電磁雙復微波吸收輕質隱身材料的研究進展

曹先覺，王汝敏，齊暑華

（西北工業大學理學院應用化學系，陜西 西安 710129）

電磁雙復微波吸收輕質隱身材料的研究進展

曹先覺，王汝敏，齊暑華

（西北工業大學理學院應用化學系，陜西 西安 710129）

介紹了吸波材料及其吸波原理，綜述了鐵氧體、導電聚合物及磁性金屬微粉吸波材料近幾年在國內外的研究進展，并對其發展趨勢進行展望，指出了空心玻璃珠是實現吸波材料性能提高的新方向。

吸波材料；鐵氧體；微波吸收性能；空心玻璃珠

微波吸收材料是一種重要的功能材料，它在隱身技術、微波通訊、微波暗室、抗電磁輻射以及防止電磁污染等方面得到了廣泛的應用[1]。吸波材料按其承載能力可分為結構吸波材料和涂層吸波材料2大類。結構吸波材料是一種多功能復合材料，它不但能夠有效地吸收雷達波，同時還用于結構件，具有復合材料質輕高強的特點，其結構多為導電纖維混編的復合材料。涂層吸波材料具有施工簡單、使用方便、易于維護、可設計性強等優點，一直受到隱身技術研究與設計人員的重視，然而與結構吸波材料相比，吸波涂層所增加的附加質量及它們的吸收頻帶較窄的缺點也使其應用受到一定程度的限制。因此如何克服這一難題成為涂層吸波材料研究的關鍵[2]。

1　吸波材料的分類與吸波原理

雷達吸波材料簡稱吸波材料，是指能吸收投射到它表面的電磁波能量，或通過材料的電磁損耗使其能量轉化為熱能或其他形式的能量而耗散掉的一類材料。根據吸波機理的不同，吸波材料的損耗介質可以分為電損耗型和磁損耗型2大類：電損耗型吸波材料主要通過介質的電子極化、離子極化或界面極化來吸收、衰減電磁波，如鈦酸鋇類；磁損耗型吸波材料主要通過磁滯損耗、疇壁共振和后效損耗等磁極化機制來吸收、衰減電磁波，如鐵氧體、羰基鐵等。

吸波材料吸收電磁波的基本要求主要有2條：一是入射電磁波最大限度地進入材料內部而不是在其表面就被反射，即要求材料的表面阻抗匹配；二是進入吸波材料內部的電磁波能迅速被吸收而衰減掉，即材料的衰減特性。

吸波材料的吸收特性一般用介電常數ε和磁導率μ表征，其能量損耗tanδ可由式（1）、（2）表示：

式中：ε′和ε″分別為介電常數實部和虛部；μ′和μ″分別為磁導率實部和虛部；δe與δm分別為電損耗角與磁損耗角；tanδe為電損耗，tanδm為磁損耗。

材料對電磁波的吸收取決于ε″與μ″，當ε″與μ″均為零時，材料電磁波損耗為零。由此可以看出，材料的ε″，μ″和tanδ越大，吸波性能越好。增大吸收劑的ε″和μ″，對于提高其吸波性能具有決定作用。而增加吸收劑在基體中的體積分數也可以提高材料的tanδ，相比而言，提高吸收劑體積分數比提高吸收劑的ε″，μ″更易實現。

2　吸波材料研究現狀

目前，很多吸波材料的研究手段已經比較成熟，吸波材料正在向頻帶寬、厚度薄、質量輕、吸收強等高性能方向發展，同時新機理型吸波材料也在不斷開發中。常見的吸波材料主要有以下幾種：

2.1鐵氧體

由于強烈的鐵磁共振吸收和磁導率的頻散效應，鐵氧體是一種較好的吸波材料。這種材料的優點是涂層厚度薄、質量輕、穩定性好，且具有吸收強、頻帶寬及成本低的特點，因而被廣泛應用于隱身領域[3]。自然共振是鐵氧體吸收電磁波的主要機制。聶翔[4]采用sol-gel法制備了鋇鐵氧體（BaFe12O19）和鋅鐵氧體（ZnFe2O4），并研究了雷達波的微波吸收性能。結果表明，磁鉛石型BaFe12O19在10 GHz、11 GHz處的最小反射損耗分別為-11.27 dB、-12.01 dB，對雷達波的吸收性能優于ZnFe2O4。

2.2導電聚合物

導電高聚物（ICPs）是由共主鏈的絕緣高分子通過化學或電化學方法與摻雜劑進行電荷轉移復合而成的。因具有結構多樣化、密度低和特殊的物理、化學性質等一系列優點而引起科學界的廣泛關注。美國賓夕法尼亞大學的Heeger A J、MacDiarmid A G和日本筑波大學的白川英樹發現采用I2或AsF5摻雜的聚乙炔（PA）薄膜有很好的導電性。之后，人們又相繼開發了聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANI）、聚噻吩（PTH）等導電高聚物。經過后續多年的研究，導電聚合物在摻雜方法與機理，材料的分子設計與合成，結構與電、磁、光等物理性能及相關機理，導電機理，可溶性和加工性，實用化和技術探索等諸多方面都取得了很大的進步，并正向可實用化方向快速發展[5]。導電高聚物有加工性好、密度低、結構多樣化、電磁參量可調以及可分子設計性等獨特優點，滿足吸波材料“薄、輕、寬、強”的要求，在吸波領域有著廣闊的發展前景。

2.3磁性金屬微粉

超微磁性金屬微粉主要包括Fe、Co、Ni粉以及它們的合金粉。近年來，各國已經對磁性金屬微粉展開了廣泛研究[6～8]，法國巴黎大學對微米級Ni、Co粉末的吸波性能進行了研究，發現在1～8 GHz內出現最大吸收值。此外，金屬微粉吸波材料已經得到實際應用，如美國F/A-18C/D“大黃蜂”隱身飛機使用的就是羰基鐵微粉吸波材料。

盡管對于磁性金屬微粉材料吸波性能方面的研究已經取得了較好的結果和應用，但由于其密度大，抗氧化性和耐酸堿性差，遠不如鐵氧體材料發展快。因此，磁性金屬微粉向復合化和納米尺度方向的研究[9，10]將是今后的研究重點。

3　微波吸波材料的發展趨勢

3.1低維化

為探索新的吸收機理和進一步提高吸波性能，納米微粒、纖維、薄膜等低維材料日益受到重視，研究對象集中在磁性納米、納米纖維、顆粒膜與多層膜[21]。它們具有吸收頻帶寬、兼容性好、吸收強、質量輕等優點，極具發展潛力。

3.2復合化

根據目前吸波材料的發展現狀，一種類型的材料很難滿足日益提高的隱身技術所提出的“薄、寬、輕、強”的綜合要求，因此需要將多種材料進行各種形式的復合以獲得最佳效果[22]，其中采用有機/無機納米復合技術可以方便調節復合物的電磁參數以達到阻抗匹配的要求。

3.3多頻譜兼容化

目前的反雷達探測隱身技術主要是針對厘米波段雷達，覆蓋的頻率段有限。例如，諧振型吸波材料只能吸收一種或幾種頻率的雷達波；介電型吸波材料與磁性吸波材料主要覆蓋范圍大致分別在厘米波段的低端和高端。而近年來隨著先進紅外/紫外探測器、米波段雷達、毫米波段雷達等新型先進探測器的相繼問世，以及裝備部隊使用，給原有的隱身手段提出了新的嚴峻挑戰。這就要求隱身材料具備寬頻帶吸波特性，即用同一種隱身材料對抗多種波段的電磁波源的探測。

3.4智能化

智能型材料是一種具有感知功能、信息處理功能、自我指令并對信號作出最佳響應功能的材料。這種可根據環境變化調節自身結構和電磁特性并對環境作出最佳響應的概念為隱身材料的設計提供新的思路和方法[23]。

4　鐵氧體材料

4.1鐵氧體材料的種類及特點

鐵氧體是一種具有鐵磁性的金屬氧化物，價格便宜、化學穩定性好，是發展最早、研究最多、較為成熟的吸波材料。早在20世紀40年代初期，鐵氧體就已經作為微波吸收材料使用。按晶體結構的不同，鐵氧體主要分為尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型3大類[24]，如表1所示，它們均可用作吸波材料。

磁鉛石型鐵氧體屬于六角晶系，共有6種相似結構的六角晶系鐵氧體[25]，分別為M、W、X、Y、Z和U型，如表2所示。研究表明，磁鉛石型鐵氧體材料的吸波性能最好。這是因為它具有吸收劑的最佳形狀-片狀結構；此外，它具有較高的磁性各向異性等效場，故有較高的自然共振頻率。

4.2鐵氧體的微波吸收機理[26，27]

在交變磁場作用下，磁性介質的損耗機制主要有：

表1　鐵氧體材料的類型Tab.1　Type of ferrite materials

表2　磁鉛石型鐵氧體的晶體結構Tab.2　Crystal structure of magnetoplumbite type ferrite

（1）渦流損耗：當通過導體的磁通量隨時間發生變化時，導體內部會形成渦流，產生渦流損耗，從而使得電磁能轉化為熱能形式被損耗掉。

（2）磁滯損耗：磁滯是指當鐵磁材料的磁性狀態發生變化時，磁化強度滯后于磁場強度，它的磁通密度B與磁場強度H之間呈現磁滯回線關系。經一次循環，每單位體積鐵芯中的磁滯損耗等于磁滯回線的面積。產生磁滯損耗的內在機理為疇壁的不可逆移動。

（3）磁共振：磁體中的磁偶極子以固有頻率振動，當外加磁場與該固有頻率相同時，將引起磁共振，致使材料強烈吸收電磁波。

（4）剩磁效應：由于磁通密度B的變化要比外加磁場滯后一個相位角，因此當外加磁場變為零時，磁體中磁通密度B卻不為零，從而產生剩磁。若要使磁通密度B變為零，須外加反向磁場，這個消除剩磁的過程將消耗磁場的能量。

4.3Fe3O4磁性材料

Fe3O4是一種最基本的鐵氧體，是世界上應用最早的一種磁性材料，鐵磁性顆粒具有很強的磁性，可在很低的磁場中獲得很強的磁感應，甚至磁飽和，還有其他的一些特殊的磁特性。

Fe3O4在外磁場作用下能夠定向移動，當Fe3O4的粒徑在一定范圍之內時具有超順磁性，以及在外加交變電磁場作用下能產生熱量等特性，另外納米磁性Fe3O4粒子由于其原料價格低廉、化學穩定性好以及制備方法相對簡單等優點已得到廣泛的研究[28]。

5　空心玻璃微珠

高性能空心玻璃微珠（簡稱空心玻璃微珠）是一種新型節能、清潔輕質填料。它具有中空、質輕、隔熱保溫、電絕緣強度高、耐磨、耐腐蝕、防輻射、隔音、吸水性低、化學性能穩定等特點。

空心玻璃微珠主要化學成分是堿石灰硼硅酸鹽玻璃，微珠是一顆顆透明的微米級玻璃質密閉中空正球體，有堅硬的球殼，球體內充有稀薄的N2，宏觀上為純白色的粉末。其粒徑大小不等，最小顆粒粒徑為2 μm，平均粒徑為 35 μm。壁厚約為其直徑的10%。因為中空使它具有質輕的特點，而粒徑大小不等可以形成粒徑互補，具有合理填補空隙的特點[29]。

它具有以下優點：（a）密度小，容易在有機體系中均勻分散，而且可在0.25～0.60 g/cm3間進行密度調節；（b）抗壓能力強，可在2～60 MPa 進行調節，在研磨、混合過程中不易破碎；（c）熱導率低，20 ℃時，可在0.051 2～0.093 4 W/mk間進行調節；（d）晶型穩定，一般不與除HF外的酸堿等起反應，即穩定性優異。

6　展望

綜上所述，鐵氧體、導電聚合物及磁性金屬微粉等吸波材料的研究手段已經比較成熟，吸波材料正在向頻帶寬、厚度薄、質量輕、吸收強等高性能方向發展，低維化、復合化、多頻譜兼容化和智能化是吸波材料的發展方向。空心玻璃微珠由于其各項優異性能，正在成為新的研究熱點。

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Research progress of double complex and light-stealth materials with electromagnetic microwave absorption

CAO Xian-jue, WANG Ru-min, QI Shu-hua
(Department of Applied Chemistry, School of Natural and Applied Science, Northwestern Polytechnical University, Xi’an, Shaanxi 710129, China)

In this paper, the microwave absorbing materials and their action principle were introduced. The research progress of ferrite, conductive polymer and magnetic metal powder absorbing materials in recent years were reviewed. Finally, the development trend was prospected and it was pointed out that using the hollow glass beads would be a new direction to improve the performance of microwave absorbing materials.

wave absorbing material; ferrite material; microwave absorption properties; hollow glass beads

TQ333.6

A

1001-5922（2016）10-0068-04

2016-07-28

曹先覺（1991-），男，碩士研究生，主要從事吸波材料的研究。E-mail：1446187137@qq.com。

通訊聯系人：齊暑華（1949-），女，教授，碩士與博士生導師，主要從事功能材料的研究。E-mail：qishuhua@nwpu.edu.cn。