梁彩云, 王志江

世界各國(guó)的先進(jìn)雷達(dá)探測(cè)和精確制導(dǎo)能力日益增強(qiáng)，使一些大型作戰(zhàn)武器，如飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦艇、坦克等面臨發(fā)現(xiàn)即被摧毀的威脅，發(fā)展降低武器裝備特征信號(hào)的雷達(dá)隱身材料技術(shù)，對(duì)保障武器裝備的生存和防御能力具有重要的軍事意義。理想的電磁波吸收材料應(yīng)當(dāng)具有質(zhì)量輕、厚度薄、吸收能力強(qiáng)和吸收頻帶寬等特點(diǎn)，且其化學(xué)組分具有較好的穩(wěn)定性，可以滿足不同環(huán)境的使用需求[1-3]。根據(jù)吸波材料對(duì)電磁波的損耗機(jī)理，吸波材料可分為磁損耗型吸波材料（如羰基鐵、鐵氧體、超細(xì)磁性金屬粉等）和介電損耗型吸波材料（如碳材料，ZnO，SiC等）[4-5]。磁損耗型吸波材料具有低頻吸波性能優(yōu)異、吸波頻帶可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，但其密度大，在高溫環(huán)境中穩(wěn)定性差[6-7]；介電損耗型吸波材料具有質(zhì)量輕、力學(xué)性能優(yōu)異、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)前介電材料的低頻吸波性能差、吸波頻帶較窄[8-9]。隨著航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)隱身材料提出了更高的要求。一些使用溫度高達(dá)700 ℃的特殊部件材料直接暴露在探測(cè)雷達(dá)波下，例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管和鼻錐帽、巡航導(dǎo)彈的彈頭和彈翼部位，它們?cè)诠ぷ鳡顟B(tài)下對(duì)雷達(dá)波的反射較強(qiáng)，極易被探測(cè)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)并摧毀[10]。耐高溫高效隱身材料的匱乏已成為制約新型空中武器裝備發(fā)展的技術(shù)瓶頸，因此，研發(fā)具有密度低、耐高溫、抗氧化和吸波性能優(yōu)異的耐高溫吸波材料具有重要的科學(xué)意義和軍事應(yīng)用前景。

本文歸納了高溫吸波材料的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，總結(jié)了近年來(lái)SiC基無(wú)氧陶瓷材料、三元層狀化合物、金屬氧化物和碳材料等高溫吸波劑的研究現(xiàn)狀和取得的重要進(jìn)展，指出了現(xiàn)階段高溫吸波材料研究中存在的問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)高溫吸波材料的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 電磁波吸收的原理和吸波材料設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

如圖1所示，電磁波在介質(zhì)中的傳輸可以分成三個(gè)過(guò)程：首先，當(dāng)電磁波到達(dá)材料表面時(shí)，由于環(huán)境與材料之間存在阻抗差異，一部分電磁波在材料表面發(fā)生反射作用；部分進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波在材料內(nèi)部被吸收或者轉(zhuǎn)換成其他形式的能量；剩余部分則透過(guò)材料繼續(xù)向前傳遞。

因此，理想的吸波材料應(yīng)盡可能地使入射的電磁波進(jìn)入材料內(nèi)部，降低反射作用，即滿足傳輸環(huán)境與材料之間的阻抗匹配原則；并能最大程度地吸收和損耗進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波，降低透射作用，即滿足材料與電磁波之間的吸收衰減原則。根據(jù)傳輸線理論[11]，電磁波在材料上的反射系數(shù)Γ，自由空間的阻抗Z0和材料的阻抗Zin具有如下關(guān)系：

式中：和為材料的介電常數(shù)與磁導(dǎo)率；和為自由空間的介電常數(shù)與磁導(dǎo)率。定義為材料的相對(duì)磁導(dǎo)率；為材料的相對(duì)介電常數(shù)。若想要使電磁波在材料表面無(wú)反射作用，全部進(jìn)入材料內(nèi)部，則反射系數(shù)應(yīng)該等于0，因此Z0=Zin，即，也就是相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)相等。耐高溫吸波材料大都為非磁性材料或者弱磁性材料，相對(duì)磁導(dǎo)率實(shí)部的值接近1，虛部幾乎為0，因此要滿足阻抗匹配的原則，材料的相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部和虛部的數(shù)值都不能太大。對(duì)于耐高溫的介電材料，材料相對(duì)介電常數(shù)虛部數(shù)值的大小代表材料通過(guò)電損耗吸收電磁波的能力[12-13]，若要使電磁波在材料內(nèi)部被最大程度地吸收衰減，則材料的相對(duì)介電常數(shù)虛部的值越大越好，但綜合考慮阻抗匹配的條件，較好的耐高溫電磁波吸波材料應(yīng)具有較低的相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部和中等的相對(duì)介電常數(shù)虛部。

2 耐高溫吸波材料

2.1 SiC基無(wú)氧陶瓷型吸波材料

SiC材料具有耐高溫、抗燒蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好和介電性能可調(diào)等特點(diǎn)，在溫度低于1100 ℃的空氣環(huán)境中，具有優(yōu)異的抗氧化能力[14-16]。尤其是SiC的介電弛豫時(shí)間隨溫度的升高而降低，使其介電常數(shù)虛部隨溫度的升高而升高[17]。溫度越高，SiC材料的吸波性能越好，這一獨(dú)特的溫度變化屬性，使其成為了高溫吸波材料中的研究重點(diǎn)。關(guān)于SiC材料吸波性能的調(diào)控主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）調(diào)節(jié)SiC晶格內(nèi)的堆垛層錯(cuò)和電子結(jié)構(gòu)，提高介電損耗；（2）SiC晶格摻雜，尤其是過(guò)渡磁性金屬元素?fù)诫s，使SiC材料的價(jià)帶電子和磁性金屬元素的局域d電子之間發(fā)生sp-d交換作用，調(diào)控禁帶寬度和電導(dǎo)率；（3）設(shè)計(jì)多層結(jié)構(gòu)，增加界面極化作用，改善與空氣的阻抗匹配特性。

本課題組通過(guò)透射電子顯微鏡、X射線衍射儀和X射線近邊吸收光譜來(lái)分析并比較了SiC納米線在不同制備溫度下的堆垛層錯(cuò)狀態(tài)和電子結(jié)構(gòu)[18]，研究發(fā)現(xiàn)隨著制備溫度從1400 ℃升高至1600 ℃，SiC納米線中的堆垛層錯(cuò)含量顯著降低，并且堆垛層錯(cuò)平面與納米線的生長(zhǎng)方向間的夾角從 35°增加到 90°（圖 2（a）～（b））；同步輻射 X 射線吸收近邊結(jié)構(gòu)分析表明，C的未占據(jù)能態(tài)密度（DOS）與材料內(nèi)部堆垛層錯(cuò)的含量呈正比（圖2（c））；如圖 2（d）所示，SiC 納米線的吸波性能與材料內(nèi)部堆垛層錯(cuò)的含量密切相關(guān)，在1400 ℃下合成的SiC納米線具有大量的堆垛層錯(cuò)和C的未占據(jù)能態(tài)密度，大量誘發(fā)的偶極子在電磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生極化作用，這些極化作用使SiC納米具有優(yōu)異的吸波性能。Kuang等[19]也發(fā)現(xiàn)了高密度堆垛層錯(cuò)對(duì)SiC納米線的介電常數(shù)具有重要影響，通過(guò)透射電子顯微鏡的觀察表明，堆垛層錯(cuò)的產(chǎn)生是由于在3C-SiC基體中嵌入2H-SiC片段后形成了3C/2HSiC異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處發(fā)生電荷分離，誘發(fā)了大量界面偶極子的產(chǎn)生，增加了偶極極化損耗。

摻雜是提高SiC材料吸波性能的重要手段，目前對(duì)SiC材料的摻雜有非金屬元素?fù)诫s和磁性金屬元素?fù)诫s，兩者都可以有效調(diào)控SiC材料的電導(dǎo)率。與非金屬元素?fù)诫s不同，磁性金屬元素?fù)诫s可以使SiC材料表現(xiàn)出弱磁性，平衡介電常數(shù)和磁導(dǎo)率常數(shù)。過(guò)渡磁性金屬元素未填充的d軌道可以與SiC材料的價(jià)帶電子發(fā)生強(qiáng)烈的sp-d交換作用，影響SiC材料的禁帶寬度和吸波性能。此外，摻雜的原子進(jìn)入SiC晶格內(nèi)部，即使是磁性原子也能在高溫環(huán)境中穩(wěn)定存在。Dou等[20]對(duì)SiC微粉進(jìn)行了N元素?fù)诫s，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)N原子取代C原子位置后，在SiC晶格內(nèi)出現(xiàn)了大量空位，這有利于極化的產(chǎn)生，N摻雜使介電常數(shù)虛部隨溫度升高的變化趨勢(shì)加快，提高了材料在高溫條件下的電導(dǎo)率，使材料具有較大的介電損耗能力。Chen等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在2～18 GHz的頻率范圍內(nèi)B摻雜的SiC納米線表現(xiàn)出更好的吸波性能。拉曼光譜和光致發(fā)光光譜分析表明，在785 cm–1處的橫向聲子（TO）峰強(qiáng)度下降，在958 cm–1處的縱向聲子（LO）峰幾乎消失，同時(shí)光致發(fā)光光譜的峰強(qiáng)度急劇降低。這說(shuō)明電子在摻B的SiC納米線中發(fā)生了轉(zhuǎn)移而不是轉(zhuǎn)換到較低的能級(jí)，因此，B摻雜提高了SiC納米線的導(dǎo)電性能，電子可以通過(guò)SiC納米線進(jìn)行轉(zhuǎn)移和傳導(dǎo)。Kuang等[22]通過(guò)第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e元素的摻雜使SiC材料從半導(dǎo)體向半金屬轉(zhuǎn)變，從而提高了SiC納米線的導(dǎo)電性和介電損耗能力。Fe摻雜引起的傳導(dǎo)損耗與堆垛層錯(cuò)引起的偶極極化損耗產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，有效改善了SiC納米線的介電常數(shù)和吸波性能。此外，摻雜Fe元素后，使SiC納米線具有了較弱的磁性，增加了磁損耗，這也在一定程度上提高了材料的吸波性能。

多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利于阻抗匹配和界面極化作用，是改善SiC材料的吸波性能的有效途徑。Yang等[23]通過(guò)簡(jiǎn)單的兩步法在SiC粉末表面包覆了NiO納米環(huán)。NiO納米晶具有特殊的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，沉積在SiC材料表面后增加了界面極化作用，所制備的NiO@SiC在373～773 K的溫度范圍內(nèi)具有良好的介電性能和微波吸收性能。 在773 K時(shí)，NiO@SiC的損耗角正切值是純SiC的3.5倍，在673 K時(shí)，最小反射損耗系數(shù)（RL）值為–46.9 dB，是純碳化硅樣品的3倍。本課題組采用化學(xué)鍍的方法，制備了SiC/Co介電-磁性異質(zhì)復(fù)合納米線，并通過(guò)同步輻射光源的測(cè)試手段，考察復(fù)合材料電子結(jié)構(gòu)的改變對(duì)電學(xué)、磁學(xué)及雷達(dá)微波吸收特性的影響規(guī)律，進(jìn)一步揭示了異質(zhì)復(fù)合材料耦合增效電磁波吸收的內(nèi)在本質(zhì)[24]。X射線吸收近邊光譜結(jié)果表明，Co粒子并不是簡(jiǎn)單的沉積在SiC表面，而是形成了化學(xué)鍵，以Si—O—Co鍵結(jié)合在一起。如圖3所示，電荷通過(guò)Si—O—Co鍵的橋梁作用，在磁性Co納米粒子與SiC納米線介電材料之間發(fā)生傳遞和轉(zhuǎn)移，平衡了SiC/Co復(fù)合納米線的復(fù)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，有效地實(shí)現(xiàn)了磁損耗和介電損耗之間的互補(bǔ)性。當(dāng)Co含量為25.1%時(shí)，由于電荷轉(zhuǎn)移引起的協(xié)同耦合作用，SiC/Co的有效吸收頻帶寬度達(dá)6.6 GHz。

磁性材料在高溫下容易氧化失效，為了防止Co粒子的氧化，本課題組采用溶膠凝膠法，在SiC/Co復(fù)合納米線表面原位生成了SiO2殼層，得到了耐高溫、具有同軸結(jié)構(gòu)的SiC/Co@SiO2一維納米復(fù)合材料[25]。SiO2材料被廣泛地用作惰性殼層材料，避免內(nèi)核材料發(fā)生腐蝕或氧化，然而，在電磁吸收材料等研究中，SiO2作為典型的透波材料，卻可以顯著地影響材料的電磁波吸收性能[26-27]。為了明確SiO2透波層在電磁波吸收中發(fā)揮的作用，本課題組采用同步輻射光源對(duì)SiC/Co@SiO2復(fù)合納米線進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)對(duì)Co的L3,2吸收邊和O的K吸收邊X射線吸收邊光譜分析發(fā)現(xiàn)，SiO2與Co通過(guò)Si—O—Co鍵結(jié)合在一起，電荷可以在SiO2和Co之間發(fā)生轉(zhuǎn)移。如圖4所示，SiC/Co@SiO2復(fù)合納米線的介電常數(shù)由外層SiO2向內(nèi)層Co的方向逐漸增大，并在Co/SiC界面處達(dá)到最高。這種梯度的結(jié)構(gòu)有利于入射的電磁波進(jìn)入材料內(nèi)部被吸收損耗掉，減少在空氣與吸收體界面處的電磁波反射。此外，這種多層的核殼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的界面極化作用也有利于提高材料的吸波性能。

2.3 三元層狀化合物吸波材料

三元層狀化合物是一種密排六方結(jié)構(gòu)的碳化物或氮化物，通常又被稱(chēng)為MAX相材料，可以用化學(xué)式Mn+1AXn來(lái)表示。其中，M表示過(guò)渡金屬元素，A代表主族元素，X為C或N元素。已知的三元層狀化合物種類(lèi)超過(guò)60種，其中Ti3AlC2和Ti3SiC2是目前研究較為廣泛的三元層狀化合物，它們兼具陶瓷和金屬材料的許多優(yōu)點(diǎn)，不僅具有耐腐蝕、耐高溫、高硬度、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，還具有類(lèi)似金屬良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)使Ti3AlC2，Ti3SiC2成為極具發(fā)展前景的新型耐高溫吸波材料。

MAX相材料電導(dǎo)率較高，是純金屬鈦的兩倍，比石墨材料高兩個(gè)數(shù)量級(jí)[28]，在電磁波作用下可以產(chǎn)生較大的電損耗；但電導(dǎo)率太高，就可能會(huì)使電磁波在材料表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射作用，不利于吸波性能。Tan等[29]對(duì)不同微觀形貌的Ti3AlC2材料的電導(dǎo)率及高溫屏蔽性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，高長(zhǎng)徑比的晶粒結(jié)構(gòu)和具有一定紋理形貌的Ti3AlC2樣品具有更好的電磁屏蔽性能，當(dāng)溫度升高至800 ℃時(shí)，在11 GHz的屏蔽效率仍然穩(wěn)定在30 dB以上。在常溫條件下，Ti3AlC2的電導(dǎo)率高達(dá)2.6 × 106S/m，這說(shuō)明其優(yōu)異的屏蔽性能主要來(lái)源于反射作用。當(dāng)Ti3AlC2作為吸波材料應(yīng)用時(shí)，高電導(dǎo)率特性引起的強(qiáng)反射作用將使其吸波性能大幅降低，因此，如何將其電導(dǎo)率降低至適當(dāng)?shù)臄?shù)值范圍對(duì)吸波性能的提高至關(guān)重要。Shi等[30]采用無(wú)壓燒結(jié)等工藝在1250～1400 ℃條件下合成了Ti3AlC2粉末并發(fā)現(xiàn)Ti3AlC2的介電常數(shù)隨著制備溫度的升高而降低。通過(guò)合理地調(diào)控合成溫度改變Ti3AlC2材料的介電參數(shù)，當(dāng)合成溫度為1350 ℃時(shí)，厚度為2.8 mm的Ti3AlC2樣品在整個(gè)X波段的RL值都低于–10 dB，表現(xiàn)出優(yōu)異的吸波性能。

通常采用熱壓燒結(jié)的方法來(lái)制備MAX相材料，若反應(yīng)不充分就會(huì)影響產(chǎn)物的純度，進(jìn)而影響吸波性能。Li等[31]采用Ti，Si和TiC的混合粉末為原料，在溫度為1250～1400℃，真空度為0.1 Pa的真空燒結(jié)爐中反應(yīng)合成Ti3SiC2粉末。 研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)合成溫度在1300℃以上時(shí)，產(chǎn)物主要為T(mén)i3SiC2，同時(shí)有少量未反應(yīng)的TiC粉末。通過(guò)測(cè)試不同合成溫度Ti3SiC2樣品的復(fù)介電常數(shù)，研究合成純度對(duì)樣品介電常數(shù)的影響，結(jié)果表明在1350 ℃下合成的Ti3SiC2粉末純度最高，為92.4%，其復(fù)介電常數(shù)和介電損耗tanδ值最大，具有較好的吸波性能。

MAX相材料在高溫氧化過(guò)程通過(guò)形成致密的保護(hù)性氧化膜來(lái)阻止基體的氧化反應(yīng)，如SiO2，Al2O3氧化層，但是當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃后，開(kāi)始生成銳鈦礦型TiO2，使SiO2氧化膜層或Al2O3氧化膜層產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致反常的氧化現(xiàn)象[32]，強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)也會(huì)影響其吸波性能。Liu等[33]研究了高溫氧化反應(yīng)對(duì)Ti3SiC2粉末微波吸收性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)研磨粒度較細(xì)的Ti3SiC2顆粒由于表面積大，更容易被氧化。在500～700 ℃的空氣下氧化1 h后，Ti3SiC2粉末的吸波性能急劇下降，這是由于在空氣中Ti3SiC2的表面被氧化形成的TiO2和SiO2，降低了材料的介電損耗。

將MAX相材料與耐溫性能較好的透波材料混合使用，可以提高材料整體的高溫吸波性能。Liu等[34]將Ti3SiC2和堇青石粉末混合研磨后，采用熱壓燒結(jié)工藝制備了Ti3SiC2/堇青石復(fù)合陶瓷，研究發(fā)現(xiàn)，較細(xì)的Ti3SiC2顆粒有利于提高致密陶瓷的抗彎強(qiáng)度，隨著球磨時(shí)間的增加，復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部均增強(qiáng)，這是由于粒徑減小和片狀粒子的形成而引起的。研磨10 h的Ti3SiC2與堇青石混合粉末燒結(jié)后得到的Ti3SiC2/堇青石復(fù)合陶瓷表現(xiàn)出最佳的微波吸收特性。Liu等[34]還研究了Ti3SiC2/堇青石復(fù)合陶瓷在空氣中的氧化行為。Ti3SiC2/堇青石復(fù)合陶瓷在800～1000 ℃時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化性能，氧化動(dòng)力學(xué)基本符合拋物線速率規(guī)律。隨著氧化溫度從800 ℃升高到1000 ℃，復(fù)合陶瓷的復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部都略微減小，這可能是由于少量接近表面的Ti3SiC2填料發(fā)生氧化引起的，但隨著氧化時(shí)間的增加，復(fù)合介電常數(shù)趨于穩(wěn)定。盡管高溫氧化后Ti3SiC2/堇青石復(fù)合陶瓷的復(fù)介電常數(shù)稍微降低，其電磁波吸收性能卻隨著氧化溫度的升高而增強(qiáng)，這說(shuō)明Ti3SiC2/堇青石復(fù)合陶瓷是良好的耐高溫吸波材料。

Wen等[35]采用等離子噴涂技術(shù)制備了Ti3SiC2/玻璃復(fù)合涂層。研究發(fā)現(xiàn)Ti3SiC2與玻璃基體之間沒(méi)有明顯的微裂紋，這是由于它們的熱膨脹系數(shù)匹配，殘余應(yīng)力較低。由于等離子體流中的氧分壓相當(dāng)?shù)?，且高溫反?yīng)時(shí)間較短，Ti3SiC2/玻璃復(fù)合涂層中只有少部分的Ti3SiC2被分解成TiC和Ti5Si3。Ti3SiC2/玻璃復(fù)合涂層的介電常數(shù)的實(shí)部和虛部都隨著Ti3SiC2含量的增加而增加，Ti3SiC2含量為25%的涂層具有最優(yōu)異的電磁波吸收性能。Ti3SiC2/玻璃涂層優(yōu)異的吸波性能主要來(lái)源于涂層的阻抗匹配和較大的介電損耗能力，此外，與玻璃基體結(jié)合后，使材料整體的硬度、強(qiáng)度都得到了提升，為其在耐高溫隱身涂層的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2.4 碳材料吸波劑

常見(jiàn)的碳吸波材料主要有炭黑、碳纖維、碳納米管、石墨等，它們具有良好的耐腐蝕性、密度低、導(dǎo)電率高等優(yōu)點(diǎn)。碳材料是研究較早的吸波材料之一，早在20世紀(jì)40年代，國(guó)外就已經(jīng)研發(fā)了效果顯著的碳吸波材料。例如，在第二次世界大戰(zhàn)中，美國(guó)采用炭黑和鋁薄片為填料填充在橡膠基體中制成吸波貼片材料，這種被稱(chēng)為HARP的吸波材料在X波段的雷達(dá)波吸收性能顯著，達(dá)到了–15 dB，主要被應(yīng)用于空運(yùn)和海運(yùn)設(shè)備裝置的隱身[36]。20世紀(jì)50年代，C基吸波材料在商業(yè)上的應(yīng)用得到了快速發(fā)展，例如，美國(guó)的海綿生產(chǎn)公司把碳材料涂覆于動(dòng)物皮毛上，獲得了一種被稱(chēng)為Spongex的吸波材料。這種厚度為50.8 mm的Spongex吸波材料在2.4～10 GHz范圍內(nèi)具有較佳的吸波性能，最小反射損失為–20 dB[37]。

碳材料的電導(dǎo)率較高，具有較高的電損耗能力，因此單一的碳材料容易出現(xiàn)與自由空間阻抗失配的問(wèn)題。在碳材料的常溫吸波性能研究中，為了改善碳材料的阻抗匹配特性，通常通過(guò)將碳材料與磁性材料復(fù)合來(lái)平衡阻抗匹配，但高溫含氧的環(huán)境使磁性材料易失去磁性，難以滿足實(shí)際使用需求。近幾年，國(guó)內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)相繼對(duì)多孔結(jié)構(gòu)碳材料進(jìn)行了研究，提出了多孔結(jié)構(gòu)的引入有利于提高碳材料的阻抗匹配特征。Zhang等[38]采用熱溶劑法和冷凍干燥法制備了具有大孔結(jié)構(gòu)的三維石墨烯泡沫材料，當(dāng)熱處理溫度固定為600 ℃時(shí)，石墨烯組分具有相同含量的含氧官能團(tuán)和缺陷結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變石墨烯的添加量可以調(diào)整石墨烯泡沫的孔隙率和孔結(jié)構(gòu)。具有0.6 mg/cm3石墨烯含量的多孔樣品比石墨烯粉末樣品具有更好的吸波性能和較寬的有效吸收頻帶寬度。吸波性能的顯著提高得益于石墨烯材料的多孔結(jié)構(gòu)。首先，孔結(jié)構(gòu)可以調(diào)整石墨烯材料的復(fù)介電常數(shù)，改善空氣和吸收體之間的阻抗匹配狀態(tài)，使更多的電磁波可以進(jìn)入材料內(nèi)部。其次，在電磁場(chǎng)的作用下，孔結(jié)構(gòu)會(huì)使入射的電磁波在材料中發(fā)生多次反射和散射，使電磁波的能量快速衰減。因此，適當(dāng)?shù)亩嗫捉Y(jié)構(gòu)有利于平衡碳材料的高電導(dǎo)損耗和阻抗匹配特性，使材料表現(xiàn)出優(yōu)異的吸波性能。

雖然碳材料具有一定的耐溫性，但在300 ℃含有氧氣的環(huán)境中便開(kāi)始發(fā)生氧化，尤其是溫度高達(dá)500 ℃之后便急劇氧化；因此，若單獨(dú)地將碳基材料應(yīng)用于高溫含氧環(huán)境中，就必須克服其高溫氧化失效的問(wèn)題。目前防止碳材料氧化主要有兩種方法，一是在碳材料表面涂覆抗氧化涂層，二是與耐高溫陶瓷粉體結(jié)合制成致密結(jié)構(gòu)陶瓷[39]。在碳材料表面涂覆SiO2，BN等抗氧化涂層不僅工藝復(fù)雜，涂層的厚度和均勻度難以精確控制，且長(zhǎng)時(shí)使用后會(huì)出現(xiàn)涂層脫落等缺點(diǎn)。與表面涂覆技術(shù)相比，碳材料與陶瓷粉體復(fù)合技術(shù)具有更好的工程應(yīng)用前景。Wen等[40]將碳納米管（CNT）和SiO2粉經(jīng)過(guò)加壓成型后在600 ℃下燒結(jié)得到CNT/SiO2復(fù)合材料。通過(guò)調(diào)整CNT吸波劑的含量，使CNT/SiO2復(fù)合材料在100～500 ℃下具有良好的吸波性能。尤其是當(dāng)CNT的含量為10%時(shí)，在整個(gè)X波段和100～500 ℃溫度范圍內(nèi)，CNT/SiO2的最小RL值接近–20 dB，有效吸收頻帶寬度達(dá)到4.2 GHz。 類(lèi)似地，碳纖維/Si[41]，石墨/Si[42]和石墨/Al2O3[43]復(fù)合材料也具有優(yōu)異的高溫吸波性能。

2.5 金屬氧化物吸波劑

常見(jiàn)的金屬氧化物吸波劑主要有ZnO，SnO2，和TiO2等半導(dǎo)體，它們具有紅外輻射率低、耐高溫、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。金屬氧化物的電導(dǎo)率較低，因此電損耗能力弱，要達(dá)到良好的吸波性能需要提高其電導(dǎo)率或者增加界面極化作用。其中，一個(gè)重要途徑是將電導(dǎo)率較高的碳材料與金屬氧化物材料復(fù)合，通過(guò)控制二者的含量、分布狀態(tài)，調(diào)整復(fù)介電常數(shù)使復(fù)合材料具有較好的吸波性能。Han等[44]將多層Ti3C2材料在二氧化碳?xì)夥罩型嘶鸷铣闪硕S分層狀碳/二氧化鈦復(fù)合材料，金紅石型TiO2在GHz頻段吸收性能較差，但與碳材料復(fù)合的層狀碳/TiO2復(fù)合材料卻表現(xiàn)出優(yōu)異的吸波性能，最小反射系數(shù)達(dá)到–36 dB，當(dāng)厚度為1.7 mm時(shí)，有效吸收頻帶寬度覆蓋了整個(gè)X波段。

與碳材料類(lèi)似，多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也有利于提高金屬氧化物與自由空間的阻抗匹配特性，改善材料的吸波性能。Wu等[45]采用水熱法制備了海膽狀ZnO空心微球，豐富的微孔結(jié)構(gòu)和高比表面積使ZnO空心微球具有良好的電磁波吸收性能，在14.3 GHz處最小RL值達(dá)到了–20 dB。Ma等[46]采用水熱法合成了二維層狀多孔ZnO材料，當(dāng)層狀多孔ZnO與石蠟復(fù)合材料的厚度為1.5 mm時(shí)，在10.7 GHz處的最小RL值為–34.5 dB。Zhao等[47]利用聚苯乙烯為模板制備三維有序蜂窩狀SnO2泡沫，通過(guò)采用不同粒徑的聚苯乙烯微球?yàn)槟０?，調(diào)控SnO2泡沫的孔徑大小。研究發(fā)現(xiàn)SnO2泡沫的電磁吸收性能與其孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，SnO2泡沫的吸波性能性能隨著孔隙尺寸的增加而增加，采用半徑為322 nm的聚苯乙烯微球?yàn)槟０逯苽涞腟nO2泡沫展現(xiàn)出最優(yōu)異的電磁波吸收性能。當(dāng)樣品的厚度為2.0 mm時(shí)，在17.1 GHz處最小反射損耗RL值為–37.6 dB，有效吸收頻帶寬度為5.6 GHz。

對(duì)于金屬氧化物半導(dǎo)體，摻雜可以調(diào)控其介電性能已經(jīng)被廣泛報(bào)道，例如Al摻雜ZnO[48]、Ni摻雜ZnO[49]等。與摻雜類(lèi)似，簡(jiǎn)單便捷的氫化作用也可以有效調(diào)控金屬氧化物的介電性能。Xia等[50]將制備得到的ZnO和TiO2粉末在氫氣和空氣的混合氣氛中加熱至600 ℃得到氫化ZnO和氫化TiO2納米顆粒，以原始ZnO和TiO2納米粒子為參照，研究氫化作用對(duì)金屬氧化物半導(dǎo)體吸波性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)氫化反應(yīng)后，金屬氧化物的介電常數(shù)和吸波性能顯著提高，尤其是氫化ZnO納米顆粒，當(dāng)厚度為3.0 mm時(shí)，在15.3 GHz處的RL值達(dá)到了–37.8 dB，而原始的ZnO納米顆粒的最小RL值僅為–0.5 dB。氫化作用使金屬氧化物產(chǎn)生無(wú)序/有序界面，由于界面處的電荷不平衡，電子能帶的彎曲可能會(huì)形成寬度約為10 nm的量子阱結(jié)構(gòu)，可以有效地捕獲導(dǎo)電電子，形成二維電子氣，在電磁波的作用下產(chǎn)生二維電子氣等離子體共振吸收作用，有利于提高金屬氧化物的電磁波吸收性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

新型武器裝備復(fù)雜苛刻的工作環(huán)境對(duì)吸波材料提出了更高的要求，不僅要求吸波材料具有“薄、寬、輕、強(qiáng)”的特點(diǎn)，還要具有良好的耐高溫性能，能滿足武器裝備在高溫環(huán)境下的隱身性能。未來(lái)耐高溫吸波材料的研究重點(diǎn)有以下幾方面。

（1）加強(qiáng)機(jī)理研究。與常溫吸波材料不同，在高溫條件下不同材料的微觀缺陷結(jié)構(gòu)和電導(dǎo)特性可能會(huì)展現(xiàn)不同的變化規(guī)律，系統(tǒng)研究各類(lèi)耐高溫吸波材料隨溫度變化的電磁波吸收響應(yīng)機(jī)制，是高性能耐高溫吸波材料研究和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

（2）加強(qiáng)應(yīng)用研究。當(dāng)前高溫吸波材料大都處于研究階段，其應(yīng)用研究仍然十分匱乏，耐高溫吸波涂層或結(jié)構(gòu)型吸波材料的發(fā)展將會(huì)是未來(lái)的發(fā)展重點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的使用環(huán)境和溫度選擇不同的耐高溫吸波材料。

（3）注重智能化。傳統(tǒng)雷達(dá)隱身材料技術(shù)主要通過(guò)將微波能量轉(zhuǎn)換為熱能實(shí)現(xiàn)隱身功能，材料成型后，其電磁特性很難隨電磁環(huán)境的改變而發(fā)生改變。將周期性結(jié)構(gòu)、超材料設(shè)計(jì)的概念應(yīng)用到新型耐高溫超電磁隱身材料的構(gòu)建是一個(gè)新興的方向，必將在耐高溫寬頻、強(qiáng)吸收和可控智能隱身領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

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