(dǎo)率，合成電、磁損耗均優(yōu)異的復(fù)合材料，可以向“薄、輕、寬、強(qiáng)”趨勢的吸波材料發(fā)展。利用導(dǎo)電聚合物易加工、結(jié)構(gòu)多樣的特點(diǎn)，可以向智能型吸波材料發(fā)展。
6.超材料基吸波材料
超材料是新型吸波材料之一，超材料吸波體是一些具有天然材料所不具有的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，能將投射到它表面的電磁波大部分吸收而幾乎沒有反射和透射，由于獨(dú)特的電磁特性要求，得到研究者們的廣泛關(guān)注。超材料的吸波機(jī)理與傳統(tǒng)吸波材料不同，是利用自身諧振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高損耗吸收電磁波。
Ji等人制備了三波段超材料吸波器。它由金屬-介電-金屬三層結(jié)構(gòu)組成。頂層由方銅環(huán)和圓銅環(huán)組成。中間層為FR-4(環(huán)氧樹脂和玻璃纖維的復(fù)合材料)，底層為銅膜。
仿真結(jié)果表明，該材料在3.70GHz、6.57GHz和17.62GHz處有三個(gè)吸收峰，吸收率分別達(dá)到99.67%、99.05%和99.98%。
圖12不同偏振角下三波段超材料吸波器的吸收率
LandyNI等人在2008年首次提出超材料吸波體，該材料是由電諧振環(huán)、介質(zhì)層和金屬導(dǎo)線三部分組成，如上圖12(a)所示，在外界刺激下金屬導(dǎo)線之間形成磁耦合，然后在外加電場下電諧振環(huán)產(chǎn)生電諧振。
圖12(b)是超材料仿真的吸波性能，該超材料在11.6GHz處吸收率能夠達(dá)到99%。這種超材料具有吸波性能強(qiáng)、單元尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，但是頻帶較窄、對(duì)電磁波的極化方向敏感、調(diào)控不靈活。
針對(duì)以上不足，目前超材料的主要研究方向有寬頻和多頻吸收電磁波、極化和角度不敏感吸收電磁波、可調(diào)控吸收電磁波等。
圖13 (a)超材料的單元機(jī)構(gòu)
圖(b)超材料仿真的吸波性能
高海濤等人基于超材料結(jié)構(gòu)制備了鋇鐵氧體吸波涂層，鋇鐵氧體涂層作為中間介質(zhì)層，涂覆的金屬作為背板，然后在鋇鐵氧體涂層之上印刷一層電阻膜團(tuán)，構(gòu)成三層超材料結(jié)構(gòu)，如圖13(a)所示。
電阻膜的表面阻抗虛部和鋇鐵氧體涂層阻抗虛部相等時(shí)，吸波涂層發(fā)生電磁諧振。通過仿真計(jì)算，吸波涂層在不同電阻膜方塊電阻值時(shí)的反射損耗曲線如圖13(b)，發(fā)現(xiàn)鋇鐵氧體涂層經(jīng)過超材料設(shè)計(jì)改進(jìn)后，有效頻帶寬和電磁波吸收能力得到大幅增加。
在電阻膜方塊電阻值較小時(shí)，吸波涂層存在兩個(gè)吸收峰，分別位于8~10GHz和16~18GHz范圍內(nèi)。
圖14(a)基于超材料設(shè)計(jì)的鋇鐵氧體吸波涂層結(jié)構(gòu)圖
(b)涂層不同電阻值與其反射損耗的關(guān)系
超材料作為一種新型吸波材料，給了研究者新的設(shè)計(jì)方向，設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)、排布方式和層數(shù)來調(diào)控材料的電磁參數(shù)。
研究者們對(duì)超材料的研究還處于理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，雖然超材料吸波體結(jié)構(gòu)簡單、輕薄，但仍存在調(diào)控不靈活、角度不敏感等不足。隨著研究的不斷深入，超材料將向智能可控、輕質(zhì)方向發(fā)展。
不同類別的吸波材料都有各自的特點(diǎn)及應(yīng)用的局限性，傳統(tǒng)鐵氧體和磁性金屬材料吸收率高卻密度大、吸收頻帶窄，新型碳材料、導(dǎo)電聚合物、金屬硫化物和超材料輕質(zhì)或可控卻損耗機(jī)制單一、阻抗匹配較差。
但既具有高微波衰減能力又擁有良好阻抗匹配的微波吸收材料的設(shè)計(jì)與制備仍面臨眾多挑戰(zhàn)。單一組分的吸收材料只具有單一的電導(dǎo)損耗或介電損耗，很難滿足現(xiàn)代吸波材料的“薄、輕、寬、強(qiáng)”多種要求，通過多種材料結(jié)合或改變材料結(jié)構(gòu)，電磁波吸收性能得到提高。
而如何引入多損耗機(jī)制，充分發(fā)揮磁損耗和介電損耗的協(xié)同作用，如何設(shè)計(jì)微觀結(jié)構(gòu)，也是急待解決的問題。
對(duì)于今后吸波材料的研究方向，首先，新材料的制備工藝復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用較困難，因此優(yōu)化制備工藝，滿足實(shí)際應(yīng)用需求，是未來吸波材料繼續(xù)研究的方向。
其次，目前大多數(shù)吸波材料只對(duì)特定頻段的電磁波有良好的吸收損耗，且主要關(guān)注對(duì)2~18GHz波段電磁波的吸收，難以滿足對(duì)米波、厘米波、紅外光和激光等其他波段的吸收要求，故設(shè)計(jì)兼容型多波段吸收的吸波材料是未來發(fā)展的重要方向。
最后，隨著科技的發(fā)展，吸波材料面對(duì)更多極端環(huán)境，磁性金屬基材料在高溫、潮濕環(huán)境下容易被腐蝕或失去磁性，這對(duì)吸波材料的應(yīng)用環(huán)境提出了更高的要求。如何讓吸波材料具備耐高溫、防潮等高環(huán)境穩(wěn)定性是未來的發(fā)展方向。
參考資料：劉唯，復(fù)合吸波材料的研究進(jìn)展，南京師大學(xué)報(bào)，2022
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