結構型微波吸收復合材料的研究進展

李雅茹, 衛海鵬， 高學斌, 葉 云

(中北大學信息商務學院，山西 晉中 030600)

引 言

復合材料由于具有強度高、質量輕、耐腐蝕性好、性能可設計性強等優點被廣泛應用于國防、航空航天[1]以及民用工業的各個領域。特別是在先進的武器裝備和航空航天器材中復合材料所占的比重越來越大。然而，近年來隨著雷達探測技術的迅猛發展，武器裝備在戰場上的生存能力和防御能力受到了嚴重的威脅。因此，雷達隱身技術成為武器裝備在戰場上提高生存能力的關鍵技術保障[2]。可以通過改變武器裝備的形狀來達到隱身的目的，但是此種方法會給生產過程帶來許多的麻煩，并且會影響到武器裝備的結構性能。此外，也可以通過使用雷達波吸收材料來達到隱身的目的，而且使用吸波材料可以有效地降低設計難度和生產成本，并且可以保證裝備的結構穩定性不被破壞。因此，微波吸收材料成為了隱身技術的中心環節[3-7]。

1 微波吸收材料的分類

微波吸收材料(microwave absorbing materials)簡稱吸波材料(MAMs)，根據其制備方法和使用方式可以分為吸波涂層和結構型吸波材料[2]。

1.1 涂覆型吸波材料

吸波涂層是指將吸波性能優異的功能填料加入到涂層材料中，然后涂敷在目標物體上進而達到隱身的目的。吸波涂層具有制備和成型工藝簡單、成本低廉以及吸收效率高等優點[8]，已經在許多領域內達到了廣泛的應用[9]。吸波涂層材料目前的主要研究熱點集中在高性能吸波粒子的制備[10]。然而，涂覆型吸波材料的吸收頻寬有限，難以實現寬頻段內的高吸收。此外，為獲得高吸收往往需要在涂層中加入高含量的功能粒子，這樣就會使得涂層密度較大。這些都難以滿足目前對吸波材料“寬、薄、輕、強”的要求。

1.2 結構型吸波材料

結構型吸波材料是指通過一定的結構設計在保證材料承載能力的同時賦予材料良好的吸波性能[2]，因此，結構型吸波材料的綜合性能更為優異，同時性能可設計性更強，也可稱之為吸波/承載結構功能一體化材料，已經成為近年來隱身材料研究的熱點。吸波/承載結構功能一體化材料可以分為多層板吸波材料、夾芯結構吸波材料以及電路模擬吸波材料[11]。

2 結構型吸波材料設計理論基礎

結構型吸波材料的主要理論依據是傳輸線理論。主要的結構模型包括兩種：單層板吸波材料和多層板吸波材料[2,12-15]。

2.1 單層吸波材料的結構設計

單層吸波材料的模型如第23頁圖1所示。假設電磁波沿x軸方向垂直入射單板吸波材料，材料對雷達波的吸收性能常采用對電磁波的反射系數R來表示。單層板的反射系數與其阻抗之間存在如第23頁式(1)的數學關系。

圖1 單層吸波材料結構示意圖

(1)

式中：Z0為自由空間阻抗，約為377 Ω；Zi為單層吸波材料的輸入阻抗， Ω，可由式(2)計算得出。

(2)

式中，μr和εr分別指材料的磁導率和介電常數；d為單層吸波材料的厚度,mm。

理想吸波材料要求電磁波在入射表面不發生反射，即:

2.2 多層吸波材料的結構設計

從結論可看出，材料的介電常數、磁導率以及材料的厚度等均對材料的吸波性能有著明顯的影響，因此，對于介電常數、磁導率和厚度都是單一均勻的單層吸波材料來說很難達到在寬頻范圍內對電磁波有效吸收，因此，目前研究更多的是多層板吸波材料，多層板吸波材料的結構如圖2所示。

圖2 多層吸波材料結構示意圖

假設多層吸波材料由n層組成，其輸入阻抗計算公式如式(3)。

(3)

將反射系數R的絕對值取對數后稱為反射率或者反射損耗RL[如式(4)]，可以用來表征材料的吸波性能。

RL=201g∣R∣

(4)

3 結構型吸波材料的國內外研究現狀

結構型吸波材料的吸波功能是通過微波吸收劑對電磁波進行損耗而實現的。微波吸收劑按照吸收機理可以分為電阻型、電介質型和磁介質型。電阻型吸收劑主要通過與電場的相互作用來吸收電磁波，將入射的電磁波能量轉化為內能進而損耗電磁波。常見的電阻型吸收劑有炭黑、金屬粉、碳化硅、石墨等。電阻型吸收材料的吸收效率取決于材料的電導率以及其介電常數。電介質型吸波劑主要是通過介質極化馳豫來吸收電磁波，主要以鈦酸鋇鐵電陶瓷為代表。磁介質吸波劑對電磁波的衰減主要來自共振和磁滯損耗，常見的磁介質型吸波劑有鐵氧體和羰基鐵[16]。采用這些吸收劑可以顯著提高復合材料的吸波性能，然而只一種吸波劑僅可以為復合材料提供單一的吸收機制，這樣就大大限制了復合材料對微波的吸收強度以及吸收帶寬。因此，目前國內外學者大都采用多種損耗機制復合使用的方式提高復合材料的吸波性能。

西北工業大學卿玉長等[17]選用介電性能優異的多壁碳納米管和磁性能優異的片狀羰基鐵作為混合吸波劑對環氧有機硅樹脂進行填充，制得的吸波復合材料可以在2.0 GHz～16.9 GHz的頻段內實現RL<-10 dB的高效吸收。

四川大學李姜教授團隊[18]選用羰基鐵和碳納米管作為復合吸收劑，制備了multi-layer的結構型吸波材料，最強的吸收強度可以達到-48.1 dB，并且具有5.0 GHz的帶寬。

Liu X等[19]在聚對苯撐苯并二噁唑加入了功能粒子γ-Fe2O3-MWNT，在聚合物基體中引入核磁損耗和電阻損耗兩種損耗機制，顯著改善了聚合物基體的微波吸收性能，吸收強度可達-32.7 dB。

欲使復合材料對電磁波具有更多的吸收，需要使材料滿足以下兩點基本要求：首先，是要使電磁波盡可能多地進入到材料的內部；其次，要將進入到材料內部的電磁波能量盡可能多地轉化為其他形式的能量衰減掉。與此同時，還應減少電磁波的穿透。因此，多層型結構復合材料是由具有不同電磁參數和不同厚度的功能層復合層疊加而成的，較為常見的結構形式是透波層+吸波層+反射層。每個功能層的電磁特性以及厚度都是復合材料吸波性能的主要影響因素。對于吸收層而言，常見的結構形式有梯度結構、multi-layer結構以及蜂窩結構。

Gao X Y等[20]選用碳納米管作為吸收劑并采用multi-layer的結構制備了CNT/PVC多層結構吸波材料，制得的復合材料的具有良好的微波吸收性能和力學性能。

韓國科學研究院Jae-Hun Choi等[21]的相關研究中利用了半導體碳化硅纖維對電磁波的損耗作用，制備了SiC/環氧樹脂復合材料。在此研究中設計了multi-layer交替鋪層的結構，最終得到的復合材料的最大吸收強度可以達到-31.0 dB，并且吸收強度在-10 dB以下的帶寬為3.4 GHz。雖然吸波性能并不算特別優異，但是本研究所設計的結構可以保證復合材料具有良好的力學性能和方便的加工特性，于此同時微波吸收性能也得到了大幅度的改善，為結構功能一體化復合技術提供了可靠的思路。

He Y F等[22]設計了一種聚氨酯泡沫三明治結構，在聚氨酯泡沫中加入適量的糖基鐵/Ni纖維和磁性金屬超細粉填料，提高芯材的損耗性能。同時，這種三明治結構的表層采用介電常數較低的纖維增強樹脂基復合材料，這樣可以使電磁波可以更多地進入材料內部并完成衰減。這種結構的復合材料具有良好的力學性能并且可以實現輕量化，同時吸波性能優異，有效吸收范圍為3 GHz～18 GHz，實現了寬頻高吸收。

4 結語

結構吸波復合材料經過半個多世紀的發展，已經在多方面取得了顯著的成績。在武器裝備、航空航天以及民用等領域內得到了廣泛的應用，然而目前結構型吸波復合材料也有其明顯的不足，如，有效吸收頻段窄、吸收強度低以及材料質量難以實現輕量化等。因此，通過合理的結構設計實現結構吸波復合材料的寬頻高吸收、多頻譜兼容、耐惡劣環境等是未來結構吸波材料發展的主要趨勢。