電磁吸波材料研究進展

曾 強，王榮超，張小蘭，彭化南，胡申萍，劉 綺

(上饒師范學院 化學與環(huán)境科學學院，上饒 334001)

隱身技術是通過改變武器裝備的可探測信息特征，使敵方的探測裝備不易發(fā)現(xiàn)或者發(fā)現(xiàn)距離縮短的一種技術手段，其主要途徑是降低武器裝備的雷達散射截面積(RCS)。目前主要有以下兩種方式可以降低武器裝備的雷達散射截面積：一是通過對武器裝備的外形進行設計，在保證性能的前提下，使其具有最小雷達散射截面積；二是在武器裝備中使用吸波材料，這種材料可以吸收和衰減進入其內(nèi)部的電磁波，并且將電磁波的能量以熱能等形式耗散掉。外形設計由于存在很多限制條件，發(fā)展的空間有限；而吸波材料沒有任何限制條件，其發(fā)展空間廣闊，因此吸波材料的應用成為隱身技術的主要研究方向。如美國的F-22﹑F-35﹑B-2以及中國的殲-10﹑殲-20等先進飛機都使用了吸波材料，并在航空領域展現(xiàn)強大優(yōu)勢。此外，5G等通訊技術的發(fā)展給我們的生產(chǎn)生活帶來便利的同時，也帶來了電磁污染、電磁干擾等問題。電磁波污染成為繼噪聲污染、水污染、空氣污染之后威脅人類的第四大公害，不僅對電子通訊設備和電子系統(tǒng)造成嚴重干擾，對信息安全造成嚴重威脅，而且給人體健康帶來很大危害。由此可見，不管是軍用還是民用，開發(fā)具有高效吸波性能的吸波材料都有巨大的應用前景。吸波材料的分類方式有很多，根據(jù)其組成與結(jié)構(gòu)可分為：磁性吸波材料、碳基吸波材料、復合型吸波材料。

1 磁性吸波材料

磁性吸波材料具有磁損耗強，成本低、制備技術門檻低等優(yōu)勢。目前，國內(nèi)外的研究者抓住磁性材料在高頻處仍有較大的磁導率這一特性，制備了一系列特定組分或者特定結(jié)構(gòu)的在高頻處有較強吸收的吸波材料，主要包括鐵氧體[1]、磁性金屬及合金納米顆粒[2]、磁性納米金屬氧化物[3]、羰基鐵[4]以及它們的混合物[5]。通過廣大研究者的努力，磁性吸波材料的吸波性能有很大的提高，但仍存在很多不足，比如磁性納米吸波粒子易團聚﹑易氧化，在低頻區(qū)吸收較差，整體吸收頻率范圍窄等。

2 碳基吸波材料

碳基吸波材料具有密度小、導電性好、抗氧化能力強、力學性能優(yōu)異等特點，因此吸引了國內(nèi)外很多研究者的關注，并進行了大量的研究工作。碳基吸波材料主要包括多孔炭[6]、碳氣凝膠[7]﹑碳纖維[8，9]、碳納米管[10]、石墨烯[11]以及它們的混合物[12]等。碳基吸波材料雖然在密度、化學穩(wěn)定性方面有較大優(yōu)勢，但其要達到較好吸波性能一般需要較大的厚度，并且在高頻處的吸收強度較弱。因此，單一的使用碳基吸波材料已經(jīng)不能滿足對現(xiàn)代吸波材料“薄、輕、寬、強”的要求。

3 復合型吸波材料

為了拓寬吸波頻率范圍，增加吸收強度，復合型吸波材料應運而生。目前，國內(nèi)外研究者把碳材料﹑磁性材料以及其它類型材料中的兩種或者多種通過不同技術手段復合到一起，形成具有多種損耗機制的復合吸波材料。這類復合吸波材料不僅保持各組分的優(yōu)點，同時還克服了單一組分的缺點，甚至產(chǎn)生各單一組分都沒有的新性能。國內(nèi)許多研究團隊對復合型吸波劑進行了深入研究，并取得了豐碩成果。西北工業(yè)大學張立同院士團隊設計制備了一系列石墨烯基吸波復合材料，如氧化鋅納米線/還原氧化石墨烯泡沫復合材料[13]、還原氧化石墨烯/Ti3C2TX泡沫復合材料[14]、石墨烯/Si3N4多孔復合材料[15]等。研究發(fā)現(xiàn)，這類復合材料獨特的結(jié)構(gòu)不僅有效地降低了石墨烯的團聚和復合材料的密度，而且對阻抗匹配、介電損耗和內(nèi)部散射都有很大的貢獻，增強了材料的微波吸收性能。復旦大學車仁超團隊在核殼機結(jié)構(gòu)吸波復合材料的研究方面做了大量工作，他們根據(jù)介電損耗材料和磁損耗材料復合的思路制備了一系列核殼結(jié)構(gòu)吸波材料，如CoNi@SiO2@TiO2[16]、CoNi@Air@TiO2[16]、γ-Fe2O3@C[17]、γ-Fe2O3@C@α-MnO[17]、Fe3O4/PDA[18]等。這些材料既有介電損耗能力又有磁損耗能力，顯著提升了復合材料吸波性能，其有效吸收頻寬都超過了8 GHz。北京理工大學的曹茂盛團隊對高溫吸波材料進行了深入研究，設計并制備了如3D結(jié)構(gòu)的Co3O4-rGO復合材料[19]、鏈狀的鎳納米材料[20]、SiO2/MWCNTs[21]復合材料等一系列在高溫環(huán)境下依然保持優(yōu)異吸波性能的材料。Co3O4-rGO復合物在353 K-473 K溫度范圍內(nèi)的吸波性能基本沒有變化，顯示出耐高溫性能。鏈狀的鎳納米材料，在厚度為1.8 mm，溫度為373 K 時，其有效吸收頻寬覆蓋了整個X頻段。SiO2/MWCNTs復合材料在100 ℃-500 ℃溫度范圍內(nèi)，其有效吸收頻寬都覆蓋了整個X波段。南京航空航天大學的姬廣斌團隊設計制備了一系列碳基吸波材料，如Co@納米多孔碳復合材料[22]、介電常數(shù)和吸波性能可調(diào)控介孔碳空心球[23]、含核殼結(jié)構(gòu)SnS/SnO2@C的復合薄膜吸波材料[24]等，這些材料都顯示出優(yōu)異的吸波性能。其中含SnS/SnO2@C復合薄膜在厚度約為5 mm，并施加16 V電壓的情況下，在1.5 GHz-2.0 GHz頻率下的吸收值超過85%，顯示出優(yōu)異的低頻吸波性能。國外也有許多研究者做了大量工作：Yadav等[25]制備了鐵/納米石墨片/聚甲基丙烯酸甲酯(Fe/NG/PMMA)復合材料。當添加2wt%的納米石墨片時，復合材料的有效吸收頻寬達到6.3 GHz，最小反射率值為-38.8 dB。Thi等[26]通過原位預聚法制備了一種聚苯胺-吡咯共聚物/還原氧化石墨烯包覆SiO2的新型的納米復合材料，研究發(fā)現(xiàn)該復合材料的有效吸收頻寬達5.5 GHz，其吸波性能明顯優(yōu)于聚苯胺/還原氧化石墨烯包覆SiO2復合材料和聚吡咯/還原氧化石墨烯包覆SiO2復合材料。Singh等[27]通過球磨分散的方法將鋅和碳化硅混合制備Zn/SiC復合物，并研究了其吸波性能。結(jié)果顯示，當鋅的含量為6wt%，厚度為1.7 mm時，復合物的吸收頻寬為4.2 GHz。

此外，作者在前期研究工作中，從材料結(jié)構(gòu)設計出發(fā)，設計了具有空心結(jié)構(gòu)的還原氧化石墨烯微球；使用油包水與高溫煅燒兩步法相結(jié)合的自組裝技術，將磁性納米粒子引入到具有空心結(jié)構(gòu)的石墨烯微球中，成功制備了負載有不同磁性納米粒子的還原氧化石墨烯復合微球(Air@rGOCo[28]﹑Air@rGONi[29]和Air@rGOFe3O4[30])。研究發(fā)現(xiàn)：復合微球具有優(yōu)異的吸波性能，其電磁波吸收強度和有效吸收頻寬都遠大于純還原氧化石墨烯和純磁性納米粒子。Air@rGOCo復合微球在匹配厚度僅為2.2 mm達到最優(yōu)的吸波性能，有效吸收頻寬達到7.1 GHz；Air@rGONi復合微球有效吸收頻寬達到4.8 GHz，匹配厚度為2.7 mm。Air@rGOFe3O4復合微球在匹配厚度為2.8 mm時有效吸收頻寬達到7.2 GHz。

通過對國內(nèi)外相關研究成果進行系統(tǒng)分析結(jié)合作者前期研究基礎，我們發(fā)現(xiàn)：將納米碳材料和納米磁性材料通過一定復合技術制備具有特殊結(jié)構(gòu)的復合吸波材料是提升吸波材料吸波性能的有效途徑。常用的碳材料有石墨烯、碳納米管、碳纖維、炭黑等。將上述碳材料與不同的磁性納米材料復合制備的復合吸波材料的吸波性能有很大提升。

4 結(jié)構(gòu)吸波材料

雖然碳/磁復合型吸波材料有很多優(yōu)點，但是也存在許多亟待解決的問題。首先，這類吸波材料都沒有力學承載的能力，它們只能做涂覆型吸波材料；然而在實際服役中發(fā)現(xiàn)，單一涂覆型吸波材料普遍存在增加飛行器自重、與殼體粘結(jié)強度低、容易剝落或開裂、需要頻繁修復等缺點，因而在實際應用中尤其是在航空航天領域受到越來越多的限制。其次，多組分的復合型吸波材料，其協(xié)同吸波機制還不明確，不能對多組分的結(jié)構(gòu)進行設計。針對復合型吸波劑的以上缺點，結(jié)構(gòu)型吸波材料應運而生。結(jié)構(gòu)型吸波材料是在先進復合材料基礎上發(fā)展起來的，是將吸波劑分散在基體或增強材料中通過復合工藝成型的具有承載和吸收雷達波的結(jié)構(gòu)功能一體化復合材料。其優(yōu)點是可大量減輕飛行器的質(zhì)量，結(jié)構(gòu)具有可設計性，且可成型各種形狀復雜的部件，因而成為當今吸波隱身材料的主要發(fā)展方向之一。目前常見的結(jié)構(gòu)型吸波材料主要有板層結(jié)構(gòu)吸波材料[31-33]﹑夾芯結(jié)構(gòu)吸波材料[34，35]等，而夾芯結(jié)構(gòu)吸波材料吸波性能要優(yōu)于板層結(jié)構(gòu)吸波材料。Shen等[34]制備的一種纖維增強的泡沫夾芯復合材料，厚度為9.73 mm時的有效吸收頻寬達18.4 GHz。進一步分析復合材料的力學性能發(fā)現(xiàn)，在厚度為4.99 mm時，其彎曲極限載荷達768.07 N。Wang等[35]以玻璃纖維復合材料為面板，碳纖維復合材料為底板，表面涂有碳黑/環(huán)氧混合物的芳綸蜂窩為芯材制備了蜂窩夾層復合材料，并分析測試其吸波性能和機械性能。結(jié)果顯示，復合材料厚度為30 mm時，其有效吸收頻寬達16 GHz，彎曲極限載荷為5 kN。由此可見，夾層復合材料能滿足武器裝備對吸波材料耐熱等級、力學性能、寬頻吸收的要求。因此，發(fā)展具有更高耐熱等級、更高力學性能、更優(yōu)異吸波性能的夾層結(jié)構(gòu)隱身復合材料將成為研究熱點。夾芯吸波層是構(gòu)成夾層結(jié)構(gòu)吸波復合材料的主體，模仿天然蜂巢的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)由于重量輕且具有高強度和高剛度被廣泛地用作夾層結(jié)構(gòu)芯材。

5 總結(jié)與展望

磁性材料和碳材料復合制備的復合吸波材料能夠有效提升復合材料的吸波性能，但是這類吸波材料不能承載承重。于是研究者將吸波劑分散在基體或增強材料中通過復合工藝成型的具有承載和吸收雷達波的結(jié)構(gòu)功能一體化復合材料，這類結(jié)構(gòu)吸波材料雖然能夠達到“薄、輕、寬、強”的要求，但復合吸波材料中不同吸波劑對電磁波的協(xié)同損耗機理還有待進一步研究和闡述。復合吸波材料的研究有很廣闊的應用前景，研究新型結(jié)構(gòu)吸波材料能夠為實現(xiàn)飛行器向高速、輕量、隱身等方向的發(fā)展提供一種新途徑，對推動我國新一代制空型無人作戰(zhàn)飛機的研制和國防實力的進一步提升具有重要意義。