寬頻電磁吸波超材料的研究進(jìn)展

周 倩，師甜甜

(1.西安郵電大學(xué) 理學(xué)院,陜西 西安 710121;2.西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

隨著5G和智能電磁設(shè)備技術(shù)的快速發(fā)展，以電磁波為信息載體的各類電子設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用。電磁波在給人們生活和工作提供方便的同時，也帶來了電磁污染，信息安全等問題。高性能吸波材料可以將電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式能量消耗掉，是電磁防護(hù)的首選。開發(fā)高性能微波吸收器具有重要的科技和社會價值，已成為國內(nèi)外研究的熱點[1-3]。

通常吸波材料要滿足“薄、輕、寬、強(qiáng)”的綜合性能要求，其中寬頻吸波是設(shè)計難點[4-6]。傳統(tǒng)吸波材料是將損耗相均勻彌散于透波基體中，形成均質(zhì)的復(fù)合材料，通過材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)控電磁參數(shù)的頻散效應(yīng)，從而拓展吸波帶寬，但也僅能夠?qū)崿F(xiàn)單頻段(如X波段)的強(qiáng)吸收。開發(fā)更寬頻的吸波材料需要結(jié)合其他設(shè)計方法。

在吸波材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行宏觀的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，是拓寬吸波材料有效吸收帶寬的方法之一。多層吸波材料主要包括Salisbury屏型[7]、Jaumann型[8]和阻抗?jié)u變型[9-10]等3種類型。Salisbury屏吸波材料僅能實現(xiàn)特定頻率處的電磁波強(qiáng)吸收，屬于窄頻吸波材料。Jaumann吸波材料是Salisbury屏的多層拓展，能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻吸波但材料厚度較大，限制了其實際應(yīng)用。阻抗?jié)u變吸波材料將不同電磁參數(shù)的材料進(jìn)行多層組合，通過優(yōu)化阻抗匹配性能和引入多重電磁干涉作用，能夠在較小厚度下實現(xiàn)寬頻吸波性能[11]，但其對吸波帶寬的拓展作用有限，仍然難以實現(xiàn)更寬頻，如2 GHz～18 GHz的電磁波強(qiáng)吸收。

超材料是一系列可通過亞波長的周期性結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)控電磁波的新型人工材料，全新的電磁性能設(shè)計理念為高性能吸波材料的研制提供了新的思路[12-14]。常見吸波超材料包括二維周期性表面，即頻率選擇表面(Frequency Selective Surface,FSS)型和三維周期性結(jié)構(gòu)型兩大類，均在寬頻吸波領(lǐng)域表現(xiàn)出了極大優(yōu)勢。該研究將在介紹電磁吸波超材料的原理和設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，簡要綜述寬頻電磁吸波超材料的研究進(jìn)展，重點對二維FSS型和三維結(jié)構(gòu)型兩類吸波超材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 電磁吸波超材料

1.1 吸波原理

吸波材料是指能夠吸收和衰減入射電磁波，并將電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能或其它形式能量耗散掉，或是將電磁波干涉相消掉的一類材料。電磁波與吸波材料的相互作用包括反射、吸收和透射等3個物理過程。通常采用反射損耗(Reflection Loss,RL)即反射電磁波與入射電磁波能量的比值來描述和衡量材料的吸波性能[15]，反射損耗的計算表達(dá)式為

式中，PR和PI分別表示反射電磁波能量和入射電磁波能量。RL值越小表示反射電磁波越少，吸收電磁波越多，吸波材料的性能越好，當(dāng)RL<-10 dB時，大于90%的電磁波能量被衰減和吸收。因此，將RL<-10 dB對應(yīng)的頻率寬度稱為有效吸收帶寬。

理想的吸波材料需同時滿足阻抗匹配和衰減兩個基本原則[16]。材料表層和空氣的阻抗匹配，能夠減少電磁波反射，此時，進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波迅速被損耗，以增加電磁波吸收。

1.2 設(shè)計方法

電磁吸波超材料的設(shè)計方法是一種多尺度問題。吸波超材料的各組元由不同電磁性能的材料組成，可以通過微結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計調(diào)控。吸波超材料的周期性結(jié)構(gòu)屬于宏觀尺度，可以通過調(diào)整幾何結(jié)構(gòu)單元的尺寸來優(yōu)化寬頻吸波性能。采用從微觀到宏觀的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計方法才能實現(xiàn)吸波材料的超寬頻吸收性能。

2 二維FSS型電磁吸波超材料

二維FSS型吸波超材料是由介質(zhì)基板和附著于介質(zhì)基板上的周期性表面復(fù)合而成，包括多層FSS表面和多層介質(zhì)基板的復(fù)合。其結(jié)構(gòu)形式可以簡單理解為將Salisbury屏和Jaumann吸波材料中的電阻層替換成周期性FSS表面。按照FSS組元的材料類型可將FSS型吸波超材料分為金屬型[17-20]、電阻膜型[21-26]和纖維型[27-29]等3種類型。不同F(xiàn)SS型吸波超材料的分類及特征如表1所示。

表1 FSS型吸波超材料的分類及特征

金屬型是研究最早的FSS型吸波超材料，具有諧振式的窄頻吸波特點，通常不具有寬頻吸波性能。目前，電阻膜型吸波超材料中電阻膜所采用的的材料主要有由導(dǎo)電油墨[26,30]和石墨烯[25,31]等碳材料組成的薄膜、以聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate,PET)為基材的半導(dǎo)體氧化銦錫(Indium Tin Oxid,ITO)薄膜[21,32-33]以及導(dǎo)電聚合物薄膜[23,34]等。電阻膜型是目前研究最多的一類寬頻超材料，也是發(fā)展“薄、輕、寬、強(qiáng)”高性能吸波材料最具潛力的類型之一。雖然金屬型和碳纖維型周期表面吸波超材料一般表現(xiàn)為窄頻吸波特性，但是將其與傳統(tǒng)均質(zhì)吸波材料相結(jié)合，可獲得寬頻吸波性能優(yōu)異的吸波超材料。將分形結(jié)構(gòu)的金屬周期性表面嵌入兩層磁性吸波材料中間形成三明治吸波結(jié)構(gòu)，使得大于90%的電磁波有效吸收帶寬從9.0 GHz～12.4 GHz拓寬到8.2 GHz～12.4 GHz[35]。將頻率選擇纖維織物復(fù)合材料(Frequency Selective Fabric Composites,FSFC)與多壁碳納米管(Multi-walled Carbon Nanotubes,MWCNT)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相結(jié)合，獲得三明治結(jié)構(gòu)吸波超材料，當(dāng)厚度為3.5 mm時，實現(xiàn)了X和Ku波段，即8.2 GHz～18.0 GHz范圍大于90%電磁波有效吸收[28]。文獻(xiàn)[36]優(yōu)化設(shè)計了一種由周期性電阻膜和玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料組成的吸波超材料，并制備了相應(yīng)的機(jī)翼形狀結(jié)構(gòu)。電阻膜采用碳基導(dǎo)電材料，其面電阻為73 Ω/sq，電導(dǎo)率約為676 S/m所設(shè)計的平板吸波材料厚度為2.67 mm，在整個X波段能夠?qū)崿F(xiàn)大于90%的電磁波吸收。在微波暗室中測試了機(jī)翼形狀材料的雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section,RCS)、在兩種極化方式下X波段的RCS減小了約10 dB，證明所設(shè)計的吸波材料在隱身機(jī)上具有很大的應(yīng)用潛力。文獻(xiàn)[23]制備了導(dǎo)電聚合物型周期性表面，將其嵌入到兩層透波泡沫中，形成厚度為3.9 mm三明治吸波超材料，制備的復(fù)合材料有效吸收帶寬覆蓋整個X波段。文獻(xiàn)[37]將周期性金屬諧振環(huán)嵌入到以羰基鐵為吸波劑的磁性吸波材料中，形成三明治吸波結(jié)構(gòu)，使大于90%電磁波有效吸收帶寬從6 GHz～12 GHz拓寬到5 GHz～18 GHz，該新型吸波材料的厚度僅為1.7 mm。文獻(xiàn)[38]對于含有活性碳纖維氈周期表面結(jié)構(gòu)和垂直分布碳纖維的復(fù)合材料的吸波性能分別進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明，含有碳纖維氈周期結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料吸波性能較高，在條幅間距和條幅寬度分別為7 mm和5 mm的時，復(fù)合材料在8 GHz～18 GHz頻率范圍的能夠?qū)崿F(xiàn)大于90%的電磁波吸收。文獻(xiàn)[39]采用導(dǎo)電油墨作為周期性表面的電阻膜型吸波材料，由于周期性結(jié)構(gòu)單元之間強(qiáng)烈的耦合作用，使得復(fù)合材料的有效吸收帶寬大幅提高。吸波材料厚度分別為3 mm和4 mm時，分別在6.6 GHz～18.0 GHz和5.27 GHz～18.00 GHz頻率范圍能夠?qū)崿F(xiàn)大于90%的電磁波吸收。

電阻膜型吸波超材料具有設(shè)計參數(shù)多，寬頻吸波性能優(yōu)化空間大，制備工藝簡單等優(yōu)點，是制造寬頻吸波材料的重要方向之一。此外，由于電阻膜型吸波材料可兼具寬頻吸波和透明柔性等多功能特性，能夠用于隱身飛機(jī)窗口材料，有效改善吸波材料功能單一的問題。文獻(xiàn)[21]設(shè)計并制備的透明柔性ITO-聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC)吸波超材料，表現(xiàn)出了優(yōu)異的寬頻吸波特性和透光性。文獻(xiàn)[40]采用周期形狀鋁網(wǎng)格、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate,PET)設(shè)計了一種透明吸波超材料，其在5.8 GHz～12.2 GHz頻率范圍能夠?qū)崿F(xiàn)有效吸收，其平均透光率大于62%。文獻(xiàn)[41]研制了一種以ITO、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)和PET為組元的透明吸波超材料，實現(xiàn)了8.3 GHz～17.4 GHz范圍大于90%的電磁波吸收，透光率為77%。實際應(yīng)用中通常要求材料的透光率能夠大于80%。為了提高材料的透明度，文獻(xiàn)[42]將ITO閉環(huán)諧振單元直立嵌入有機(jī)玻璃的吸波超材料，平均透光率達(dá)到82%。

需要注意的是，電阻膜型超材料中起主要吸波作用的碳材料和聚合物在高溫下會發(fā)生分解，不能應(yīng)用于高溫環(huán)境，ITO膜因附著于PET基板上也不能應(yīng)用于高溫環(huán)境。因此，需要開發(fā)具有耐高溫特性的材料應(yīng)用于FSS型吸波超材料設(shè)計。

纖維型吸波超材料主要包括基于碳纖維和SiC纖維的超材料。目前，僅有關(guān)于碳纖維吸波超材料的研究，碳纖維與金屬相似，具有高的電導(dǎo)率，從而使得其也具有窄頻吸波特征，與金屬相比其優(yōu)點是能夠耐高溫。而SiC纖維具有電導(dǎo)率可調(diào)的優(yōu)點，可用于制備耐高溫吸波性能優(yōu)異的復(fù)合材料。目前僅有基于連續(xù)SiC纖維的三明治結(jié)構(gòu)SiCf/SiC復(fù)合材料的研究[43]。在寬頻強(qiáng)吸波方面，與連續(xù)型表面吸波材料相比，不連續(xù)的周期性超表面設(shè)計表現(xiàn)出了極大優(yōu)勢，而基于SiC的周期性超表面吸波材料目前未見有相關(guān)研究報道。纖維織物復(fù)合超材料的研究主要以碳纖維為研究對象，因為碳纖維電導(dǎo)率太高，所以需要對碳纖維進(jìn)行改性或者以碳纖維為吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計的組元之一，從而優(yōu)化吸波性能。文獻(xiàn)[44-46]創(chuàng)新性地將碳纖維置于Si3N4陶瓷中，研究了多層夾心結(jié)構(gòu)Cf/Si3N4復(fù)合材料的室溫/高溫介電特性及吸波性能。

另外，按照FSS型吸波超材料中介質(zhì)基板的材料類型還可將其分為聚合物及其復(fù)合材料型、陶瓷及其復(fù)合材料型兩類。目前研究報道中采用的介質(zhì)基板大多為聚合物及其復(fù)合材料，以商業(yè)化的環(huán)氧玻璃纖維板和聚四氟乙烯(Teflon)系列基板居多。這類材料雖然能夠獲得較寬頻的吸波特性，但是由于材料本征性能限制，大都無法實現(xiàn)高溫條件下的吸波，而針對高溫應(yīng)用的陶瓷類研究較少，陶瓷基復(fù)合材料型尚未見研究報道。因此，如何充分發(fā)揮FSS型吸波超材料的優(yōu)異特性，開發(fā)具有寬溫域特征的吸波超材料仍然需要更加深入地探索。

3 三維電磁吸波超材料

在表面周期性結(jié)構(gòu)吸波材料的基礎(chǔ)上增加設(shè)計維度，在3個維度上設(shè)計吸波超材料，可以增加寬頻吸波材料的性能優(yōu)化空間，極大地拓寬應(yīng)用。文獻(xiàn)[47]將窄頻的金屬型超表面進(jìn)行三維多層設(shè)計，實現(xiàn)了7.8 GHz～14.7 GHz寬頻范圍內(nèi)大于90%電磁波吸收。文獻(xiàn)[30]將電阻膜型碳漿薄膜直立起來形成三維超材料，其在3.9 GHz～26.2 GHz極寬頻范圍內(nèi)RL均小于-10 dB，并且吸波材料的密度只有0.062 g/cm3。將傳統(tǒng)吸波材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計與超材料的宏觀尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合，利用這種多尺度效應(yīng)能夠極大提高傳統(tǒng)吸波材料的有效吸收帶寬。文獻(xiàn)[48-50]采用傳統(tǒng)磁性吸波材料，通過將傳統(tǒng)磁性吸波材料設(shè)計成三維周期臺階結(jié)構(gòu)，材料在2 GHz～40 GHz的極寬頻范圍內(nèi)表現(xiàn)出了優(yōu)異的吸波性能。文獻(xiàn)[51]將SiCf/Si3N4復(fù)合材料設(shè)計成雙層周期臺階結(jié)構(gòu)，有效提高了材料在8 GHz～18 GHz頻率范圍的吸波效率，并實現(xiàn)了低-高頻電磁波協(xié)同強(qiáng)吸收，能夠吸收大于90%的電磁波。將電損耗型材料設(shè)計成亞波長突起的周期陣列，以實現(xiàn)對電磁波的調(diào)控，能夠在不增加材料厚度的情況下，在不同頻段產(chǎn)生多個吸收峰，從而有效拓展吸波帶寬?？梢?，通過三維周期結(jié)構(gòu)設(shè)計可以極大拓寬吸波超材料的有效吸收帶寬，是寬頻超材料設(shè)計的有效手段。

需要注意的是，雖然三維電磁吸波超材料相對于二維FSS型吸波超材料具有更好的寬頻吸波特性，但其吸波結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，且部分結(jié)構(gòu)的加工難度較大，三維結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)可能引起其力學(xué)性能的衰減，降低其使役性能。因此，如何設(shè)計出綜合性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)-功能一體化寬頻吸波材料仍需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)語

寬頻電磁吸波超材料和結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究已經(jīng)取得諸多成果，但當(dāng)應(yīng)用于復(fù)雜的環(huán)境中時，其性能仍需進(jìn)一步的提高。在未來的發(fā)展中，寬頻吸波超材料及其結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)關(guān)注以下幾個方面。

1)吸波超材料通常具有不同成分的組元，具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其吸波性能對結(jié)構(gòu)參數(shù)較為敏感，不同組元的界面對吸波超材料的承載性能會產(chǎn)生不利影響。采用高精度技術(shù)制備吸波超材料，以及獲得結(jié)構(gòu)功能一體化的吸波材料，在實現(xiàn)寬頻吸波的同時兼顧其力學(xué)性能，是未來重要的研究方向之一。

2)武器裝備中高溫部件能否隱身是限制其隱身特性的重要因素。開發(fā)耐高溫、高性能的寬頻吸波超材料，特別是能夠應(yīng)用于1 000℃以上環(huán)境的耐高溫寬頻吸波超材料，將是未來重要的研究課題。

3)現(xiàn)代武器裝備和電子設(shè)備對材料的多功能化提出了更高的要求，設(shè)計并發(fā)展能夠應(yīng)用于微波、紅外、激光頻和光頻等多頻譜兼容隱身的吸波超材料是重要的研究方向。