來 侃，陳美玉，孫潤軍，尹方方

（1.總后軍需裝備研究所 漢麻中心，北京100088；2.西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院，陜西 西安710048）

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，雷達(dá)是探測目標(biāo)的主要手段，雷達(dá)吸波材料在現(xiàn)代軍事隱身中的作用和地位十分突出.隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種新型雷達(dá)探測器相繼問世，世界各國在空中的防御能力和反導(dǎo)彈能力日益增強(qiáng)，使得飛機(jī)、導(dǎo)彈等大型作戰(zhàn)武器面臨的威脅日益加劇，“發(fā)現(xiàn)意味著殲滅”，因而雷達(dá)隱身技術(shù)成為現(xiàn)代世界各國研究關(guān)注的熱點(diǎn).雷達(dá)隱身技術(shù)可以通過優(yōu)化探測目標(biāo)的外形或者在探測目標(biāo)表面進(jìn)行涂層處理使其顯著吸收雷達(dá)波，從而降低雷達(dá)回波能量，以達(dá)到隱身探測目標(biāo)的目的［1］.然而，外形隱身技術(shù)難度較大、成本高，雷達(dá)吸波材料技術(shù)相對(duì)簡單，為此它的發(fā)展與應(yīng)用成為雷達(dá)隱身技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)隱身的重要措施之一.吸波收材能夠有效吸收入射的電磁波并將電磁能轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉，或通過干涉使電磁波消失.在日益重要的雷達(dá)隱身和電磁兼容（EMC）技術(shù)中，吸波材料的作用和地位十分突出，已成為現(xiàn)代軍事中電子對(duì)抗的法寶和“秘密武器”，并逐漸應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈等武器上.為此，研究和開發(fā)高性能的雷達(dá)隱身吸波材料成為各國軍事領(lǐng)域中的一個(gè)重大課題.

1 雷達(dá)隱身吸波材料機(jī)理

雷達(dá)隱身吸波材料能夠?qū)走_(dá)波進(jìn)行吸收或減小對(duì)電磁波的反射.當(dāng)電磁波在空氣中傳播遇到媒質(zhì)時(shí)，由于媒質(zhì)的阻抗與自由空間的阻抗不匹配，電磁波在空氣與媒質(zhì)的截面將發(fā)生反射.雷達(dá)根據(jù)這反射回的電磁波的能量確定檢測目標(biāo)的位置.因此，雷達(dá)隱身吸波材料要想達(dá)到顯著減小其目標(biāo)物的返回電磁波強(qiáng)度需要從兩個(gè)方面考慮：使入射波能最大限度地進(jìn)入材料內(nèi)部而不被界面反射，即滿足阻抗匹配條件和進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波能迅速被材料衰減掉，即損耗特性［1-2］.

1.1 阻抗匹配特性

當(dāng)電磁波從自由空間垂直入射到介質(zhì)表面時(shí)，假設(shè)吸波材料的反射系數(shù)為R，則

其中，Z和Z0分別為材料和自由空間的波阻抗；μ0和ε0分別為自由空間的導(dǎo)磁率和介電常數(shù)；μr和εr分別為材料的相對(duì)導(dǎo)磁率和相對(duì)介電常數(shù).吸波材料與自由空間的阻抗值越接近，則入射到材料表面的電磁波的反射率越小.因此，要使入射到雷達(dá)吸波材料表面的電磁波的反射率為0，理想吸波材料的相對(duì)導(dǎo)磁率μr和相對(duì)介電常數(shù)εr必須相等［3-4］.事實(shí)上，還沒有一種材料具有這種電磁參數(shù)特性，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，只能盡可能使兩者匹配.

1.2 損耗特性

吸波材料的損耗特性大致分為三類：（1）電阻型損耗.此類吸收機(jī)制和材料的電導(dǎo)率有關(guān)，載流子引起的宏觀電流（包括電場變化引起的電流以及磁場變化引起的渦流），以熱能的形式將入射的電磁波損耗掉.電導(dǎo)率越大，越有利于將入射的電磁能轉(zhuǎn)化成為熱能.（2）電介質(zhì)損耗.即通過介質(zhì)反復(fù)極化產(chǎn)生的“摩擦”作用并將電磁能轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉.電介質(zhì)極化過程包括：電子云位移極化，極性介質(zhì)電矩轉(zhuǎn)向極化，電鐵體電疇轉(zhuǎn)向極化以及壁位移等.（3）磁介質(zhì)損耗.此類吸收機(jī)制是一類和鐵磁性介質(zhì)的動(dòng)態(tài)磁化過程有關(guān)的磁損耗，如磁滯損耗，旋磁渦流、阻尼損耗以及磁后效應(yīng)等，其主要來源是和磁滯機(jī)制相似的磁疇轉(zhuǎn)向、磁疇壁位移以及磁疇自然共振等［5-6］.

復(fù)介電常數(shù)ε和復(fù)磁導(dǎo)率μ是表征吸波材料性能的基本電磁參數(shù)，當(dāng)電磁波作用在吸波材料上時(shí)，電磁波會(huì)使吸波材料內(nèi)部產(chǎn)生磁化和極化，并對(duì)外加磁場產(chǎn)生影響.介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的復(fù)數(shù)形式為［7］.

其中，ε′，μ′分別為吸波材料在電場或磁場作用下產(chǎn)生的極化或磁化程度的變量；ε″為在外加電場作用下，吸波材料的電偶矩產(chǎn)生重排引起損耗的量度；μ″為在外加磁場作用下，吸波材料的磁偶矩產(chǎn)生重排引起損耗的量度；損耗正切角表示電磁波的介電損耗和磁性損耗特性.電損耗因子和磁損耗因子［8］為

其中，δe，δm分別為電損耗角和磁損耗角.因此，對(duì)吸波材料來說，決定其吸波功能的是電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的虛部ε″和μ″，它們引起電磁波能量的損失.因此，理論上材料的ε″和μ″越大，損耗因子越大，吸波性越好.

為此，設(shè)計(jì)吸波材料的電磁參數(shù)時(shí)，需既考慮阻抗匹配，使雷達(dá)吸波材料表面反射盡可能少，同時(shí)又需確保入射吸波材料內(nèi)部的電磁波盡可能被全部吸收掉（包括透射后被背景物反射的二次吸收），而不會(huì)造成雷達(dá)波的再次返回.事實(shí)上，單一組分材料是很難滿足這一要求的，在實(shí)際設(shè)計(jì)雷達(dá)隱身吸波材料時(shí)，通常對(duì)是多種材料進(jìn)行復(fù)合，以便調(diào)節(jié)電磁參數(shù)，使其在較高匹配條件下同時(shí)具備最大的吸收損耗電磁波的能力.

此外，還有一種方法可以使一次透射的電磁波進(jìn)行再次反射后進(jìn)行有效損耗，即在雷達(dá)隱身材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，如果能使雷達(dá)隱身材料的一次透射波與二次反射的距離的設(shè)計(jì)滿足一次透射波與二次反射波同波位而互相抵消，這樣會(huì)使隱身材料對(duì)電磁波的反射率降低，獲得良好的雷達(dá)隱身效果.

當(dāng)然，目標(biāo)物體表面會(huì)直接影響其對(duì)電磁波的反射率，進(jìn)而影響其對(duì)雷達(dá)的隱身效果.因此影響目標(biāo)探測物體的雷達(dá)隱身效果的因素除了吸波材料本身的特性外，成型工藝也會(huì)對(duì)雷達(dá)吸波效果有一定的影響.如傳統(tǒng)的涂覆型吸波材料中涂層的均勻性會(huì)直接影響雷達(dá)探測目標(biāo)對(duì)電磁波的反射率，且其存在的吸收頻帶窄、涂層厚重，比重大，熱穩(wěn)定性差，易脫落等缺點(diǎn)，直接影響吸波材料的使用壽命，尤其是使武器增重，以至于會(huì)影響飛機(jī)和導(dǎo)彈的飛行性能，無法滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭備裝輕量化的要求［9］.

2 雷達(dá)吸波材料種類

雷達(dá)吸波材料由吸收劑和基體材料構(gòu)成.雷達(dá)吸波材料的吸波性能取決于吸收劑對(duì)電磁波的損耗吸收能力.因此，吸收劑是雷達(dá)吸波材料研究的重點(diǎn).按吸收劑種類的不同，雷達(dá)吸波材料可分為以下4種：

2.1 鈦酸鋇系吸收劑

鈦酸鋇（BaTiO3）類化合物是一類具有吸波性能的電介質(zhì)材料，對(duì)于電磁波能產(chǎn)生介電損耗和磁損耗，以介電損耗為主，主要包括電導(dǎo)損耗、松弛極化損耗和諧振損耗，且成本低廉、化學(xué)穩(wěn)定性好，是一種不錯(cuò)的雷達(dá)吸波劑［10-11］.將BaTiO3和環(huán)氧樹脂制成復(fù)合吸波材料對(duì)電磁波有較好的損耗特性，當(dāng)鈦酸鋇粒子體積含量達(dá)到20%時(shí)，在8～18GHz頻段內(nèi)有較好的吸收性能.但當(dāng)鈦酸鋇粒子體積含量達(dá)到30%時(shí)，吸波材料在整個(gè)8～18GHz頻段內(nèi)的工作帶寬有所下降［12］.鈦酸鋇的介電性能受球磨時(shí)間、球磨工藝、粉體粒度等影響.存在晶粒尺寸效應(yīng)，研究表明：當(dāng)晶粒尺寸為1.2μm時(shí)，鈦酸鋇的室溫介電常數(shù)達(dá)到最大（4 143），介電損耗 ＜0.03；當(dāng)晶粒尺寸＜1.2μm時(shí)，介電常數(shù)隨晶粒尺寸的減小而迅速減?。?3］.BaTiO3的介電性能除了受粉體粒度［14］影響外，制備時(shí)的球磨時(shí)間、球磨工藝等均會(huì)影響其介電性能［15-16］.適量的稀土摻雜鈦酸鋇能明顯改善電磁性能與吸波性能，且釹（Nd）、鑭（La）摻雜對(duì)鈦酸鋇的電磁性質(zhì)與吸波性能的改變最大.當(dāng)涂層厚度為2.5mm時(shí)，La的摻雜量為0.2%的鈦酸鋇樣品的最小反射率比鈦酸鋇降低了2倍，達(dá)-51dB，小于-10dB的吸收頻帶寬度拓寬了1.7倍；La的摻雜量為0.6%的鈦酸鋇樣品的最小反射率比鈦酸鋇降低了18dB，小于-10dB的吸收頻帶寬度拓寬了2倍［17-18］.

2.2 碳系吸收劑

2.2.1 炭黑 炭黑對(duì)電磁波的損耗屬于介電損耗.炭黑作為吸波劑，其抗氧化性能差，且單一使用頻帶較窄.因此，需和其它材料進(jìn)行復(fù)合后用作電磁波的吸收劑.如簡單地采用漿料刷涂的方法將高溫乙炔炭黑固定于SiC纖維上，然后采用熱模壓成型制備的2D-SiCf／SiC高溫吸波材料.研究結(jié)果表明：單層復(fù)合材料在某一頻段內(nèi)具有較好的吸波性能，但由于復(fù)合材料介電常數(shù)頻散效應(yīng)較差，寬頻吸波性能不理想［19］.當(dāng)炭黑顆粒達(dá)到納米級(jí)時(shí)，比表面積很大，但在復(fù)合材料的制備中易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，制備的復(fù)合材料中炭黑的含量受限，解決吸波性能帶寬問題需要添加合適的分散劑或采用不同吸收劑進(jìn)行復(fù)合材料層鋪工藝來解決.偶聯(lián)劑可以改善吸波材料中內(nèi)部物質(zhì)間的分散性.采用偶聯(lián)劑對(duì)吸收劑炭黑顆粒表面進(jìn)行改性處理后，加入丙烯腈·丁二烯·苯乙烯聚合物（ABS）基體中充分混合擠出成型制成的炭黑／ABS復(fù)合吸波材料.可以看到加入偶聯(lián)劑后吸波效能較未處理有明顯提高，吸收峰向高頻方向移動(dòng)3GHz，最大吸收峰從-15.63dB下降到-21.76dB［20］.偶聯(lián)劑的加入不僅使炭黑導(dǎo)電粒子均勻分散在基體中，而且使得被包覆的炭黑粒子不能相互直接接觸，因而不易在基體內(nèi)部形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而降低了炭黑顆粒的電導(dǎo)率，使其對(duì)電磁波的阻抗與自由空間的阻抗相近，即滿足阻抗匹配，降低了反射損耗.同時(shí)，也使得電磁波在其結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生電磁損耗而提高吸收損耗.因此，制備的炭黑／ABS復(fù)合吸波材料達(dá)到了寬頻、低反射、高吸收的吸波效果.

2.2.2 石墨 石墨是電損耗材料，質(zhì)量輕，介電常數(shù)較大，介電損耗是主要的吸波機(jī)制.其磁導(dǎo)率的虛部幾乎為0，幾乎沒有磁損耗，且其介電常數(shù)與磁導(dǎo)率相差較大，阻抗匹配能力差.純石墨作為吸波材料效果并不理想，只能允許較窄頻率范圍的電磁波透入其中，其余電磁波在其表面都被完全反射.因此，石墨常常需要和其他材料復(fù)合使用.磁性金屬材料同時(shí)具有電損耗和磁損耗，吸波性能優(yōu)良，但密度較大.如果兩者結(jié)合，可優(yōu)勢互補(bǔ)，即在石墨表面包覆磁性金屬層后作為吸波材料，可以有效改善吸波材料的阻抗匹配能力，提高其吸波性能，同時(shí)又具備材質(zhì)較輕的特點(diǎn).例如，采用化學(xué)鍍在石墨表面鍍Ni-P后與硅橡膠復(fù)合成厚度為2mm的吸波材料，不僅拓寬了在2～18GHz內(nèi)的吸收頻帶，且最大吸收峰也移向高頻，在14GHz的最小反射率能達(dá)到-7.0dB［21］.雖然吸波性能有所提高，但這種方法總體來說效果還不盡人意，其應(yīng)用局限性較大.

受“索爾茲伯里屏蔽”啟發(fā)，學(xué)者們研究開發(fā)了石墨基索爾茲伯里屏蔽，厚度不足2mm.包括一個(gè)充填2%的復(fù)合石墨烯環(huán)氧乙烯基酯樹脂制成的損耗層，芯層采用聚丙烯層.當(dāng)損耗層厚度為1.02mm，芯層厚度為0.67mm的石墨基索爾茲伯里屏蔽在12.5GHz的最小反射系數(shù)可達(dá)-26.64dB，大大地拓寬了石墨型吸波材料的應(yīng)用范圍［22］.傳統(tǒng)的“索爾茲伯里屏蔽”為三層復(fù)合體，包括一個(gè)金屬層作為反射體，一層無損介電層，其厚度相當(dāng)于被吸收的電磁波波長的四分之一，以及具有吸收電磁場能量的損耗層.20世紀(jì)50年代后期U-2飛機(jī)上使用過這種“索爾茲伯里屏蔽”，但由于其頻率覆蓋太窄，為此開發(fā)了多層的吸波材料，使每一層都能讓一種頻率的反射波發(fā)生諧振.喬曼吸波材料就是這種多層結(jié)構(gòu)，最多的達(dá)6層，每一層都有一個(gè)厚度，且一層比一層的電阻率低［23］.但這種干涉型吸波材料不僅尺寸和質(zhì)量都較大，而且只能對(duì)一種或最多幾種頻率的雷達(dá)波進(jìn)行吸收，吸收頻帶較窄，實(shí)際應(yīng)用受限制.此處使用石墨基復(fù)合材料作為損耗層，最大優(yōu)點(diǎn)是不受芯層為四分之一波長的限制.因?yàn)閺?fù)合石墨烯微片相當(dāng)于兩種不同充填料的復(fù)合體，一種是長橢球粒子，主要是控制復(fù)合材料的有效導(dǎo)磁率的實(shí)部；另一種是寬高比較大的圓柱形棒，主要影響材料的有效電導(dǎo)率.這樣，通過適當(dāng)調(diào)整損耗片的厚度和有效介電常數(shù)就有望獲得薄型芯層的石墨基索爾茲伯里屏蔽.

最新研究表明，利用氧化石墨烯采用水熱法合成的石墨／硫化鎘納米復(fù)合材料表現(xiàn)出高磁導(dǎo)率和對(duì)電磁波的強(qiáng)吸收功能.3.3mm厚吸收層的石墨-硫化鎘／石蠟吸波材料在9.95GHz的最小反射損失可達(dá)-48.4dB.反射損失低于-20dB的頻帶可從9.3GHz拓寬至10.7GHz.如果構(gòu)建一個(gè)好的石墨-硫化鎘界面，厚度為2～5mm的石墨／硫化鎘納米復(fù)合材料對(duì)頻域?yàn)?.2～18GHz電磁波的吸收均可低于-10dB［24］.之所以能達(dá)到如此高的吸波效果，關(guān)鍵在于硫化鎘納米顆粒和石墨烯片的匹配，以及構(gòu)建好的石墨-硫化鎘界面以確保三倍的介質(zhì)弛豫.此外，氧化石墨烯在高溫下具有高效的吸波性能，且屬于輕質(zhì)吸波材料［25-26］.

2.2.3 碳納米管 碳納米管具有質(zhì)量輕，導(dǎo)電性可調(diào)以及高溫抗氧化性能和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，且它具有的特殊結(jié)構(gòu)和介電性能，使其具有較強(qiáng)的寬帶吸波性能，是一種潛在的雷達(dá)隱身吸波材料.將碳納米管和環(huán)氧樹脂以8∶100的比例澆注在1.2mm的鋁板上，當(dāng)碳納米管／環(huán)氧樹脂吸波層厚度為7mm時(shí)，最大吸波峰在10.08GHz處反射率達(dá)-21.08dB，且存在雙波峰，次吸波峰在10.08GHz處反射率達(dá)-20.20dB，反射率低于-8dB的帶寬可達(dá)5.46GHz［27］.制備的1.2mm質(zhì)量百分比為5% 的碳納米管／環(huán)氧樹脂涂層在11.4GHz的最大吸收可達(dá)-22.89dB［28］.將碳納米管加入到聚酯中制備成復(fù)合吸波材料.厚度為5.5mm的碳納米管／聚酯復(fù)合吸波材料在10GHz的最低反射損耗達(dá)-8dB，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在毫米波段也表現(xiàn)出明顯的電磁波的吸收，意味著可以設(shè)計(jì)出既能吸收厘米波又吸收毫米波的雷達(dá)吸波材料［29］.此外，對(duì)碳納米管進(jìn)行KOH活化后可提高其吸收性能，活化碳納米管的比表面積從24.5m2／g顯著提高到360.1m2／g，且碳納米管的各種空結(jié)構(gòu)也能增加微波吸收功能［30］.

為了進(jìn)一步對(duì)碳納米管作為吸收劑的電磁學(xué)性能進(jìn)行改性，常常在碳納米管表面鍍上金屬制成復(fù)合吸波材料.研究表明：在碳納米管表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，材料的電磁性能有了較大的變化.鍍鎳碳納米管的最大反射損耗值隨著匹配的厚度的增加略有減小，但鍍鎳后的碳納米管拓寬吸收頻帶，且反射損耗值大.當(dāng)碳納米管的匹配厚度達(dá)0.2mm時(shí)，碳納米管／鎳吸波材料在15.6GHz的最低反射損耗達(dá)-11.40dB，而且在整個(gè)電磁波頻率2～18GHz測試范圍內(nèi)反射損耗值均小于-10.5dB，能夠作為一種理想的電、磁損耗型吸波材料［31-32］.

研究表明，碳納米管的結(jié)構(gòu)會(huì)影響其電磁波的吸收性能.通過測定不同結(jié)構(gòu)碳納米管的介電常數(shù)及導(dǎo)磁率，得到損耗因子和衰減常數(shù)大小順序?yàn)椋宏嚵袪疃啾谔技{米管＞原生團(tuán)聚狀多壁碳納米管＞純化團(tuán)聚狀多壁碳納米管＞純化后單壁碳納米管.多壁碳納米管雖具有較好的吸收效果但應(yīng)考慮其阻抗匹配.單壁碳納米管衰減常數(shù)隨頻率變化較小，且具有較寬的吸收峰，但吸收不如多壁碳納米管［33］.實(shí)際應(yīng)用中選擇雷達(dá)隱身吸波材料可根據(jù)需要選擇不同種類或組合不同結(jié)構(gòu)的碳納米管粉體為原料.

2.2.4 碳纖維 碳纖維具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，因此可用作結(jié)構(gòu)型雷達(dá)隱身吸波材料的增強(qiáng)材料.可連續(xù)碳纖維易導(dǎo)電，是電磁波的強(qiáng)反射體，可用作吸波材料的反射基板.但碳纖維的抗氧化性能差，不適合高溫使用，為此，需要對(duì)碳纖維進(jìn)行改性.通常的途徑是對(duì)碳纖維進(jìn)行摻雜和表面涂鍍層.如在碳纖維表面涂鍍鎳、鈷、Fe3O4、鐵氧體和合金粉等磁性材料.此外，碳纖維的截面形狀也會(huì)影響其吸波性能［34］.如利用中空聚丙烯腈（PAN）纖維為原料，以850℃碳化制備的中空多孔碳纖維作為吸收劑制備的吸波材料的損耗值低于-10dB的帶寬達(dá)3.05GHz，比實(shí)心纖維有所提高［35］.當(dāng)然，這種中空多孔結(jié)構(gòu)的碳纖維還可使雷達(dá)隱身裝備輕量化.此外，還有螺旋形手征碳纖維，獨(dú)特的螺旋幾何結(jié)構(gòu)使得其具有優(yōu)異的電磁性能、光學(xué)性能和彈性力學(xué)性能.因此，也可用來制備雷達(dá)隱身吸波材料.

2.3 鐵氧體系吸收劑

鐵氧體是應(yīng)用最早、最廣泛、技術(shù)最成熟的傳統(tǒng)雷達(dá)吸波材料，它是既具有磁吸收的磁介質(zhì)，又具有電吸收的電介質(zhì).鐵氧體的電阻率較高（108～1012Ω），可避免金屬導(dǎo)體在較高頻率下產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，即使在高頻也能保持較高的磁導(dǎo)率，因此吸收頻帶寬.其介電常數(shù)相對(duì)較小，可與其他吸收劑混用來調(diào)整電磁參數(shù)，因此鐵氧體是一種重要的電磁波吸收劑，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于隱身飛行器設(shè)計(jì)中.

為了進(jìn)一步改善鐵氧體對(duì)電磁波的吸收性能，人們采用復(fù)合、摻雜以及納米化等制備方式對(duì)其進(jìn)行改性.如用MnZn鐵氧體和橡膠制成復(fù)合材料作為吸波劑，當(dāng)MnZn鐵氧體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占20%時(shí)，復(fù)合材料的吸波性能最好，最小反射率損失達(dá)-37dB，有效頻帶寬為4.54GHz［36］.鐵氧體是亞鐵磁性，稀土元素離子的磁矩介于鐵磁性和亞鐵磁性之間，因此將稀土摻雜到鐵氧體中，可以調(diào)節(jié)鐵氧體的電磁參數(shù)，改善鐵氧體的吸波性能.研究表明：稀土鈰（Ce）、鏑（Dy）摻雜的M型鐵氧體（BaFe12O19）在2～18GHz范圍內(nèi)，最低反射率損耗分別為-12dB和-20dB，而未參雜的BaFe12O19材料的最低反射率損耗分別為-11dB，相比之下稀土摻雜吸波性能改善了很多，不僅如此，稀土Dy摻雜使得BaFe12O19材料的小于-10dB頻帶寬度分別拓寬了2倍和4倍［17］.用Zn，Co，Ti聯(lián)合替代制備的BaZn0.9Co1.1Fe15.8Ti0.2O27平面W型鋇鐵氧體吸波材料在2～30GHz出現(xiàn)4個(gè)吸收峰，最小反射率損耗達(dá)-25dB，優(yōu)于未摻雜的鋇鐵氧體［37］.

由于納米粉體具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，金屬氧化物在細(xì)化為納米粉體時(shí)，比表面積增大，處于顆粒表面的原子數(shù)越來越多且懸掛鍵增多，界面極化和多重散射使納米粉體具有優(yōu)良的吸波性能［38-39］.通過對(duì)比溶膠-凝膠法制備出的不同粒徑的Ba（Zn1-xCox）2Fe16O27納米晶粉體的吸波性能，發(fā)現(xiàn)粒徑為76nm的材料對(duì)微波的最小反射率損耗值達(dá)-28dB，且反射率損耗值低于-10dB的頻帶寬度達(dá)6GHz［40］.納米鐵氧體的制備方法分為物理方法和化學(xué)方法兩大類.物理方法主要為高能機(jī)械球磨法.化學(xué)方法有很多，如水熱合成法、化學(xué)共沉淀法、微乳液法、自蔓延高溫合成法和溶膠-凝膠法.其中，溶膠-凝膠法是制備納米材料的一種新工藝.通過控制反應(yīng)條件和各組分的比例，可以調(diào)整復(fù)合材料的電磁參數(shù)，以優(yōu)化復(fù)合材料對(duì)電磁波的吸收性能.此外，納米鐵氧體也可以與結(jié)構(gòu)復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)吸波材料復(fù)合，是一種有發(fā)展前途的雷達(dá)隱身吸波材料.

但是鐵氧體作為電磁波的吸收劑也存在密度大，耐高溫性能差的缺點(diǎn)，如為了降低其密度，改善其分散性，研究人員將鋇鐵氧體用溶膠-凝膠法包覆在陶瓷空心球上，當(dāng)顆粒粒徑為80nm時(shí)，最低反射損耗可達(dá)-31dB，損耗值低于-10dB的頻帶可達(dá)4GHz，材料的密度僅為1.8g／cm3［41］.采用在空心微珠表面包覆鐵氧體，有利于鐵氧體微觀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成，使得復(fù)合后材料的導(dǎo)電率增加，增加電磁場能量的損耗.不僅如此，由于空心微珠的顆粒尺寸與電磁波的波長相比很小，電磁波與顆粒表面會(huì)發(fā)生散射作用也會(huì)損耗部分電磁波能量.空心微珠表面包覆鐵氧體，不僅會(huì)有效降低材料的密度，而且會(huì)提高材料的剛度、強(qiáng)度、絕緣性等，是一種性能較好的吸波材料.

傳統(tǒng)的鐵氧體吸波材料均采用顆粒狀粉體進(jìn)行制備，其密度偏大，限制了鐵氧體吸波材料的應(yīng)用范圍.靜電紡絲是解決這一問題的較好辦法.采用靜電紡絲制備吸波材料的吸收劑，不僅可以降低材料的比重，而且由于其比表面積較大，還能增強(qiáng)吸波材料的單位質(zhì)量的吸收性能.最新研究表明，采用靜電紡絲制備平均直徑為110±10nm的Ba0.95La0.05Fe12O9納米纖維，與石蠟制備2mm厚的吸波材料，其最低反射損耗可達(dá)-23.02dB，損耗值低于-10dB的頻帶可達(dá)12.6GHz［42］.由此可見，傳統(tǒng)的吸波材料與新技術(shù)結(jié)合，可達(dá)到新型吸波材料具有的“薄、輕、寬、強(qiáng)”的特點(diǎn).

2.4 碳化硅系列吸收劑

碳化硅具有高溫強(qiáng)度高、抗蠕變、耐腐蝕、抗氧化、熱傳導(dǎo)率高、膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，主要用作高溫陶瓷吸波材料的吸收劑.碳化硅的電阻率介于金屬和半導(dǎo)體之間，具有較好的透波性和一定的吸波能力［43］.但單一的碳化硅吸波效果并不理想，因此，通過摻雜或與其他電磁波吸收劑進(jìn)行復(fù)合后使用.如將微米級(jí)的碳化硅摻雜在納米炭黑中，再與環(huán)氧樹脂復(fù)合制成的新型復(fù)合吸波材料，當(dāng)炭黑和碳化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%，50%時(shí)，復(fù)合吸波材料的最低反射損耗可達(dá)-40dB，損耗值低于-10dB的頻帶可達(dá)7.5～13.5GHz［44］.此外，碳化硅纖維也是碳化硅吸波材料應(yīng)用的一種主要形式.將納米金屬鎳微粒均勻分散在聚碳硅烷（PCS）中，通過熔融紡絲、燒結(jié)等制備的含鎳碳化硅復(fù)合陶瓷纖維，將其正交鋪排，與環(huán)氧樹脂復(fù)合，制備出的結(jié)構(gòu)型復(fù)合吸波材料對(duì)雷達(dá)波具有較好的吸波特性.4mm厚的復(fù)合材料在8～18GHz范圍內(nèi)損耗值均低于-10dB［45］.含鎳SiC復(fù)合纖維在這種結(jié)構(gòu)型吸波材料中既能增強(qiáng)、又能改善吸波特性，是一種功能性材料.

2.5 導(dǎo)電高聚物吸收劑

導(dǎo)電高聚物不僅具有較高的吸波特性，而且材料密度小，一般在1.1～2.0g／cm3，可使雷達(dá)隱身裝備輕量化.但其吸收頻帶較窄，因此提高其對(duì)電磁波的吸收特性和拓寬其有效的頻帶寬度是導(dǎo)電高聚物吸波材料研究的重點(diǎn)［2］.最基本的方法就是在導(dǎo)電高聚物中進(jìn)行摻雜，即利用具有共軛π-鍵的高聚物經(jīng)化學(xué)或電化學(xué)方法與摻雜劑進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移來設(shè)計(jì)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和電磁損耗，以達(dá)到對(duì)電磁波的吸收.

在眾多的導(dǎo)電高聚合物中，聚苯胺由于其結(jié)構(gòu)多樣化、價(jià)格低廉、環(huán)境穩(wěn)定性好以及具有特殊的摻雜機(jī)制，因而成為導(dǎo)電高聚物研究的熱點(diǎn).研究表明：取顆粒尺寸為30～80μm、電導(dǎo)率為10-2S／cm的導(dǎo)電聚苯胺，與聚脲以2∶8的體積比混合制成的吸波材料在2～12GHz的頻率范圍內(nèi)損耗值均能低于-7dB，且在9.4GHz處最低反射損耗可達(dá)-30dB.如果將導(dǎo)電聚苯胺／羰基鐵復(fù)合粉體與聚脲混合制成吸波材料，其呈現(xiàn)出更為顯著的寬頻吸波效應(yīng)，在2～12GHz的頻率范圍內(nèi)損耗值均能低于-10dB，且具有均勻吸波效果［46］.此外，采用“包埋法”在聚苯胺中進(jìn)行摻雜也是一種很好的吸波材料的制備方法.通過液相摻雜將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的Mn-Zn鐵氧體包埋在聚苯胺中，制成Mn-Zn鐵氧體／聚苯胺復(fù)合材料的復(fù)合損耗介質(zhì)，然后再與環(huán)氧樹脂吸收劑進(jìn)行復(fù)合.結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)Mn-Zn鐵氧體／聚苯胺復(fù)合材料與環(huán)氧樹脂質(zhì)量份數(shù)各為50%時(shí)，復(fù)合材料對(duì)電磁波的吸收能力在9.2GHz處最低反射損耗可達(dá)-29.67dB.損耗值低于-10dB的有效帶寬達(dá)11GHz［47］.進(jìn)一步研究表明，Mn-Zn鐵氧體／聚苯胺復(fù)合材料不僅具有磁損耗，而且改變了聚苯胺的電導(dǎo)率，使Mn-Zn鐵氧體的共振頻率發(fā)生了移動(dòng)，而簡單的混合制成的材料卻沒有這種現(xiàn)象［48-49］.

此外，采用納米材料與導(dǎo)電高分子聚合物復(fù)合后也能獲得較好的吸波性能材料.導(dǎo)電高分子聚合物與納米復(fù)合一方面有利于對(duì)電磁波的吸收；另一方面可制得超薄的吸波材料，可滿足航空航天的應(yīng)用要求.目前，已經(jīng)有核殼結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電高聚物與納米Fe3O4復(fù)合制備雷達(dá)隱身吸波材料研究的報(bào)導(dǎo)，即將具有磁損耗特性的納米改性鐵氧體作為核，以具有電損耗特性的導(dǎo)電高聚物作為殼［50］.制成的納米復(fù)合吸波材料既具有磁和電損耗特性，又具有納米材料的獨(dú)特效應(yīng)，符合新型雷達(dá)隱身材料的“薄、輕、寬、強(qiáng)”的特點(diǎn)，作為一種雷達(dá)隱身吸波材料將具有很好的發(fā)展前景.

2.6 多晶鐵纖維系列吸收劑

多晶鐵纖維是20世紀(jì)80年代開始研究的新型吸收劑，它將電磁波的極化性能與多晶體吸收劑的各向異性相結(jié)合，有望減輕涂層重量，是輕質(zhì)吸波材料中前景較好的一種.多晶鐵纖維具有多重吸收機(jī)制，但多晶鐵纖維的吸波性能受纖維表面形態(tài)及直徑等因素影響.據(jù)美國專利報(bào)導(dǎo)，多晶鐵吸收劑體積占空比25%時(shí)，厚度為1mm的多晶鐵纖維吸波涂層在5～20GHz頻帶內(nèi)損耗值均低于-10dB［51］.多晶鐵纖維可采用化學(xué)方法先合成前驅(qū)體α-FeOOH多晶體，再經(jīng)硅包覆、脫水、還原、修飾和純化后制得.這種制備方法工藝簡單、成本低，但所制得的纖維存在空洞、小隙，表面形貌不規(guī)整等缺陷，會(huì)影響其吸波性能，為此，需對(duì)它進(jìn)行修補(bǔ).研究表明：采用五羰基鐵進(jìn)行修補(bǔ)后合成的多晶鐵纖維吸波性能大幅提高，在8.5～14.6GHz頻帶內(nèi)損耗值均低于-10dB，在11.3GHz處最低反射損耗可達(dá)-21.8dB［52］.采用五羰基鐵Fe（CO5）通過磁引導(dǎo)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）制得的多晶鐵纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層，研究表明，當(dāng)多晶鐵纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，涂層的面密度僅為1.82kg／m2，1mm厚的涂層在損耗值低于-8dB的有效帶寬達(dá)4.2GHz，最低反射損耗可達(dá)-16.5dB［53］.可見多晶鐵纖維適合制備輕質(zhì)吸波材料.

2.7 等離子體吸收劑

等離子體吸波原理是在武器表面形成等離子云，當(dāng)雷達(dá)發(fā)射的電磁波照射到等離子云上時(shí)，與等離子的帶電離子相互作用，一部分能量就會(huì)被帶電離子吸收，從而導(dǎo)致雷達(dá)發(fā)射的電磁波衰減，達(dá)到武器隱身的目的.產(chǎn)生等離子云的方式可以是采用等離子發(fā)生器、發(fā)生片或放射性同位素.可通過設(shè)計(jì)和控制等離子云能量、電離度、震蕩頻率和碰撞頻率等參數(shù)來達(dá)到最佳的吸波效果［54-55］.

在飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等裝備的特定部位，如強(qiáng)散射區(qū)可以采用等離子吸波涂料隱身.涂料以鍶-90、鋦-242等放射性同位素為原料，在飛行器飛行過程中放射出強(qiáng)α射線，高能粒子促使空氣電離形成等離子層，其吸收性能在1～20GHz頻帶內(nèi)損耗值可達(dá)-17dB.厚度為0.025mm釙-210涂層，可使頻率為1GHz入射波衰減10%～20%［56-57］.等離子體隱身技術(shù)不僅吸波頻帶寬.隱身效果好，使用簡便，且無需對(duì)裝備作任何結(jié)構(gòu)和性能上的改變，就能使反射回雷達(dá)接收的能量很小，使敵方的雷達(dá)偵查系統(tǒng)難以偵探和發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而達(dá)到隱身的目的.

此外，金屬微粉也具有一定的吸波作用.如將Fe-Ti-Si-Al復(fù)合微晶粉體與環(huán)氧樹脂復(fù)合制備的3mm厚的吸波材料在593MHz～1.83GHz頻帶內(nèi)損耗值均低于-10dB［58］，1.5mm厚的Nd3Fe66Mn2Co18B11復(fù)合吸波材料在2.7GHz損耗值可達(dá)-6.9dB［59］.

3 雷達(dá)吸波材料發(fā)展趨勢

雷達(dá)吸波材料技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用是雷達(dá)隱身技術(shù)發(fā)展的重要措施之一.從已經(jīng)應(yīng)用的吸波材料可以看出，目前研究人員采用不同吸收劑相互復(fù)合，取長補(bǔ)短，利用納米材料的獨(dú)特效應(yīng)，制備兼具電損耗、磁損耗及納米特殊效應(yīng)于一體的復(fù)合吸波材料，并利用導(dǎo)電高分子的成纖特性和碳纖維等作為增強(qiáng)基體材料，通過一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足雷達(dá)隱身吸波材料“薄、輕、寬、強(qiáng)”的特點(diǎn).

隨著雷達(dá)探測技術(shù)系統(tǒng)性能的提高和種類的繁多，武器裝備面臨的戰(zhàn)爭威脅將更加惡劣，對(duì)其隱身性能的要求會(huì)更高，未來的雷達(dá)隱身吸波材料研發(fā)人員應(yīng)開展新的吸波機(jī)理以及新型隱身材料的研究.新型雷達(dá)隱身吸波材料需要重點(diǎn)考慮以下4個(gè)方向：

3.1 輕量化

吸波材料常常會(huì)使武器增重，以至于會(huì)影響飛機(jī)和導(dǎo)彈的飛行性能.未來的新型雷達(dá)吸波材料要盡量使用高性能、低密度的吸收劑進(jìn)行復(fù)合以集磁損耗、電損耗于一體，同時(shí)通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保在加強(qiáng)吸波性能的同時(shí)，降低吸波材料的體積密度.即減小武器被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)概率的同時(shí)，滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭備裝輕量化的要求.

3.2 功能復(fù)合化

目前米波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等先進(jìn)探測設(shè)備相繼問世，現(xiàn)代戰(zhàn)爭中不僅需要對(duì)付單一偵查或制導(dǎo)手段，而且會(huì)有多種偵查手段同時(shí)運(yùn)用，為此未來雷達(dá)隱身吸波材料應(yīng)滿足多頻段隱身.此外，還應(yīng)滿足耐高溫、耐海洋、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗輻射、抗沖擊等要求，適合惡劣環(huán)境使用.

3.3 高頻化

雷達(dá)測距的精度與電磁波的波長密切相關(guān).電磁波的頻率越高，波長越短，則雷達(dá)的測距精度越高.現(xiàn)代雷達(dá)偵測技術(shù)正在向高頻發(fā)展，因此，未來雷達(dá)隱身吸波材料的研究除了考慮在拓寬頻帶，盡量降低對(duì)雷達(dá)電磁波反射率的同時(shí)，還應(yīng)探索對(duì)高頻段電磁波具有較高屏蔽效能的新型雷達(dá)隱身吸波材料的研發(fā)，以獲得理想的雷達(dá)隱身效果.

3.4 智能化

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中偵查探測手段往往不可預(yù)知，新的智能隱身武器應(yīng)具有自適應(yīng)隱身能力.新型雷達(dá)智能化隱身吸波材料應(yīng)能根據(jù)入射的電磁波，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)材料的電磁參數(shù)，使材料的強(qiáng)吸收峰位于入射的電磁波頻段，對(duì)入射的電磁波進(jìn)行最大程度的吸收.它的發(fā)展和應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)智能隱身的重要措施之一.目前，智能隱身吸波材料的研究尚處于理論研究和實(shí)驗(yàn)摸索階段，材料體系較為單一，智能可調(diào)范圍較窄，需要對(duì)電磁參數(shù)可調(diào)材料的結(jié)構(gòu)和機(jī)理進(jìn)行理論研究，探索多種材料復(fù)合的可行性，拓寬可調(diào)吸波頻帶范圍，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)智能隱身吸波材料的工程化等，為武器裝備的智能隱身提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ).

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