多孔結構型吸波材料的研究進展

高 喬 孫詩兵 田英良 王子明

（北京工業大學材料科學與工程學院，北京 100124）

多孔結構型吸波材料的研究進展

高 喬 孫詩兵 田英良 王子明

（北京工業大學材料科學與工程學院，北京 100124）

在闡述阻抗匹配和電磁波介質吸收的機理基礎上，說明多孔結構型吸波材料的高效吸波的優勢和發展動力。系統的歸納了目前無機多孔結構型、有機多孔結構型、多孔金屬結構型吸波材料的研究現狀，并提出了不同種類吸波材料存在的問題，指出基體結構的改性將會是多孔結構型吸波材料以后的主要研究方向。

微波吸收；多孔結構；吸波機理；研究現狀

實現目標物的隱身主要是通過外形設計和使用電磁波吸收材料來降低電磁波的反射率，從而降低可探測性達到隱身的目的[1]。在實現隱身的過程中，由于目標物的外形設計受到諸多方面因素的制約，往往難以達到預期目的，因此高性能吸波材料的發展和應用成為決定隱身技術發展的關鍵因素之一。

吸波材料按成型工藝和承載能力可以分為涂敷型和結構型兩大類。涂敷型吸波材料是將粘結劑與石墨、SiC纖維、鐵氧體等吸波劑混合后涂覆于目標物表面而形成的吸波涂層[2]，這類吸波材料施工簡易且對目標物外形適應性強，但這種吸波涂料普遍存在著易脫落、維護成本高，吸波頻段受厚度的影響相對較窄，對吸波劑要求高，因而難以達到當前對吸波材料“薄、輕、寬、強”的發展要求。結構型吸波材料通常是將吸波劑與特定的基體材料復合而制備的一種多功能性復合材料[3]。其中吸波劑提供吸波所必需的電磁性能，基體材料不僅具有承載能力、耐高溫、耐候等物理性能，同時決定了電磁波在材料內部的傳播情況，因而對基體材料進行合理的結構設計可以有效改善材料的吸波性能。目前常用的基體材料結構形式主要是多層平板結構、多孔結構、角錐狀結構等，其中多孔結構吸波材料由于其較低的密度，并且通過氣孔尺寸、氣孔率等方面對吸波材料的波阻抗進行調節，以此來改善材料表面與自由空間的阻抗匹配，如碳化硅泡沫、多孔陶瓷、泡沫鋁和聚氨酯等是人們如今較為關注的多孔基體材料。

1 多孔結構型吸波材料的機理研究

相比于實體材料而言，多孔材料具有許多優異性能，如密度小，導熱性能低，抗熱震性好，吸音性能好等[4]。近幾十年來，人們對其吸音性能、保溫性能、抗熱沖擊性能等諸多性能均進行了系統的研究，但是以多孔材料為基體制備的吸波材料少有報道。多孔結構對吸波材料吸波性能的影響主要體現在兩個方面：

1)基體阻抗匹配性能的改善；

2)電磁波的電磁損耗機制的增強。

1.1 阻抗匹配

根據電磁波在介質中的傳播特性，當入射電磁波由自由空間進入吸波材料表面時，由于二者之間的波阻抗差異性較大，電磁波會在交界面處產生反射現象。根據傳輸線理論，入射電磁波由波阻抗為Z0的自由空間垂直入射到波阻抗為Z的吸波材料表面時，電磁波在界面處的反射率R為[5]：

由式（1）中可知，當Z0=Z時，反射率為零，入射電磁波全部進入吸波材料內部，吸波材料具有相對優異的吸波性能。但是現有材料極難滿足這一條件，因而通過改變吸波材料表面波阻抗，減小界面處的阻抗差異，從而改善入射電磁波的阻抗匹配條件，減少電磁波在界面處的反射。多孔材料可以看成兩相組合的復合材料，由介質和氣相組成，相比于實體介質而言，其界面波阻抗的匹配性更好，同時蜂窩狀的孔結構可以使得吸波材料與自由空間之間形成良好的連通性，電磁波進入吸波材料內部變得更加容易[6]。

1.2 電磁損耗

電磁波在多孔材料中傳播時，除了因吸波介質對電磁波進行電磁損耗之外，吸波材料內部的泡孔腔體及泡孔之間的結構還會對電磁波產生一定的散射、反射等作用[7]，這一過程會對電磁波產生極大的損耗。

當電磁波從自由空間進入多孔吸波材料時，一部分在多孔材料表面的孔結構處進行多次反射，剩余未被損耗的電磁波重新返回自由空間；其余部分電磁波進入吸波材料內部，在泡孔孔壁處會發生反射、折射等現象，發生反射的電磁波在損耗部分電磁能后透過外表面返回到自由空間，而發生折射的電磁波則是穿過孔壁進入泡孔，在其中發生多次反射及震蕩損耗，隨后穿過孔壁的電磁波在多孔材料內部又開始重復以上過程，直至到達多孔材料下表面并在金屬板處發生全反射，再次重復以上步驟，最終未完全損耗的電磁波經折射后再次進入自由空間。因此可知，多孔吸波材料對電磁波的吸收主要分為兩個方面：基體材料對電磁波的吸收損耗和泡孔結構對電磁波的散射損耗。

基體材料對電磁波的損耗則是電磁波在氣泡之間傳播及電磁波在孔壁上多次反射、折射與基體材料接觸所產生的吸收損耗，損耗效果受基體材料的電磁性能影響極大。

泡孔結構對電磁波的散射損耗主要包括單個泡孔內的震蕩損耗及多個氣泡之間的散射損耗。一部分是當電磁波進入氣泡內部時，會產生明顯的震蕩效應，產生一定的諧振損耗；另一部分是當電磁波在材料內部傳播時，遇到泡孔結構時將會發生散射現象。一般情況下，當孔徑尺寸與電磁波波長相近時，電磁波將會發生米氏散射；當孔徑尺寸遠小于電磁波波長時，電磁波將會發生瑞利散射[8]。米氏理論認為散射現象在一定程度上增加了電磁波的路程差，從而增加了材料對電磁波的損耗吸收。

2 多孔結構型吸波材料的研究現狀

為了獲得吸波性能優異、機械性能良好的吸波材料，致力于研究高性能吸波劑的同時，多孔基體材料的研究也愈加受到關注。多孔基體材料作為吸波材料的骨架結構，選擇需要綜合考慮吸波材料的使用環境、力學性能要求、加工難易程度等多方面因素影響。根據多孔基體材料成分不同，可以將其分為無機多孔結構型吸波材料、有機多孔結構型吸波材料、多孔金屬結構型吸波材料。

2.1 無機多孔結構型吸波材料

無機多孔結構型吸波材料主要是以多孔混凝土[9]、發泡陶瓷[10]、泡沫玻璃[11]等無機多孔結構作為基體材料，摻雜高性能吸波劑作為吸波介質而制備的功能性吸波劑。其中發泡水泥、多孔混凝土不需經過高溫階段，在常溫環境下通過物理發泡或化學發泡的方法制備而得[12]，制備方法簡單，易于加工；發泡陶瓷、泡沫玻璃則是通過將基料與發泡劑球磨混合之后，通過高溫發泡的方法制得[13]。無機多孔型基體材料具有優異的力學性能、耐熱震性、耐候性、抗腐蝕性、吸音等性能，因而可以適用于環境較為惡劣的島礁地區或高寒地帶，同時，無機多孔基體材料主要由Al2O3，SiO2等透波性介質組成[14]，改善了材料表面與自由空間的阻抗匹配，使得入射電磁波不會在吸波材料表面產生嚴重的反射，提高了吸波材料的吸波性能。

Hsu和Howell等[15]在假設多孔材料為一個均勻分散的多孔結構，每個氣孔均為獨立球形，并且氣孔之間散射效應無相互影響的基礎上，根據幾何光學理論推導出網眼多孔陶瓷的光衰減數學表達式：

式中：K為光衰減，d為孔徑，p為氣孔率。

Tong和Li的研究也給出了多孔介質的光衰減系數與光衰減效率的關系：

式中：K為光衰減系數，Q為光衰減效率，D為纖維直徑，p為氣孔率。

Zhang等[16]使用有限元法模擬多孔SiC的孔結構并計算了不同形態下SiC材料的反射率，得到多孔SiC材料的吸波性能優于塊體SiC和顆粒SiC材料，這主要是由于多孔結構對材料阻抗匹配的改善及結構損耗。朱新文等[17]對孔徑大小對多孔碳化硅陶瓷的吸波性能的影響進行了研究。作者發現孔徑尺寸的減小在一定程度上有利于電磁波在多孔結構中的衰減，但孔徑過小反而會損壞吸波材料的吸波性能。同時適當的增加相對密度及厚度也可以改善材料的吸波性能。管洪濤[18]提出了EPS顆粒填充水泥復合材料的復合吸波結構，并分析了EPS填充率、EPS顆粒直徑以及試樣厚度對復合材料吸波性能的影響。

2.2 有機多孔結構型吸波材料

有機多孔結構型吸波材料是在聚氨酯、聚苯胺及聚苯乙烯等有機多孔基體中摻加石墨、合金微粉、碳纖維等高性能吸波劑而制得的。當入射電磁波進入吸波材料時，吸波材料內部的吸波介質與入射電磁波發生作用，從而將電磁能轉化為熱能，同時吸波材料的多孔結構也會對電磁波產生一定的結構損耗，進一步提高材料的吸波性能[19]。目前，對于有機多孔結構型吸波材料的研究以聚氨酯基及聚苯乙烯基吸波材料為主。

軟質聚氨酯基吸波材料是將聚氨酯切割成特定的形狀，通過浸漬吸波劑溶液，之后烘干而制得[20]，這種方法可以不需要借助模具而制備復雜形狀的吸波材料，極大地降低了成本，并且聚氨酯基吸波材料本身具有優異的力學性能、保溫性能及輕質高強等性能，可以與吸波劑良好的相容性，使得其得以廣泛的應用。Esfahani 等[21]通過分析聚氨酯材料的孔壁、密度對材料吸波性能的影響，發現厚孔壁、大孔徑泡孔結構的聚氨酯具有較好的吸波性能。Kucerova等[22]在聚氨酯基體中填充碳質吸波劑制備功能性吸波材料，并分別研究了不同摻量的炭黑、碳纖維、碳納米管對吸波材料的電磁波吸收性能的影響。Yu等[23]報道通過調控碳纖維的直徑及摻加量可以制備性能可控的聚氨酯基電磁波吸收材料，當樣品厚度為3.5mm時，在2～18GHz頻段范圍內其反射率小于-10dB的帶寬為3GHz。張義桃等[24]通過摻加鐵氧體、石墨及其復合物制備聚氨酯基平板吸波材料，實驗表明，單種吸波劑摻加難以達到理想的吸波效果，二者復摻可明顯改善材料的性能。

聚苯乙烯基吸波材料一般是在聚苯乙烯顆粒表面均勻涂覆一層吸波劑作為骨料，之后通過粘結劑粘結并壓制成型制成。聚苯乙烯顆粒是球形閉孔顆粒，可以看成是一個諧振體，電磁波在腔體內通過震蕩、干涉、吸收作用，實現電磁波的有效損耗。王相元等[25]通過將聚苯乙烯顆粒表面改性，之后與吸波材料復合制備得到角錐形吸波材料，實驗結果表明，在2～18GHz頻段范圍內，吸波材料的反射率均優于-50dB。

2.3 多孔金屬結構型吸波材料

多孔金屬材料是一種新型的復合材料，這類材料具有結構與功能材料的雙重特性，不僅具有質輕、強度高的特點，同時具有保溫、減震、吸音[26]、電磁屏蔽[27]等一系列的功能，由于其優異的吸音性能及電磁屏蔽功能，人們開始將目光轉向其吸波性能方面的研究，其中以泡沫鋁的應用研究最為廣泛。多孔金屬型吸波材料是一種典型的吸波/承載復合結構材料。它主要是以由金屬骨架、吸波劑、孔隙組成的多孔狀結構復合材料，其中金屬骨架的成分可以調節，如鋁、鐵、鎳等[28]。劉欣等[29]在泡沫陶瓷研究的基礎上，分析了相對密度及微波頻率對吸波性能的影響。研究結果表明，隨著相對密度的降低，材料的吸波性能得到明顯改善，當相對密度為0.117時，在25～40GHz頻段范圍內，優于-10dB的帶寬高達6.6GHz，其中頻率越高，材料的吸波性能越好。薛向欣等[30]通過在泡沫鋁表面涂覆不同電磁特性的吸波涂料，探討涂料的電磁特性及電磁波頻率對材料吸波性能的影響。結果表明，表面涂覆磁損耗介質吸波涂料的泡沫鋁復合材料的吸波性能最佳，并且其吸波性能隨頻率的增加而增加。劉欣等[31]通過在泡沫鋁表面分別涂覆Ni-Zn鐵氧體、羰基鎳粉及二者的復合材料，探討對材料吸波性能的影響，結果顯示，在12～18GHz頻段內，復合吸波劑/泡沫鋁材料的吸波性能介于單一吸波劑之間，并且通過調整復合吸波劑中各組分的摻量可有效改善材料的吸波性能。

3 結 語

吸波材料不但需要優異的吸波性能，同時具備良好的力學性能、耐候性、耐高溫性能、工藝簡單且重復性好等一系列的特性。多孔結構型吸波材料由于其多孔結構的存在，極大地改善了材料的密度及與自由空間的阻抗匹配，因而表現出質輕、吸波性能優異的特性，但同時也暴露了一系列的缺點，如多孔無機吸波材料耐候性好，抗熱震性優良，但是其兼容性不好，吸波劑的摻量有一定的限制，這對吸波材料吸波頻帶的拓寬及吸波性能的改善不利；有機多孔吸波材料制備工藝簡單且可制備形狀復雜的吸波材料，但是其耐高溫性能及耐候性較差；多孔金屬基吸波材料各方面性能都極為優異，但是多孔金屬的生產成本較高，工藝較為復雜。因而，改善多孔基體的結構特性將會是多孔結構型吸波材料的未來發展方向。

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Research progress of porous structure absorbing materials

The advantages of good impedance matching and electromagnetic wave absorption put the porous structural material develop and progress． In this paper, the recent research of different porous structural wave absorbing material of inorganic, organic and metal, was summarized． Also problems of these material was put forward． The modification of matrix structure will be the main research direction of porous structure absorbing materials．

electromagnetic wave absorption；porous structure；absorbing mechanism；research status

TU597

B

1003-8965（2017）01-0036-03