許志遠(yuǎn)，李 維，馬國慶，陳志宏，官建國

(武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430070)

1 前 言

電子與通訊技術(shù)的發(fā)展，特別是移動通信和計(jì)算機(jī)的普及給人類帶來了巨大的便利，與此同時，也造成了嚴(yán)重的電磁污染和泄露，干擾設(shè)備本身的正常工作、威脅人們健康[1-3]。常見的電磁污染源種類繁多，如電視廣播的發(fā)射系統(tǒng)、射頻及微波治療設(shè)備、微波爐等，各類設(shè)備的工作頻率跨越寬頻微波頻帶。寬帶微波吸收材料[4-7]作為一種針對電磁污染和泄露行之有效的解決方案，在隱身技術(shù)中也有著重要的應(yīng)用，因而引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注和長期投入。微波吸收材料通常由粘接劑基體和吸收劑組成。吸波性能主要由吸收劑的電磁性能所決定，即復(fù)介電常數(shù)(εr=ε'-jε″)和復(fù)磁導(dǎo)率(μr=μ'-jμ″)。羰基鐵粉由于其良好的電磁性能，成為了最受關(guān)注的微波吸收劑。通過調(diào)節(jié)羰基鐵粉的顆粒形貌、晶粒大小、填充體積分?jǐn)?shù)、粒子取向等微觀參數(shù)[8-11]，可以優(yōu)化其吸波性能。例如，Yang等[10]通過將球形羰基鐵粉球磨片化獲得了大寬厚比的片狀羰基鐵粉，突破了Snoek極限，提高了磁導(dǎo)率，在2～18 GHz獲得了比球形粉更好的微波吸收性能。Min 等[12]通過外加磁場制備具有增強(qiáng)吸波性能的取向片狀羰基鐵/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，在1.4 mm 厚度下，反射損耗低于-10 d B 的頻段范圍為5.5～18 GHz，而未取向的復(fù)合材料的有效吸收帶寬較窄，僅為1.4 GHz。但是，包括以上所述工作在內(nèi)的大量研究顯示，單層吸波材料的設(shè)計(jì)難以充分發(fā)揮吸收劑的寬帶強(qiáng)吸收潛能，而多層微波吸收材料能夠在同樣厚度限制條件下實(shí)現(xiàn)更寬頻的吸收。例如，何山等[13]采用“陷阱”結(jié)構(gòu)，并根據(jù)阻抗匹配原理設(shè)計(jì)出五層結(jié)構(gòu)的吸波材料，利用電磁波在多層材料中的多次反射和多磁損耗，獲得了在6～17 GHz頻段內(nèi)小于-12 d B的反射率，但材料厚度達(dá)到了5.0 mm。甘治平等[14]以增大吸收帶寬和降低材料厚度為目標(biāo)，利用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在5～18 GHz頻段獲得了反射率-8 d B以下，厚度約為1.49 mm 的薄層寬帶吸波材料。但僅基于遺傳算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要建立龐大的電磁參數(shù)庫，且沒有明確的設(shè)計(jì)思路。在這些設(shè)計(jì)中，通常只采用了單一種類的羰基鐵粉吸收劑，限制了其帶寬厚度比的進(jìn)一步提高，并且設(shè)計(jì)和制備往往較為復(fù)雜，需要借助優(yōu)化算法[15]以及非常規(guī)的制備手段。在多層材料的設(shè)計(jì)中，如果只是采用簡單的優(yōu)化而不貫之以良好的設(shè)計(jì)思想以及合適的材料選擇，則難以得到良好的結(jié)果。同時采用多種吸收劑和多層設(shè)計(jì)則有望解決這一問題，并可能進(jìn)一步提高帶寬厚度比。在本研究中為了降低設(shè)計(jì)總厚度，拓寬吸波帶寬，結(jié)合了三種不同匹配頻率和磁共振頻率的吸收劑，同時又引入阻抗匹配的思想，將高介電常數(shù)、高磁導(dǎo)率、低頻損耗大的FeSiAl合金吸收劑應(yīng)用在底層，中頻吸收強(qiáng)的片狀羰基鐵粉作為過渡層，以及低介電常數(shù)、低磁導(dǎo)率、高頻性能好的球形羰基鐵粉作為面層，設(shè)計(jì)多層寬帶吸波材料。此方法可減少對電磁參數(shù)庫的依賴，通過對厚度的優(yōu)化，即可設(shè)計(jì)出對不同頻段電磁波逐層吸收的寬帶吸波材料。當(dāng)材料總厚度為2.4和1.0 mm時，反射損耗分別在頻段范圍2～18 GHz和2.2～18 GHz可達(dá)到-8 dB和-4 dB。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

片狀FeSiAl合金粉(FFSA)和片狀羰基鐵粉(FCIP)由實(shí)驗(yàn)室自制[16]；球形羰基鐵粉(SCIP)，型號YW，外購；丁腈橡膠(NBR)，型號NBR3304，外購。

2.2 設(shè)計(jì)原理與方法

對于一個帶有金屬反射背板的多層平面吸波材料系統(tǒng)各層進(jìn)行編號。從接近金屬的底層到接近自由空間的面層依次編號為1到M，金屬層和自由空間分別編號為0和M+1。于是，i 和i+1層間包含了多重反射的反射系數(shù)可以通過以下遞歸函數(shù)計(jì)算[17]：

其中，ρi是i和i+1層間不計(jì)多次反射的反射系數(shù)；ki為各層的波矢；ηi是第i 層的輸入阻抗；di為第i層厚度；εi和μi 分別為第i 層的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率；η0=120πΩ；c 是光在真空中的傳播速率；f 是頻率。對于第1層和編號為0的金屬層界面之間，Γ0=ρ0=-1。而Γi-1e-2kidi則代表了從i-1層進(jìn)入i 層并經(jīng)過該層的傳輸和損耗后的電磁波。如果各層中某一層的損耗很大，理想情況下可以假定Γi-1e-2kidi=0，此時反射率主要取決于面層的阻抗匹配，即ρM的大小。此外，還可以推斷，各層之間的反射率不能太大，即阻抗匹配性要好。這意味著采取從面層到底層的阻抗?jié)u變結(jié)構(gòu)更有利于實(shí)現(xiàn)低反射率。根據(jù)以上原則可知，采用匹配頻率具有高、中、低頻分布且吸收強(qiáng)的多種材料設(shè)計(jì)成阻抗?jié)u變的結(jié)構(gòu)，即多種材料達(dá)到各自最大吸收率的頻率具備高頻到低頻的分布，將非常有利于在薄層條件下達(dá)到寬帶強(qiáng)吸收的目的。

基于以上原理，為實(shí)現(xiàn)寬帶吸波多層材料，將磁共振及匹配頻率位于低頻的高介電材料作為底層、磁共振及匹配頻率位于高頻的低介電材料作為面層、磁共振及匹配頻率位于中頻的材料作為中間層。同時通過改變每層材料厚度來優(yōu)化三層平板吸波材料的性能。其電磁波正入射下的吸波性能計(jì)算采用傳輸線方程[18]進(jìn)行：

由于第一層與金屬背板相連，故第一層阻抗可表示為：

因此多層平板吸波材料，電磁波正入射時的反射損耗可表示為：

2.3 制備與測試

將FFSA、FCIP和SCIP分別與NBR 及適量的硫化劑在混煉機(jī)上混合均勻。之后，按照設(shè)計(jì)的厚度在平板硫化機(jī)上分別壓制成300 mm×300 mm 尺寸的橡膠片形復(fù)合材料FFSA-NBR、FCIP-NBR、SCIPNBR。多層材料則是在同樣大小的鋁板上依次貼合FFSA-NBR、FCIP-NBR、SCIP-NBR 制成。吸波性能的測試按照GJB 2038A—2011規(guī)定的自由空間反射損耗測試系統(tǒng)進(jìn)行，測試頻率范圍1～18 GHz。

為了進(jìn)行上述三種材料電磁參數(shù)的測試，首先用精密雕刻機(jī)分別從上述片形材料中加工出內(nèi)徑為3.04 mm、外徑為7.00 mm 的圓環(huán)形同軸樣品。采用同軸傳輸/反射法測量三種吸波材料的復(fù)磁導(dǎo)率和復(fù)介電常數(shù)，測試頻率范圍為0.1～18 GHz。電磁參數(shù)和反射率所用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀均為N5230A 型，最大可覆蓋頻率范圍為10 MHz～40 GHz。

3 結(jié)果與分析

3.1 吸收劑分析

由于高磁導(dǎo)率有利于提升吸收帶寬[19]，為了實(shí)現(xiàn)低頻到高頻的寬帶吸收，選取了分別在不同GHz頻段具有較大磁導(dǎo)率的FFSA、FCIP 和SCIP 三種磁性粉體作為吸收劑進(jìn)行研究，以期設(shè)計(jì)出在寬頻范圍內(nèi)具有較強(qiáng)磁損耗的多層寬帶吸波材料。其中，羰基鐵粉在8～18 GHz具有優(yōu)良的阻抗匹配性和一定的寬帶磁損耗；片狀化的羰基鐵粉吸收劑則能表現(xiàn)出更強(qiáng)的磁損耗性能，但與空氣的阻抗匹配性由于片狀形狀帶來的高介電常數(shù)而有所降低；FeSi Al合金具有低的自然共振頻率，近年來在低頻微波吸收領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。三種吸收劑分別與NBR 制成的復(fù)合材料FFSA-NBR、FCIP-NBR、SCIP-NBR 的電磁參數(shù)如圖1所示。圖1(a)、(b)分別為介電常數(shù)的實(shí)部和虛部，圖1(c)、(d)分別為磁導(dǎo)率的實(shí)部和虛部。從圖可見，F(xiàn)FSA、FCIP、SCIP三種樣品的介電常數(shù)依次增大，因此樣品FFSA、FCIP、SCIP的阻抗匹配性能依次變差。從磁導(dǎo)率來看，樣品SCIP磁導(dǎo)率虛部較小，但在高頻段(12～18 GHz)大于FFSA，樣品FCIP 的磁導(dǎo)率在中頻段(5～2 GHz)最大，而樣品FFSA 的磁導(dǎo)率在低頻段(＜5 GHz)最大。由于鐵磁性金屬微粉對電磁波的損耗主要由磁損耗所引起，同時考慮介電常數(shù)過大會造成阻抗失配，故SCIP、FCIP、FFSA 單獨(dú)使用時將分別對高、中、低頻的電磁波具有較好的損耗能力。

為了闡明三種材料的本征特性及更好的設(shè)計(jì)三層復(fù)合平板吸波材料，根據(jù)傳輸線方程計(jì)算得到了三種典型樣品在各自匹配厚度下的反射損耗以及各自的特征阻抗，如圖2(a)和(b)所示。從圖2(a)可以看到，SCIP、FCIP和FFSA三種典型樣品的匹配頻率分別處于高、中、低頻。由于SCIP樣品在整個頻段的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均較低，故其匹配頻率在高頻，對應(yīng)于高頻強(qiáng)吸收；FCIP樣品中片化后的羰基鐵粉介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都有一定的增加，故其匹配頻率低于SCIP樣品，適合中間頻段的吸收；FFSA樣品由于其高介電常數(shù)和高的低頻磁導(dǎo)率，適用于低頻吸收，即匹配頻率在更低頻率。圖2(b)顯示了三種材料特征阻抗的模值。SCIP、FCIP 和FFSA三種材料特征阻抗模值逐漸降低，說明其與空氣的匹配性逐漸變差。因此在阻抗?jié)u變多層吸波材料設(shè)計(jì)中SCIP適用于作為面層，F(xiàn)CIP適用于中層，F(xiàn)FSA樣品適用于底層設(shè)計(jì)。由于吸波材料對電磁波的吸收除了要實(shí)現(xiàn)阻抗匹配之外，更需要具備相應(yīng)的強(qiáng)損耗能力，有必要對這三種材料的損耗性能進(jìn)行研究。材料損耗特性根據(jù)傳播常數(shù)公式可表示為[20]：

式中：tanδe和tanδm分別為電損耗和磁損耗正切；λ0為電磁波在真空中以厘米為單位的波長。根據(jù)式(8)計(jì)算得到了三種典型樣品的損耗系數(shù)與頻率的關(guān)系曲線，如圖2(c)所示。從圖中可以看出，F(xiàn)FSA 對低頻微波損耗能力相比于另外兩種材料更強(qiáng)，F(xiàn)CIP 對中、高頻微波都具有較好的損耗能力，但由于這兩種材料與空氣的阻抗匹配性差，故作為底、中層設(shè)計(jì)，并可在保證損耗的同時設(shè)計(jì)較薄的厚度。雖然SCIP的損耗能力較弱，但由于其與空氣良好的匹配性可作為面層，同時設(shè)計(jì)時予以較大的厚度以彌補(bǔ)其損耗能力的不足。根據(jù)以上分析和理念，在下節(jié)內(nèi)容中具體設(shè)計(jì)了一種多層寬帶吸波材料。

圖1 三種典型的磁性吸波復(fù)合材料的電磁參數(shù)頻率譜 (a)介電實(shí)部；(b)介電虛部；(c)磁導(dǎo)率實(shí)部；(d)磁導(dǎo)率虛部Fig.1 Electromagnetic parameters frequency spectrum of three typical magnetic absorbers(a)Real and(b)imaginary parts of permittivity，(c)real and(d)imaginary parts of permeability

圖2 三種典型復(fù)合吸波材料的本征特性 (a)在匹配厚度下的反射損耗曲線；(b)特征阻抗模的頻率譜；(c)損耗系數(shù)頻譜Fig.2 Intrinsic properties of three typical absorbers (a)reflection loss curves at the matching thickness；(b)spectra of characteristic impedance mode，and(c)curves of loss constant

3.2 多層寬帶吸波材料

由于三種樣品的匹配頻率不同，在設(shè)計(jì)中采取梯度疊加方式來充分利用三種材料的性能，以實(shí)現(xiàn)對2～18 GHz電磁波的寬頻吸收，其結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。在具體設(shè)計(jì)方法中，將匹配頻率位于低頻的FFSA 作為底層，而易于與空氣阻抗匹配且匹配頻率位于高頻的SCIP作為面層，另外將匹配頻率適中的FCIP作為中間過渡層，從而構(gòu)成三層阻抗?jié)u變結(jié)構(gòu)。在典型優(yōu)化結(jié)果中，底層厚度t1=0.6 mm；中間層厚度t2=0.55 mm；面層厚度t3=1.25 mm，總厚度t=2.4 mm。上述多層材料的反射損耗可由式(5)～(7)計(jì)算出，結(jié)果如圖3(b)所示。其反射損耗在2～18 GHz范圍內(nèi)均小于-8 d B，有效吸收帶寬達(dá)到16 GHz。為驗(yàn)證結(jié)果的正確性及可行性，根據(jù)以上設(shè)計(jì)原理和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)制備了三層復(fù)合樣品，并對其進(jìn)行了反射率測試，測試結(jié)果如圖3(b)中的綠色線所示。從圖可見，模擬和測試的反射率曲線高度吻合，說明設(shè)計(jì)方案和結(jié)果是切實(shí)可行的。

為了進(jìn)一步闡明復(fù)合材料的寬帶吸收機(jī)制，同時展示每層材料對吸收的貢獻(xiàn)，通過數(shù)值模擬給出了每層材料對入射電磁波的吸收率以及復(fù)合材料分別在2.5、6和16 GHz頻率下的磁場強(qiáng)度分布圖，如圖3(c)、(d)所示。從圖3(c)可知，由于底層FFSA 具有低頻強(qiáng)磁損耗特性，因此主要吸收低頻電磁波；中間FCIP層磁損耗相對較弱，主要吸收中頻電磁波；面層SCIP層磁損耗最弱，主要吸收高頻電磁波。從圖3(d)可以直觀的看到電磁波入射到材料內(nèi)部后的磁場強(qiáng)度分布。其中16 GHz的電磁波集中在面層被損耗，6 GHz的電磁波主要在中間層被損耗，2.5 GHz的電磁波主要被底層所吸收。仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)初衷很好的穩(wěn)合，實(shí)現(xiàn)了對高、中、低頻電磁波的逐層吸收，說明采用高、中、低頻三種頻段損耗的材料進(jìn)行梯度復(fù)合對于兼顧高、中、低頻的吸收從而拓展吸收帶寬是一種行之有效的方法。

圖3 多層寬帶吸波材料的(a)結(jié)構(gòu)示意圖，(b)模擬和實(shí)測反射損耗頻率譜，(c)各單層吸收率的頻率譜，和(d)在2.5 GHz、6 GHz和16 GHz處多層吸波材料的磁場強(qiáng)度分布圖Fig.3 (a)Structure design，(b)simulated and measured reflection loss spectrum，(c)frequency spectrum of each single layer absorptivity and(d)magnitude of magnetic field distribution at 2.5，6 and 16 GHz of multilayer broadband absorber

為闡明每層厚度變化對吸收的影響規(guī)律，固定總厚度和其中一層厚度不變，分別計(jì)算了三種情況下層厚變化對反射損耗的影響。圖4 分別為中間層和底層、面層和底層以及面層和中間層厚度變化對反射損耗的影響。圖4(a)表明，當(dāng)材料總厚度和底層厚度不變時，隨著中間層厚度的增大，低頻吸收增強(qiáng)，中、高頻吸收減弱；圖4(b)表明，當(dāng)材料總厚度和中間層厚度不變時，隨著底層厚度的增大，低頻吸收增強(qiáng)，中、高頻吸收減弱；圖4(c)表明，當(dāng)材料總厚度和面層厚度不變時，隨著底層厚度的增大，中頻段吸收逐漸減弱，低頻吸收峰往更低頻移動。這些變化說明，中間層和底層厚度的增加有利于低頻的吸收，不利于中高頻的吸收。同時，只有當(dāng)面層具有一定厚度才能使底層和中間層材料與透過面層的電磁波更好的匹配，從而產(chǎn)生有效的吸收。這是由于三種材料匹配頻率的不同，若要實(shí)現(xiàn)高、中、低頻的寬頻吸收，則三層的厚度同時受到限制。只有當(dāng)t1=0.6 mm，t2=0.55 mm，t3=1.25 mm時才可獲得反射損耗小于-8 dB的最大帶寬。

采用匹配頻率在低、中、高頻吸收材料的逐層復(fù)合設(shè)計(jì)理念，進(jìn)一步拓展設(shè)計(jì)了總厚度僅為1.0 mm 的寬帶吸波材料。如圖5所示，當(dāng)面層厚度t1=0.5 mm，中間層厚度t2=0.25 mm，底層厚度t3=0.25 mm 時，可實(shí)現(xiàn)2.2～18 GHz范圍-4 dB 以下的吸收。這一結(jié)果說明了該理念對進(jìn)行不同厚度的寬帶吸收材料設(shè)計(jì)的適用性。將低、中、高頻吸收材料的逐層復(fù)合設(shè)計(jì)方法和結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)其在帶寬拓展和降低厚度方面具有優(yōu)勢。在文獻(xiàn)報道中，2 mm以下的寬帶吸收材料只能達(dá)到對8～18 GHz的良好吸收。最近Li等[21]利用圖形化超材料的構(gòu)造思路，在3.7 mm 的厚度下達(dá)到了4～40 GHz范圍內(nèi)-10 dB的吸收。而Xu等[22]利用類似的方法在2.8 mm達(dá)到了2.27～18 GHz范圍-8 dB 反射率。逐層復(fù)合設(shè)計(jì)方法只需2.4 mm 厚度即達(dá)到了2～18 GHz頻率范圍-8 dB以下的反射率，超過上述文獻(xiàn)優(yōu)值。因此該方法具有設(shè)計(jì)更簡單，厚度更低，帶寬更大，且無需超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在薄層寬帶吸收領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖4 (a)面層和中間層，(b)面層和底層，和(c)中間層和底層厚度變化對反射損耗頻譜的影響Fig.4 Variation of reflection loss with thickness change of different layers：(a)thickness change of the surface and the middle layers，(b)thickness change of the surface and the bottom layers，and(c)thickness change of the middle and the bottom layers

圖5 涂層總厚度1 mm 時的模擬反射損耗頻率譜Fig.5 Simulated reflection loss spectrum at total thickness of 1 mm

4 結(jié) 論

1.通過將具有高、中、低不同匹配頻率和阻抗特性的三種磁性吸波材料按阻抗?jié)u變的原則進(jìn)行多層設(shè)計(jì)，獲得了一種多層寬帶吸波材料。

2.設(shè)計(jì)并制備得到的多層吸波材料，對高、中、低頻電磁波具有逐層吸收的特征。其中面層主要吸收高頻電磁波，中層主要吸收中頻電磁波，底層則對低頻電磁波進(jìn)行強(qiáng)吸收。

3.設(shè)計(jì)并制備得到的多層寬帶吸波材料，在厚度僅為2.4 mm 時，反射率小于-8 dB 的帶寬可達(dá)16 GHz(2～18 GHz)；厚度為1.0 mm 時反射率小于-4 d B的帶寬為15.8 GHz(2.2～18 GHz)，皆超過可查文獻(xiàn)中的優(yōu)值。

4.應(yīng)用匹配頻率不同的磁性吸波材料進(jìn)行高、中、低頻疊層設(shè)計(jì)，可簡化設(shè)計(jì)，充分融合不同吸收劑的優(yōu)異性能，對實(shí)現(xiàn)薄層寬帶吸收材料具有重要意義。