多孔結(jié)構(gòu)型吸波材料的研究進(jìn)展

高 喬 孫詩(shī)兵 田英良 王子明

（北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124）

多孔結(jié)構(gòu)型吸波材料的研究進(jìn)展

高 喬 孫詩(shī)兵 田英良 王子明

（北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124）

在闡述阻抗匹配和電磁波介質(zhì)吸收的機(jī)理基礎(chǔ)上，說(shuō)明多孔結(jié)構(gòu)型吸波材料的高效吸波的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展動(dòng)力。系統(tǒng)的歸納了目前無(wú)機(jī)多孔結(jié)構(gòu)型、有機(jī)多孔結(jié)構(gòu)型、多孔金屬結(jié)構(gòu)型吸波材料的研究現(xiàn)狀，并提出了不同種類(lèi)吸波材料存在的問(wèn)題，指出基體結(jié)構(gòu)的改性將會(huì)是多孔結(jié)構(gòu)型吸波材料以后的主要研究方向。

微波吸收；多孔結(jié)構(gòu)；吸波機(jī)理；研究現(xiàn)狀

實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的隱身主要是通過(guò)外形設(shè)計(jì)和使用電磁波吸收材料來(lái)降低電磁波的反射率，從而降低可探測(cè)性達(dá)到隱身的目的[1]。在實(shí)現(xiàn)隱身的過(guò)程中，由于目標(biāo)物的外形設(shè)計(jì)受到諸多方面因素的制約，往往難以達(dá)到預(yù)期目的，因此高性能吸波材料的發(fā)展和應(yīng)用成為決定隱身技術(shù)發(fā)展的關(guān)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(jié)構(gòu)型兩大類(lèi)。涂敷型吸波材料是將粘結(jié)劑與石墨、SiC纖維、鐵氧體等吸波劑混合后涂覆于目標(biāo)物表面而形成的吸波涂層[2]，這類(lèi)吸波材料施工簡(jiǎn)易且對(duì)目標(biāo)物外形適應(yīng)性強(qiáng)，但這種吸波涂料普遍存在著易脫落、維護(hù)成本高，吸波頻段受厚度的影響相對(duì)較窄，對(duì)吸波劑要求高，因而難以達(dá)到當(dāng)前對(duì)吸波材料“薄、輕、寬、強(qiáng)”的發(fā)展要求。結(jié)構(gòu)型吸波材料通常是將吸波劑與特定的基體材料復(fù)合而制備的一種多功能性復(fù)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(shí)決定了電磁波在材料內(nèi)部的傳播情況，因而對(duì)基體材料進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效改善材料的吸波性能。目前常用的基體材料結(jié)構(gòu)形式主要是多層平板結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)、角錐狀結(jié)構(gòu)等，其中多孔結(jié)構(gòu)吸波材料由于其較低的密度，并且通過(guò)氣孔尺寸、氣孔率等方面對(duì)吸波材料的波阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此來(lái)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?nèi)缃褫^為關(guān)注的多孔基體材料。

1 多孔結(jié)構(gòu)型吸波材料的機(jī)理研究

相比于實(shí)體材料而言，多孔材料具有許多優(yōu)異性能，如密度小，導(dǎo)熱性能低，抗熱震性好，吸音性能好等[4]。近幾十年來(lái)，人們對(duì)其吸音性能、保溫性能、抗熱沖擊性能等諸多性能均進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，但是以多孔材料為基體制備的吸波材料少有報(bào)道。多孔結(jié)構(gòu)對(duì)吸波材料吸波性能的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

1)基體阻抗匹配性能的改善；

2)電磁波的電磁損耗機(jī)制的增強(qiáng)。

1.1 阻抗匹配

根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的傳播特性，當(dāng)入射電磁波由自由空間進(jìn)入吸波材料表面時(shí)，由于二者之間的波阻抗差異性較大，電磁波會(huì)在交界面處產(chǎn)生反射現(xiàn)象。根據(jù)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(shí)，電磁波在界面處的反射率R為[5]：

由式（1）中可知，當(dāng)Z0=Z時(shí)，反射率為零，入射電磁波全部進(jìn)入吸波材料內(nèi)部，吸波材料具有相對(duì)優(yōu)異的吸波性能。但是現(xiàn)有材料極難滿足這一條件，因而通過(guò)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(fù)合材料，由介質(zhì)和氣相組成，相比于實(shí)體介質(zhì)而言，其界面波阻抗的匹配性更好，同時(shí)蜂窩狀的孔結(jié)構(gòu)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(jìn)入吸波材料內(nèi)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(shí)，除了因吸波介質(zhì)對(duì)電磁波進(jìn)行電磁損耗之外，吸波材料內(nèi)部的泡孔腔體及泡孔之間的結(jié)構(gòu)還會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生一定的散射、反射等作用[7]，這一過(guò)程會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生極大的損耗。

當(dāng)電磁波從自由空間進(jìn)入多孔吸波材料時(shí)，一部分在多孔材料表面的孔結(jié)構(gòu)處進(jìn)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(jìn)入吸波材料內(nèi)部，在泡孔孔壁處會(huì)發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，發(fā)生反射的電磁波在損耗部分電磁能后透過(guò)外表面返回到自由空間，而發(fā)生折射的電磁波則是穿過(guò)孔壁進(jìn)入泡孔，在其中發(fā)生多次反射及震蕩損耗，隨后穿過(guò)孔壁的電磁波在多孔材料內(nèi)部又開(kāi)始重復(fù)以上過(guò)程，直至到達(dá)多孔材料下表面并在金屬板處發(fā)生全反射，再次重復(fù)以上步驟，最終未完全損耗的電磁波經(jīng)折射后再次進(jìn)入自由空間。因此可知，多孔吸波材料對(duì)電磁波的吸收主要分為兩個(gè)方面：基體材料對(duì)電磁波的吸收損耗和泡孔結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的散射損耗。

基體材料對(duì)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(chǎn)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(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的散射損耗主要包括單個(gè)泡孔內(nèi)的震蕩損耗及多個(gè)氣泡之間的散射損耗。一部分是當(dāng)電磁波進(jìn)入氣泡內(nèi)部時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的震蕩效應(yīng)，產(chǎn)生一定的諧振損耗；另一部分是當(dāng)電磁波在材料內(nèi)部傳播時(shí)，遇到泡孔結(jié)構(gòu)時(shí)將會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象。一般情況下，當(dāng)孔徑尺寸與電磁波波長(zhǎng)相近時(shí)，電磁波將會(huì)發(fā)生米氏散射；當(dāng)孔徑尺寸遠(yuǎn)小于電磁波波長(zhǎng)時(shí)，電磁波將會(huì)發(fā)生瑞利散射[8]。米氏理論認(rèn)為散射現(xiàn)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(duì)電磁波的損耗吸收。

2 多孔結(jié)構(gòu)型吸波材料的研究現(xiàn)狀

為了獲得吸波性能優(yōu)異、機(jī)械性能良好的吸波材料，致力于研究高性能吸波劑的同時(shí)，多孔基體材料的研究也愈加受到關(guān)注。多孔基體材料作為吸波材料的骨架結(jié)構(gòu)，選擇需要綜合考慮吸波材料的使用環(huán)境、力學(xué)性能要求、加工難易程度等多方面因素影響。根據(jù)多孔基體材料成分不同，可以將其分為無(wú)機(jī)多孔結(jié)構(gòu)型吸波材料、有機(jī)多孔結(jié)構(gòu)型吸波材料、多孔金屬結(jié)構(gòu)型吸波材料。

2.1 無(wú)機(jī)多孔結(jié)構(gòu)型吸波材料

無(wú)機(jī)多孔結(jié)構(gòu)型吸波材料主要是以多孔混凝土[9]、發(fā)泡陶瓷[10]、泡沫玻璃[11]等無(wú)機(jī)多孔結(jié)構(gòu)作為基體材料，摻雜高性能吸波劑作為吸波介質(zhì)而制備的功能性吸波劑。其中發(fā)泡水泥、多孔混凝土不需經(jīng)過(guò)高溫階段，在常溫環(huán)境下通過(guò)物理發(fā)泡或化學(xué)發(fā)泡的方法制備而得[12]，制備方法簡(jiǎn)單，易于加工；發(fā)泡陶瓷、泡沫玻璃則是通過(guò)將基料與發(fā)泡劑球磨混合之后，通過(guò)高溫發(fā)泡的方法制得[13]。無(wú)機(jī)多孔型基體材料具有優(yōu)異的力學(xué)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(huán)境較為惡劣的島礁地區(qū)或高寒地帶，同時(shí)，無(wú)機(jī)多孔基體材料主要由Al2O3，SiO2等透波性介質(zhì)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(huì)在吸波材料表面產(chǎn)生嚴(yán)重的反射，提高了吸波材料的吸波性能。

Hsu和Howell等[15]在假設(shè)多孔材料為一個(gè)均勻分散的多孔結(jié)構(gòu)，每個(gè)氣孔均為獨(dú)立球形，并且氣孔之間散射效應(yīng)無(wú)相互影響的基礎(chǔ)上，根據(jù)幾何光學(xué)理論推導(dǎo)出網(wǎng)眼多孔陶瓷的光衰減數(shù)學(xué)表達(dá)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(zhì)的光衰減系數(shù)與光衰減效率的關(guān)系：

式中：K為光衰減系數(shù)，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(jié)構(gòu)并計(jì)算了不同形態(tài)下SiC材料的反射率，得到多孔SiC材料的吸波性能優(yōu)于塊體SiC和顆粒SiC材料，這主要是由于多孔結(jié)構(gòu)對(duì)材料阻抗匹配的改善及結(jié)構(gòu)損耗。朱新文等[17]對(duì)孔徑大小對(duì)多孔碳化硅陶瓷的吸波性能的影響進(jìn)行了研究。作者發(fā)現(xiàn)孔徑尺寸的減小在一定程度上有利于電磁波在多孔結(jié)構(gòu)中的衰減，但孔徑過(guò)小反而會(huì)損壞吸波材料的吸波性能。同時(shí)適當(dāng)?shù)脑黾酉鄬?duì)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(fù)合材料的復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)，并分析了EPS填充率、EPS顆粒直徑以及試樣厚度對(duì)復(fù)合材料吸波性能的影響。

2.2 有機(jī)多孔結(jié)構(gòu)型吸波材料

有機(jī)多孔結(jié)構(gòu)型吸波材料是在聚氨酯、聚苯胺及聚苯乙烯等有機(jī)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(dāng)入射電磁波進(jìn)入吸波材料時(shí)，吸波材料內(nèi)部的吸波介質(zhì)與入射電磁波發(fā)生作用，從而將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，同時(shí)吸波材料的多孔結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生一定的結(jié)構(gòu)損耗，進(jìn)一步提高材料的吸波性能[19]。目前，對(duì)于有機(jī)多孔結(jié)構(gòu)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(zhì)聚氨酯基吸波材料是將聚氨酯切割成特定的形狀，通過(guò)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(fù)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(yōu)異的力學(xué)性能、保溫性能及輕質(zhì)高強(qiáng)等性能，可以與吸波劑良好的相容性，使得其得以廣泛的應(yīng)用。Esfahani 等[21]通過(guò)分析聚氨酯材料的孔壁、密度對(duì)材料吸波性能的影響，發(fā)現(xiàn)厚孔壁、大孔徑泡孔結(jié)構(gòu)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(zhì)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(duì)吸波材料的電磁波吸收性能的影響。Yu等[23]報(bào)道通過(guò)調(diào)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(dāng)樣品厚度為3.5mm時(shí)，在2～18GHz頻段范圍內(nèi)其反射率小于-10dB的帶寬為3GHz。張義桃等[24]通過(guò)摻加鐵氧體、石墨及其復(fù)合物制備聚氨酯基平板吸波材料，實(shí)驗(yàn)表明，單種吸波劑摻加難以達(dá)到理想的吸波效果，二者復(fù)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(guò)粘結(jié)劑粘結(jié)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(gè)諧振體，電磁波在腔體內(nèi)通過(guò)震蕩、干涉、吸收作用，實(shí)現(xiàn)電磁波的有效損耗。王相元等[25]通過(guò)將聚苯乙烯顆粒表面改性，之后與吸波材料復(fù)合制備得到角錐形吸波材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在2～18GHz頻段范圍內(nèi)，吸波材料的反射率均優(yōu)于-50dB。

2.3 多孔金屬結(jié)構(gòu)型吸波材料

多孔金屬材料是一種新型的復(fù)合材料，這類(lèi)材料具有結(jié)構(gòu)與功能材料的雙重特性，不僅具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，同時(shí)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(yōu)異的吸音性能及電磁屏蔽功能，人們開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向其吸波性能方面的研究，其中以泡沫鋁的應(yīng)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(fù)合結(jié)構(gòu)材料。它主要是以由金屬骨架、吸波劑、孔隙組成的多孔狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，其中金屬骨架的成分可以調(diào)節(jié)，如鋁、鐵、鎳等[28]。劉欣等[29]在泡沫陶瓷研究的基礎(chǔ)上，分析了相對(duì)密度及微波頻率對(duì)吸波性能的影響。研究結(jié)果表明，隨著相對(duì)密度的降低，材料的吸波性能得到明顯改善，當(dāng)相對(duì)密度為0.117時(shí)，在25～40GHz頻段范圍內(nèi)，優(yōu)于-10dB的帶寬高達(dá)6.6GHz，其中頻率越高，材料的吸波性能越好。薛向欣等[30]通過(guò)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(duì)材料吸波性能的影響。結(jié)果表明，表面涂覆磁損耗介質(zhì)吸波涂料的泡沫鋁復(fù)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(guò)在泡沫鋁表面分別涂覆Ni-Zn鐵氧體、羰基鎳粉及二者的復(fù)合材料，探討對(duì)材料吸波性能的影響，結(jié)果顯示，在12～18GHz頻段內(nèi)，復(fù)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(guò)調(diào)整復(fù)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(jié) 語(yǔ)

吸波材料不但需要優(yōu)異的吸波性能，同時(shí)具備良好的力學(xué)性能、耐候性、耐高溫性能、工藝簡(jiǎn)單且重復(fù)性好等一系列的特性。多孔結(jié)構(gòu)型吸波材料由于其多孔結(jié)構(gòu)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(xiàn)出質(zhì)輕、吸波性能優(yōu)異的特性，但同時(shí)也暴露了一系列的缺點(diǎn)，如多孔無(wú)機(jī)吸波材料耐候性好，抗熱震性優(yōu)良，但是其兼容性不好，吸波劑的摻量有一定的限制，這對(duì)吸波材料吸波頻帶的拓寬及吸波性能的改善不利；有機(jī)多孔吸波材料制備工藝簡(jiǎn)單且可制備形狀復(fù)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(yōu)異，但是多孔金屬的生產(chǎn)成本較高，工藝較為復(fù)雜。因而，改善多孔基體的結(jié)構(gòu)特性將會(huì)是多孔結(jié)構(gòu)型吸波材料的未來(lái)發(fā)展方向。

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[31]劉欣,薛向欣,劉宇,等．磁介質(zhì)吸波劑/多孔金屬材料吸波性能[J]．東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,29(3):354-357．

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