劉元軍，趙曉明，李衛(wèi)斌

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津300387)

0 前言

隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，電磁波輻射的影響日益增大，這種影響體現(xiàn)在各種生活環(huán)境中。在機(jī)場(chǎng)，飛機(jī)會(huì)因受到電磁波影響無(wú)法起飛而誤點(diǎn);在醫(yī)院，移動(dòng)電話(huà)等通訊設(shè)備常會(huì)影響一些電子診療儀器的正常工作。電磁的出現(xiàn)，促進(jìn)了人類(lèi)文明的進(jìn)步，給人們的生活帶來(lái)了極大方便，我們的日常生活已經(jīng)離不開(kāi)電磁波，但它帶來(lái)的危害不容忽視。近些年來(lái)，電磁波危害日益嚴(yán)重，已逐漸成為一大環(huán)境污染，因此，治理電磁波污染，刻不容緩，找到一個(gè)方法來(lái)抵御或減少電磁輻射的材料——吸波材料，已成為當(dāng)今科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重大問(wèn)題。

1 吸波材料的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

所謂吸波材料，是指能夠吸收或衰減入射的電磁波，并將其電磁能轉(zhuǎn)換成熱能耗散掉或使電磁波因干涉而消失的一類(lèi)材料［1］。在工程領(lǐng)域，一般要求吸波材料在較寬頻帶內(nèi)對(duì)電磁波具有較高的吸收率，另外還要求其具備質(zhì)量輕、耐溫、耐濕、抗腐蝕等特點(diǎn)。

吸波材料的發(fā)展已有40～50年的歷史［2－3］，早在二戰(zhàn)期間，美、英、德等國(guó)為了各自的軍事目的，針對(duì)雷達(dá)電子偵察和反偵察方面，開(kāi)始對(duì)電磁波吸收材料進(jìn)行大量的探索性工作。當(dāng)時(shí)的目的之一是為了減小潛艇潛望鏡的雷達(dá)散射截面。在40～50年代間這方面的工作有了一定的進(jìn)展，上世紀(jì)60年代初，美國(guó)空軍給予了隱身技術(shù)及吸波材料很大關(guān)注，開(kāi)始把吸波材料應(yīng)用于空軍的很多機(jī)型上，如F－14、F－15、F－18等戰(zhàn)斗機(jī)型和F－117隱形飛機(jī)。70～80年代間吸波材料進(jìn)入了快速發(fā)展階段，80年代以來(lái)，世界各國(guó)投巨資并加大對(duì)吸波材料的研究力度。隨著電信行業(yè)的快速發(fā)展，吸波材料已廣泛應(yīng)用于通信、環(huán)境保護(hù)、人類(lèi)和其他領(lǐng)域的保護(hù)。

1.1 吸波材料的分類(lèi)

吸波材料的種類(lèi)繁多，吸波機(jī)理也不盡相同，目前對(duì)吸波材料的分類(lèi)存在多種方法，主要有以下4 種［4－7］。

(1)按吸波機(jī)理的不同，分為吸波型和干涉型兩類(lèi)。前者主要是材料本身對(duì)電磁波的損耗吸收;后者是利用吸波涂層表層和底層兩列反射波的相干即振幅相等、相位相反進(jìn)行干涉抵消來(lái)設(shè)計(jì)吸波涂層。當(dāng)電磁波垂直入射到吸波涂層表面時(shí)，一部分被反射出去，稱(chēng)之為第一反射波。其余部分透入涂層，在自由空間與涂層的界面和涂層與金屬的界面之間進(jìn)行來(lái)回反射。在反射波每次返回自由空間與涂層的界面時(shí)，都有一部分波會(huì)穿出此界面，返回到自由空間。這部分波疊加以后形成第二反射波。如果第一反射波與第二反射波處于同一偏振面上，且相位差為180°，則會(huì)發(fā)生干涉，使總的反射波能量發(fā)生急劇衰減，其缺點(diǎn)是吸收頻段很窄［8］。

(2)按材料耗損機(jī)理的不同，可分為電阻型(導(dǎo)電損耗型)、電介質(zhì)型(介電損耗型)和磁介質(zhì)型(磁損耗型)。非磁性金屬粉末、導(dǎo)電高分子及石墨等屬于電阻型吸波材料，電磁能主要衰減于電阻上，其機(jī)理為當(dāng)吸波材料受到外界磁場(chǎng)的感應(yīng)時(shí)，吸波材料會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流繼而又產(chǎn)生與外界磁場(chǎng)方向相反的感應(yīng)磁場(chǎng)，與外界磁場(chǎng)相互抵消，從而達(dá)到對(duì)外界電磁場(chǎng)的屏蔽作用;欽酸鋇、鐵電陶瓷等屬于電介質(zhì)型吸波材料，其機(jī)理為依靠介質(zhì)的極化現(xiàn)象即電子極化、分子極化、離子極化或界面極化等對(duì)電磁波進(jìn)行弛豫、衰減、吸收;鐵氧體、羧基鐵粉、磁性金屬等屬于磁介質(zhì)型吸波材料，這類(lèi)吸波材料的吸波機(jī)理主要可歸結(jié)為以自然共振、疇壁共振、磁滯損耗和后效損耗等磁極化機(jī)制來(lái)衰減、吸收電磁波，其具有較高的正切磁損耗角，吸波能力較強(qiáng)，吸收頻帶較寬，是目前應(yīng)用最為廣泛的吸波材料類(lèi)型。

(3)按材料成型工藝和承載能力，可分為涂敷型和結(jié)構(gòu)型兩大類(lèi)。涂敷型吸波材料是將吸波劑與粘合劑混合后涂在目標(biāo)表面形成吸波涂層，使材料具有一定的吸波效果，其以涂覆方便靈活、可調(diào)節(jié)性高、吸收性能好等優(yōu)點(diǎn)受到世界各國(guó)的重視。此外，國(guó)外還在研制含放射性同位素的涂料和半導(dǎo)體涂料，其特點(diǎn)是吸波頻帶寬，反射衰減率高，使用壽命長(zhǎng);結(jié)構(gòu)型吸波材料具有承載和吸收雷達(dá)波的雙重功能，通常是將吸波劑分散在層狀結(jié)構(gòu)材料或特種纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料中所形成的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，或是以透波性能好、強(qiáng)度高的高聚物復(fù)合材料(如玻璃鋼，芳綸纖維復(fù)合材料等)做面板，夾芯采用蜂窩狀、角錐體或波紋體的夾芯結(jié)構(gòu)吸波材料?？沙尚统筛鞣N形狀較為復(fù)雜的部件，如機(jī)翼、尾翼和進(jìn)氣道等，具有涂敷型材料不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)代隱身材料的主要發(fā)展方向。

(4)按研究時(shí)期還可以分為新型吸波材料和傳統(tǒng)吸波材料。傳統(tǒng)的吸波材料包括鐵氧體、金屬鐵粉、輕基鐵、欽酸鋇、石墨、碳化硅、導(dǎo)電纖維等，缺點(diǎn)是吸波頻帶窄、密度大等;新型吸波材料有導(dǎo)電聚合物、高分子聚合物、手性材料、納米材料、視黃基席夫堿等，其具有吸收能力強(qiáng)、密度小等優(yōu)點(diǎn)。但不論是哪一類(lèi)的吸波材料，單獨(dú)使用其中一類(lèi)或一種很難滿(mǎn)足“薄、輕、寬、強(qiáng)”的要求。利用復(fù)合材料的協(xié)同效應(yīng)及電磁參數(shù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，將不同吸收頻帶、不同損耗機(jī)制(介電型損耗、電阻型損耗、磁損耗)、不同吸收機(jī)理的材料進(jìn)行多元復(fù)合，有可能實(shí)現(xiàn)厚度薄，吸收頻帶寬、質(zhì)量輕、吸收強(qiáng)的目標(biāo)。近年來(lái)，對(duì)同時(shí)具有兩種或兩種以上功能特性的復(fù)合吸波材料的研究正逐漸成為熱點(diǎn)。

1.2 吸波材料的研究概況

吸波材料種類(lèi)繁多，各有特點(diǎn)，由于在軍事和民用上的廣泛應(yīng)用，使其在國(guó)內(nèi)外掀起了研究新型吸波材料的熱潮，涂覆型吸波材料，又稱(chēng)吸波徐層，由于其施工方便，吸波性能優(yōu)良，得到廣泛應(yīng)用，目前重點(diǎn)研究的涂覆型吸波材料主要有以下幾種［9－12］。

(1)鐵氧體吸波材料

鐵氧體是鐵元素與氧元素化合而形成的各類(lèi)化合物，屬亞鐵磁性材料，其相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率均呈復(fù)數(shù)形式，為雙復(fù)介質(zhì)材料，具有磁吸收和電吸收兩種功能，吸波性能來(lái)源于亞鐵磁性及介電性能，其對(duì)電磁波的吸收主要通過(guò)極化效應(yīng)和自然共振。它既能產(chǎn)生介電損耗，又能產(chǎn)生磁損耗，因此具有良好的微波性能。鐵氧體吸波材料是目前研究較多而且比較成熟的吸波材料，在高頻下磁導(dǎo)率較高，而且電阻率也較大，使電磁波易于進(jìn)入并能快速衰減，被廣泛地應(yīng)用在雷達(dá)吸波材料及隱身領(lǐng)域及光催化領(lǐng)域中［13－14］。鐵氧體可分為尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型等三種類(lèi)型，均可作為吸波材料。鐵氧體系列吸收劑，包括鎳鋅鐵氧體、錳鋅鐵氧體和鋇系鐵氧體等。鐵氧體吸波材料通常又分為尖晶石型與六角晶系兩種類(lèi)型，其中尖晶石型鐵氧體的應(yīng)用歷史很長(zhǎng)，但由于尖晶石型鐵氧體的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都比較小，而且難以滿(mǎn)足相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)盡可能接近的原則。目前對(duì)鐵氧體的研究多集中于六角晶系，展開(kāi)較多的是對(duì)鋇系 M，W型六角晶系鐵氧體材料研究［15－16］。單一鐵氧體材料很難達(dá)到吸收頻帶寬、厚度薄和面密度小的要求，若把鐵氧體粉與磁性微粒結(jié)合而制成復(fù)合鐵氧體材料，可通過(guò)改變鐵氧體粉體的粒徑、組成等來(lái)控制其電磁參數(shù)，提高吸波性能。鐵氧體吸收劑具有吸收強(qiáng)、吸收頻帶寬的特點(diǎn)，具有較好的頻率特性，由于其相對(duì)磁導(dǎo)率較大，且相對(duì)介電常數(shù)較小，適合制作匹配層，在低頻拓寬頻帶方面具有良好的應(yīng)用前景。鐵氧體吸波材料耐高溫性能差，當(dāng)溫度由250℃至100℃變化時(shí)其吸收性能呈下降趨勢(shì)，由于面密度較大，在隱身飛行器應(yīng)用中受到很大限制，而高速飛行器(如米格25)，要求吸波材料在600℃以上工作，國(guó)內(nèi)對(duì)鐵氧體的研究水平吸收頻寬為8～18GHz，吸收率為10dB，面密度5kg/m2左右。日本研制出的由阻抗變換層和低阻抗諧振層匹配組成的雙層結(jié)構(gòu)寬頻高效吸波涂料，可吸收頻率為1～2GHz的雷達(dá)波，吸收率為20dB。

(2)電介質(zhì)陶瓷吸波材料

陶瓷類(lèi)吸波材料目前國(guó)內(nèi)外研制開(kāi)發(fā)的主要有碳化硅、氮化硅、氧化鋁、硼硅酸鋁材料或纖維等，特別是碳化硅纖維或材料［17－18］。碳化硅纖維具有高強(qiáng)度(1～4GPa)、高模量(150～400GPa)、耐高溫(＞1200℃)、抗氧化、抗腐蝕、抗蠕變、低密度等優(yōu)異性能，是耐高溫陶瓷吸波纖維之一。PZT(鋯鈦酸鉛)、BaTiO3等電介質(zhì)材料也具有良好的吸波效果，但吸收帶寬較窄。法國(guó)Alcole公司用玻璃纖維、碳纖維和芳酞胺纖維制成復(fù)合纖維，在這種復(fù)合纖維中加入 TiO2后可使其耐高溫達(dá)1200℃，其主要特征是具有較小的電阻率(0～10Ω·cm)，這使其具有較佳的吸波特性。

(3)多晶鐵纖維吸波材料

多晶鐵纖維的研究始于20世紀(jì)80年代中期，是一種輕質(zhì)的磁性雷達(dá)波吸收材料，吸收劑包括Fe，Co，Ni及其合金纖維吸收劑，具有復(fù)合損耗機(jī)理(渦流損耗、磁滯損耗、介電損耗)。目前所使用的大部分隱身材料磁性吸收劑質(zhì)量太重，難以實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)彈等飛行武器上應(yīng)用。多晶鐵纖維以其獨(dú)特的形狀各向異性、質(zhì)量輕、頻帶寬和斜入射性能好等優(yōu)點(diǎn)備受青睞。由于纖維的長(zhǎng)度、直徑、排列方式、電導(dǎo)率等對(duì)吸波體的電磁參數(shù)的影響較大，所制備的吸波體穩(wěn)定性差，制備實(shí)用價(jià)值較高的纖維吸波材料還有待進(jìn)一步研究。

(4)導(dǎo)電高分子吸波材料

導(dǎo)電高分子吸波材料一般是由有機(jī)高分子物質(zhì)(樹(shù)脂類(lèi)、橡膠類(lèi)、聚乙炔、聚毗咯等)與導(dǎo)電物質(zhì)(金屬、非金屬類(lèi)及氧化物類(lèi)填料)或摻雜劑(濃硫酸、鹽酸、三氯化鐵及其它有機(jī)物)經(jīng)過(guò)一定的復(fù)合工藝復(fù)合而成。目前，制備導(dǎo)電高分子復(fù)合吸波材料的填料主要包括金屬系材料和碳系材料金屬系材料兩大類(lèi)，碳系材料中的石墨、炭黑、碳納米管等以其優(yōu)異的性能而得到廣泛的應(yīng)用［19］，與其他吸波材料相比，導(dǎo)電高分子材料密度小(只有鐵氧體的1/5)，電導(dǎo)率可以在絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體范圍內(nèi)變化而呈現(xiàn)不同的吸波特性，可通過(guò)摻雜調(diào)節(jié)電導(dǎo)率來(lái)控制其吸波性能，導(dǎo)電高分子材料的質(zhì)量輕、密度小(一般在1.0 g/m3的范圍內(nèi))，且具有很好的加工成膜、成纖性，電、光、壓力等因素影響其導(dǎo)電、顏色、紅外等性能，結(jié)構(gòu)多樣，熱穩(wěn)定性好，能較好的適應(yīng)環(huán)境。目前對(duì)該材料的研究主要集中在不同導(dǎo)電填料及其用量、不同摻雜劑對(duì)吸波性能和導(dǎo)電性能的影響。據(jù)美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的報(bào)道用聚乙炔做成的2.0mm的膜層，對(duì)35.00GHz的微波吸收達(dá)90%。國(guó)內(nèi)的研究人員將能導(dǎo)電的高分子聚合物苯胺與氰酸鹽晶須的混合物，懸浮在聚氨酯或其他聚合物基體中研制出一種透明吸波材料，這種材料可以噴涂，也可以與復(fù)合材料組成層合材料。導(dǎo)電高分子作為一種新型的吸波材料，由于其優(yōu)良的特性，已成為研究的熱點(diǎn)。

(5)納米吸波材料

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1－100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。納米材料由“顆粒組元”和“界面組元”兩種組元構(gòu)成。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、小尺寸和界面效應(yīng)，從而使它的電、磁、光、熱等物理性質(zhì)和催化、吸收等化學(xué)性質(zhì)發(fā)生奇特的質(zhì)的變化，不僅磁損耗大，而且兼具透波、吸波、偏振等多種功能，同時(shí)兼有吸收頻帶寬、兼容性好、厚度薄等特點(diǎn)，使其具有良好的吸波特性。納米吸波材料的研究和應(yīng)用比較深入，美國(guó)研制出的被稱(chēng)作“超黑”的納米材料，吸波率高達(dá)99% 。法國(guó)研制成的納米CoNi超微粉寬頻微波吸收涂層，厚度約8nm，復(fù)磁導(dǎo)率在0.1GHz-18GHz大于6，與粘接劑復(fù)合而成的吸波涂層在50MHz～50GHz頻率范圍內(nèi)吸波性能良好。

2 吸波材料的應(yīng)用

在日益重要的隱身和電磁兼容(EMC)技術(shù)中，電磁波吸收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”，其工程應(yīng)用主要在以下幾個(gè)方面。

2.1 軍事方面

在飛機(jī)、坦克、導(dǎo)彈、艦艇、倉(cāng)庫(kù)等各種武器裝備和軍事設(shè)施上面涂覆吸波材料，就可以吸收偵察電波、衰減反射信號(hào)，從而突破敵方雷達(dá)防區(qū)，是反雷達(dá)偵察和減少武器系統(tǒng)遭受紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈和激光武器襲擊的的一種有力手段和方法，如美國(guó)B－1戰(zhàn)略轟炸機(jī)由于涂覆了吸波材料，其有效反射截面僅為B－52轟炸機(jī)的1/50;美國(guó)先進(jìn)隱身轟炸機(jī)B－2是大部分使用甚至全部使用復(fù)合材料的最大的飛機(jī)，它的雷達(dá)截面積小于0.1m2。在0H－6和AH－1G型眼鏡蛇直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的整流罩上涂覆吸波材料后可使發(fā)動(dòng)機(jī)的紅外輻射減弱90%左右［20］。在1990年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)首批進(jìn)入伊拉克境內(nèi)的F－117A飛機(jī)就是涂覆了吸波材料的隱形飛機(jī)，F(xiàn)－117A隱身戰(zhàn)斗轟炸機(jī)，遵循了“下吸上散”的設(shè)計(jì)原則。除了采用獨(dú)特的外形布局外，大量采用了雷達(dá)波反射小的碳纖維復(fù)合材料和硼纖維復(fù)合材料。采用它們有效地避開(kāi)了伊拉克的雷達(dá)監(jiān)測(cè)。近年來(lái)，美國(guó)、日本等國(guó)在新一代導(dǎo)彈的研制中都把導(dǎo)彈的隱身性能做為衡量導(dǎo)彈先進(jìn)性的一個(gè)重要方面。新一代的導(dǎo)彈幾乎都具有隱身能力，而各種先進(jìn)復(fù)合材料和吸波材料也在導(dǎo)彈上得到了廣泛應(yīng)用。由于巡航導(dǎo)彈射程遠(yuǎn)，速度較慢，因此，為了提高巡航導(dǎo)彈的生存能力和突防能力，應(yīng)用隱身技術(shù)就顯得尤為重要。美國(guó)的“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈的雷達(dá)散射截面僅有0.05m2，新一代巡航導(dǎo)彈AGM-129的雷達(dá)散射截面將會(huì)比“戰(zhàn)斧”巡航彈的更?。?1］。據(jù)悉，近年來(lái)由瑞典海軍研制成功的世界上第一艘隱形戰(zhàn)艦已經(jīng)投入使用，美、英、俄、日等國(guó)也均已研制出自己的隱形坦克和其它的隱形作戰(zhàn)車(chē)輛。此外，電磁波吸波材料還可用于隱蔽著落燈等機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航設(shè)備以及其它的地面設(shè)備、艦船桅桿、甲板、潛艇的潛望鏡支架和通氣管道等設(shè)備。吸波材料也可以作為柔性隱蔽材料(偽裝網(wǎng))，用于遮蓋軍事目標(biāo)，防止雷達(dá)探測(cè)。瑞典的Diab Barrcauda AB公司專(zhuān)門(mén)從事研發(fā)和制造偽裝材料，生產(chǎn)的產(chǎn)品具有國(guó)際領(lǐng)先水平。該公司采用雙層屏蔽材料制備出的熱偽裝網(wǎng)不僅能防護(hù)毫米波、厘米波的探測(cè)，也能對(duì)可見(jiàn)光、近紅外和熱紅外起到一定作用。中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所的工程師們?cè)O(shè)計(jì)出的具有隱形功能的蓬蓋布，經(jīng)過(guò)測(cè)試反射率可達(dá)－10dB。

2.2 民用方面

(1)改善整機(jī)性能

飛機(jī)機(jī)身對(duì)電磁波反射產(chǎn)生的假信號(hào)，可能會(huì)導(dǎo)致高靈敏機(jī)載雷達(dá)假截獲或假跟蹤;飛機(jī)或艦船上的幾部雷達(dá)同時(shí)工作時(shí)，雷達(dá)收發(fā)天線(xiàn)間的串?dāng)_有時(shí)會(huì)十分嚴(yán)重，機(jī)上或艦上自帶的干擾機(jī)也會(huì)干擾到自帶的雷達(dá)或通信設(shè)備。因此，為減少諸如此類(lèi)的干擾，國(guó)外常用吸收電磁波優(yōu)良的磁屏蔽材料來(lái)提高雷達(dá)或通信設(shè)備的性能。如在雷達(dá)或通信設(shè)備機(jī)身、天線(xiàn)和周?chē)磺懈蓴_物上涂覆吸波材料，則可使它們更靈敏、更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)敵方目標(biāo)［20］;在雷達(dá)拋物線(xiàn)天線(xiàn)開(kāi)口的四周壁上涂覆吸波材料，可減少副瓣對(duì)主瓣的干擾和增大發(fā)射天線(xiàn)的作用距離，對(duì)接收天線(xiàn)則起到降低假目標(biāo)反射的干擾作用;在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中應(yīng)用吸波材料，將避免通信線(xiàn)路間的干擾，改善星載通信機(jī)和地面站的靈敏度，從而提高通信質(zhì)量［22］。

(2)吸波材料在電子抗干擾中的應(yīng)用

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品尤其是移動(dòng)通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)、各種一般家用電器的普及，人們的生活環(huán)境已經(jīng)遭受到電磁波的嚴(yán)重污染，電子環(huán)境由于城市高層建筑的增多在不斷惡化，如何減少電磁波的干擾已成為全球電子行業(yè)普遍關(guān)注的問(wèn)題。目前用于降低電磁波干擾的產(chǎn)品和吸波材料的產(chǎn)量正與日俱增，新產(chǎn)品也不斷涌現(xiàn)［23］。

(3)吸波材料在建筑上的應(yīng)用

建筑吸波材料延用了軍事中吸波材料的概念，但是也有顯著的差異。軍事上雷達(dá)的電磁波要求頻率更高，頻段更窄。在材料成本方面，軍事領(lǐng)域的吸波材料成本較高。要將吸波材料用于建筑領(lǐng)域，降低材料成本則是一個(gè)必須考慮的因素，選擇經(jīng)濟(jì)有效的吸波材料應(yīng)用于建筑物防輻射，才是推廣應(yīng)用的前提［24］。在電磁環(huán)境易受到污染的公共建筑、公共場(chǎng)所、居民小區(qū)等區(qū)域，可開(kāi)發(fā)具有吸波性能的建筑材料，使建筑物對(duì)電磁波具有強(qiáng)吸收、低反射的作用來(lái)減少電磁輻射所帶來(lái)的各種不良影響［25］。

3 吸波材料的理論研究及測(cè)試

3.1 吸波機(jī)理

3.1.1 材料損耗

(1)電阻型(導(dǎo)電損耗型)，電磁能主要衰減在電阻上，其機(jī)理為當(dāng)吸波材料受到外界磁場(chǎng)的感應(yīng)時(shí)，吸波材料會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流繼而又產(chǎn)生與外界磁場(chǎng)方向相反的感應(yīng)磁場(chǎng)，與外界磁場(chǎng)相互抵消，從而達(dá)到對(duì)外界電磁場(chǎng)的屏蔽作用。

(2)電介質(zhì)型(介電損耗型)，其機(jī)理為依靠介質(zhì)的極化現(xiàn)象即電子極化、分子極化、離子極化或界面極化等對(duì)電磁波進(jìn)行弛豫、衰減、吸收。

(3)磁介質(zhì)型(磁損耗型)，這類(lèi)吸波材料的吸波機(jī)理主要可歸結(jié)為以自然共振、疇壁共振、磁滯損耗和后效損耗等磁極化機(jī)制來(lái)衰減、吸收電磁波，其具有較高的正切磁損耗角，吸波能力較強(qiáng)，吸收頻帶較寬，是目前應(yīng)用最為廣泛的吸波材料類(lèi)型。

3.1.2 相位干涉

干涉相消是利用吸波涂層表層和底層兩列反射波的相干即振幅相等、相位相反進(jìn)行干涉抵消來(lái)設(shè)計(jì)吸波涂層。當(dāng)電磁波垂直入射到吸波涂層表面時(shí)，一部分被反射出去，稱(chēng)之為第一反射波。其余部分透入涂層，在自由空間與涂層的界面和涂層與金屬的界面之間進(jìn)行來(lái)回反射。在反射波每次返回自由空間與涂層的界面時(shí)，都有一部分波會(huì)穿出此界面，返回到自由空間。這部分波疊加以后形成第二反射波［8］。如果第一反射波與第二反射波處于同一偏振面上，且相位差為180°，則會(huì)發(fā)生干涉，使總的反射波能量發(fā)生急劇衰減。

3.2 電磁參數(shù)及其物理意義

3.2.1 吸波材料的重要電磁參數(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)部發(fā)生磁化和極化，并反之對(duì)外加電磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。材料內(nèi)部的電感應(yīng)強(qiáng)度D，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系是［26－27］:

研究吸波材料的重要電磁參數(shù)有復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率，其復(fù)數(shù)形式為

在以上定義式中，ε'，μ'是吸波材料在電磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生極化和磁化程度的變量;ε″為外加電場(chǎng)下，材料的電偶極矩發(fā)生重排引起的損耗的量度;μ″是在外加磁場(chǎng)下材料的磁偶極矩發(fā)生重排引起的損耗量度;由此可見(jiàn)，對(duì)介質(zhì)而言，承擔(dān)著電磁波吸波功能的是電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的虛部ε″和μ″，它們引起能量的損耗，介質(zhì)損耗角δ的正切即損耗因子 tanδ可以用下式表示［28－29］:

式中:δE為電感應(yīng)場(chǎng)D相對(duì)于外加電場(chǎng)的滯后相位;δM為磁感應(yīng)場(chǎng)B相對(duì)于外加磁場(chǎng)的滯后相位。因此，tanδ隨ε″和μ″的增大而增大。材料的ε″和 μ″和 tanδ越大，吸波性能越好。

3.2.2 主要電磁參數(shù)的測(cè)試方法

吸波材料的主要電磁參數(shù)有介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，本論文主要通過(guò)介電常數(shù)來(lái)研究材料的吸波性能，下面主要介紹介電常數(shù)的測(cè)試方法。

介電常數(shù)測(cè)試采用德國(guó)Novocontorl Gmbh公司制造的Novocontrol Technologies Alpha-A High Performance Frequency Analyzer即BDS50介電譜儀測(cè)試介電常數(shù)，測(cè)試頻率范圍0～107Hz。由于紡織品本身的特性，其介電常數(shù)很容易受到空氣濕度及溫度的影響，所以本次實(shí)驗(yàn)在恒溫恒濕(20～22℃、64% ～66%RH)條件下進(jìn)行測(cè)試。

Novocontrol介電阻抗譜儀通過(guò)與Agilent高頻分析儀的結(jié)合達(dá)到極寬的頻率范圍(3μHz～3GHz);具有很高的分辨率(可達(dá)10－5)，能靈敏地測(cè)量低電導(dǎo)率和低損耗的材料;具有較寬的阻抗分析范圍(10mΩ～100TΩ)。其測(cè)量的樣品材料，不但包含各種固體、薄膜，甚至可以測(cè)量液體和粉末等材料的介電特性。自主研發(fā)的全自動(dòng)在線(xiàn)軟件控制，以及多種溫度控制模式的設(shè)計(jì)，使得Novocontrol介電阻抗譜儀被廣泛的用來(lái)測(cè)量材料的介電性能。

4 吸波材料的性能評(píng)價(jià)

電阻率(ρ)、復(fù)介電常數(shù)(ε)、復(fù)磁導(dǎo)率(μ)和介質(zhì)損耗角正切(tanδ)等參數(shù)是保障材料原始組分和整個(gè)材料吸收電磁波的基本物理特性，是評(píng)價(jià)吸波材料的主要參數(shù)［30－31］。

4.1 電阻率(ρ)

理論研究表明，當(dāng)介質(zhì)組分的損耗很小，甚至可以略去不計(jì)時(shí)，在金屬一介質(zhì)、半導(dǎo)體一介質(zhì)型吸波材料中，其吸波性能在很大程度上是由漏泄電導(dǎo)決定的。所以，有必要對(duì)金屬、半導(dǎo)體的電阻率的本質(zhì)作一深人探討。

4.2 復(fù)介電常數(shù)(ε)和復(fù)磁導(dǎo)率(μ)

復(fù)介電常數(shù)(ε)和復(fù)磁導(dǎo)率(μ)是吸波材料電磁特性的兩個(gè)基本參數(shù)，是評(píng)價(jià)吸波材料性能優(yōu)劣的主要依據(jù)。

4.3 介質(zhì)損耗角正切(tanδ)

介質(zhì)損耗角正切(tanδ)是表征吸波材料的一個(gè)重要電磁參數(shù)，在實(shí)踐中的應(yīng)用較為廣泛。在損耗取決于電導(dǎo)的情況下，介質(zhì)損耗角正切由復(fù)介電常數(shù)決定，tanδ=ε″/ε'。

4.4 反射率

反射率是能比較直接的反映吸波效果的參數(shù)，值越小，表明吸波材料的吸波性能越好，因此對(duì)吸波材料的要求是在規(guī)定的工作頻率內(nèi)，其反射率低于－10dB。而反射率小的吸波材料具有較大的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，但介電常數(shù)并不是越大越好，介電常數(shù)過(guò)大，尤其是虛部過(guò)大時(shí)，材料的阻抗與自由空間失配，對(duì)電磁波反射強(qiáng)烈，使吸波性能變差。

5 吸波材料的發(fā)展前景與趨勢(shì)

對(duì)于吸波材料的研究已經(jīng)取得長(zhǎng)足的發(fā)展，但隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，電子環(huán)境的惡化，對(duì)吸波材料的要求也發(fā)生了變化。近年來(lái)，緊緊圍繞“薄、輕、寬、強(qiáng)”的要求，為進(jìn)一步提高吸波性能使吸波材料的研究呈現(xiàn)出以下趨勢(shì):

(1)復(fù)合化

根據(jù)目前吸波材料的發(fā)展現(xiàn)狀，單一的材料很難同時(shí)滿(mǎn)足“薄、輕、寬、強(qiáng)”的要求，因此需要將多種材料進(jìn)行復(fù)合以獲得最佳效果，其中采用有機(jī)/無(wú)機(jī)納米復(fù)合技術(shù)，將不同的損耗機(jī)制、不同的吸收頻帶的材料進(jìn)行多元復(fù)合，可方便地調(diào)節(jié)復(fù)合物的電磁參數(shù)以達(dá)到阻抗匹配的要求，而且能夠明顯地減輕質(zhì)量，有望成為今后吸波材料研究與發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)方向。

(2)低維化

為探索新的吸波機(jī)理和進(jìn)一步提高吸波性能，納米微粒、纖維、薄膜等低維材料日益受到重視，研究對(duì)象主要集中在磁性納米粒子、納米纖維、顆粒膜與多層膜等上。它們具有兼容性好、質(zhì)量輕、吸收頻帶寬、吸收強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

(3)多頻譜兼容化

隨著米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等先進(jìn)探測(cè)器的問(wèn)世，僅采用對(duì)抗單一頻帶的隱身材料已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求，只有發(fā)展對(duì)抗多種探測(cè)儀器的寬頻譜隱身材料才能滿(mǎn)足軍事裝備隱身的需要。因此發(fā)展兼容紅外激光、米波、厘米波、毫米波等多頻段隱身的寬頻譜隱身材料必然成為隱身技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

(4)智能化

智能化材料能夠感知背景環(huán)境的變化，并通過(guò)調(diào)節(jié)材料自身的結(jié)構(gòu)和電磁特性來(lái)對(duì)外界環(huán)境信號(hào)做出最佳響應(yīng)，達(dá)到與背景環(huán)境的融合、匹配。DARAM密度低，電磁參數(shù)在特定頻率下可調(diào)節(jié)，從而受到各國(guó)的高度重視。

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