纖維增強(qiáng)樹脂基吸波復(fù)合材料的研究進(jìn)展

胡婉欣，尹洪峰，袁蝴蝶，湯 云，任小虎

（西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710055）

0 前言

隨著5G時(shí)代的到來，電子設(shè)備和無線通信技術(shù)的普遍應(yīng)用，使電磁干擾引起的問題逐漸暴露出來，電磁干擾和電磁波污染不僅會對電子設(shè)備造成嚴(yán)重干擾，還會對人體健康和環(huán)境造成危害，導(dǎo)致癌癥等疾病[1]。因此，原本用于軍事領(lǐng)域的吸波材料，如今在民事領(lǐng)域也被廣泛需要。吸波材料在軍事領(lǐng)域主要用作武器的隱身材料，在民用領(lǐng)域用來降低或阻止電器設(shè)備之間的電磁干擾，減少電磁波污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境和人類健康[2-4]。吸波材料按成型工藝可以分為涂覆型和結(jié)構(gòu)型吸波材料，涂覆型吸波材料具有制備工藝簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其存在易脫落、涂層厚、頻帶窄等問題。而結(jié)構(gòu)型吸波材料在吸波的同時(shí)承載，不僅可根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來拓寬吸收頻帶，且不增加材料的額外質(zhì)量，是今后吸波材料的研究重點(diǎn)[5]。

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中引入吸波劑制成的吸波復(fù)合材料就是一類結(jié)構(gòu)型吸波材料，纖維對樹脂基體的增強(qiáng)作用可以很好地保證材料的力學(xué)性能，材料的電磁性能可以通過引入吸波劑來調(diào)整從而獲得吸波功能[6-7]，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化。其中玻璃纖維和Kevlar纖維是理想的透波材料，常被用作結(jié)構(gòu)型吸波材料的增強(qiáng)體[8-9]。在吸波復(fù)合材料的研究中，樹脂基吸波材料因其成本低、密度低、易加工、力學(xué)性能和吸波性能可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[10]。樹脂材料一般分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂，由于熱固性樹脂優(yōu)異的力學(xué)性能和耐高溫性能，使得目前世界上對樹脂基吸波復(fù)合材料的研究中，熱固性樹脂基體的使用更為廣泛[11-12]，而熱塑性樹脂基體卻相對出現(xiàn)較少。熱塑性樹脂不僅有著可與熱固性樹脂相匹敵的力學(xué)性能，還有著冷卻后加熱還可再軟化的特性，這就使得熱塑性樹脂可重復(fù)利用，比熱固性樹脂更加節(jié)能、綠色、環(huán)保，且民用領(lǐng)域?qū)ξú牧鲜褂脺囟鹊囊蟛桓?，使熱塑性樹脂材料成為今后的研究熱點(diǎn)[13]。

1 吸波機(jī)理

1.1 電磁屏蔽機(jī)制

當(dāng)電磁波達(dá)到材料時(shí)通常會發(fā)生如圖1所示的3種情況，一部分入射電磁波在材料的表面發(fā)生反射，一部分電磁波進(jìn)入材料內(nèi)部發(fā)生多重反射以及被吸波材料所吸收，其余電磁波能夠透過材料而被傳輸。電磁屏蔽材料阻止有害電磁波的機(jī)制一般為反射或吸收。吸波材料的吸收機(jī)理主要是將入射電磁波能量轉(zhuǎn)化成熱能而耗散掉。

圖1 屏蔽機(jī)制示意圖Fig.1 Schematic of electromagnetic shielding mechanisms

吸波材料有2個(gè)吸波條件：一是要滿足阻抗匹配，即減少電磁波發(fā)生表面反射。二是實(shí)現(xiàn)最大程度上的衰減。阻抗匹配和微波衰減都和材料的電磁性能有關(guān)，材料的電性能和磁性能可由式（1）和式（2）中的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率來表征[14]。

式中εr′——復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部

εr′′——復(fù)介電常數(shù)的虛部

μr′——復(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)部

μr′′——復(fù)磁導(dǎo)率的虛部

根據(jù)傳輸線理論，將測量的材料電磁參數(shù)帶入公式，可以計(jì)算吸波材料的輸入阻抗和反射損耗，可用表達(dá)式（3）和式（4）所示[16]，一般由反射損耗來判定吸波材料的吸波性能，要使反射損耗達(dá)到-10 dB以下且頻率范圍盡可能寬，才能獲得較好的吸波性能。

式中Zin——輸入特性阻抗

Z0——自由空間阻抗，

F——電磁波頻率，GHz

d——材料厚度，mm

C——光速，m/s

RL——反射損耗，dB

1.2 吸波劑的分類及損耗機(jī)制

根據(jù)吸波材料的損耗機(jī)理可將吸波劑分為：電損耗型和磁損耗型。其中電損耗型又可分為電阻損耗型和介電損耗型。除此之外，近幾年也出現(xiàn)了一些新型吸波劑，如等離子體吸波劑[17]、手性吸波劑[18]、納米吸波劑[19-20]等。

電阻損耗型吸波材料主要通過介質(zhì)與電磁波的電場相互作用，使載流子發(fā)生移動從而引起宏觀電流，故將電磁波轉(zhuǎn)化為熱能所耗散掉。因此，材料的電導(dǎo)率是電阻損耗型吸波劑的重要性能，電導(dǎo)率越大，越有利于電磁波的消耗，但要注意當(dāng)電導(dǎo)率過大時(shí)，材料表面會產(chǎn)生趨膚效應(yīng)阻礙電磁波的進(jìn)入[21]，使電磁波被反射而不是被吸收，產(chǎn)生電磁屏蔽效果。這類吸波劑以炭黑、石墨、碳納米管和碳纖維等碳系材料為主[22]，此外還有導(dǎo)電金屬和導(dǎo)電聚合物如聚苯胺[23]、聚吡咯[24]和聚噻吩[25]等。

介電損耗型吸波材料主要是通過介質(zhì)的極化來損耗電磁波，介質(zhì)在電磁場的作用下產(chǎn)生極化（主要的極化形式有偶極子極化、空間電荷極化）的過程中會發(fā)生馳豫現(xiàn)象從而將電磁波的能量耗散掉[26]。這類吸波劑有碳化硅（SiC）[27]、鈦酸鋇（BaTiO3）[28]、二氧化鈦（TiO2）[29]等。

磁損耗型吸波材料主要是通過介質(zhì)與電磁場作用產(chǎn)生的磁損耗（磁滯損耗、渦流損耗、磁后效損耗、疇壁共振等）來消耗電磁波的能量[30]。這類吸波材料主要分為鐵氧體和磁性金屬微粉兩大類。鐵氧體按結(jié)構(gòu)類型分為尖晶石型鐵氧體、石榴石型鐵氧體、磁鉛石型鐵氧體。磁性金屬微粉有羰基鐵粉、羰基鎳粉、羰基鈷粉、鈷鎳合金粉等。

1.3 微波不同波段的劃分與應(yīng)用

微波通常是指頻率在300 MHz～30 GHz范圍內(nèi)的波[31]，迄今為止對于微波波段的定義與劃分方式有許多種，以下我們介紹一種使用較為廣泛的傳統(tǒng)波段劃分[32]。其中，軍用雷達(dá)最常使用的波段為X波段，大多數(shù)航空和海洋雷達(dá)的工作頻率在1～18 GHz以上[33]，民用領(lǐng)域電磁波頻率一般較低，在L波段以下。表1給出了微波不同波段的劃分與應(yīng)用。

表1 微波不同波段的劃分與應(yīng)用Tab.1 Division and application of different microwave bands

2 纖維增強(qiáng)樹脂基吸波復(fù)合材料的研究進(jìn)展

最早的吸波材料主要是以涂覆型吸波材料為主，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)型吸波材料逐漸被廣泛應(yīng)用。通常，結(jié)構(gòu)型吸波材料是以樹脂為基體，添加吸收劑保證其吸波功能；纖維作為增強(qiáng)體提高其力學(xué)性能，經(jīng)過復(fù)合獲得纖維增強(qiáng)樹脂基吸波復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)型吸波材料是一類典型的結(jié)構(gòu)功能一體化材料，不僅有著吸收電磁波的功能，還可以從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得材料既具有優(yōu)異的吸波性能還能保證一定的力學(xué)性能。以下從單層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)、多層夾心結(jié)構(gòu)、頻率選擇性表面以及塔型結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行介紹。

2.1 單層結(jié)構(gòu)

目前單層結(jié)構(gòu)的吸波材料主要通過改變吸波劑的種類、含量以及材料的厚度來調(diào)節(jié)材料的吸波性能。鄧京蘭等[34]以石墨粉為吸波劑，玻璃纖維（GF）為增強(qiáng)體制備了樹脂基吸波復(fù)合材料，研究了吸波劑的含量和材料的厚度對吸波性能的影響。結(jié)果表明，隨著石墨粉含量、材料厚度的增加，復(fù)合材料的最大吸收峰均向低頻移動，顯然，吸波劑的含量和材料的厚度對復(fù)合材料吸波性能有明顯的影響。其試驗(yàn)中吸波性能最好的試樣最大反射損耗為-16.8 dB，反射損耗小于-10 dB的帶寬為3 GHz。Choi等[9]研究了炭黑（CB）、碳納米管（CNT）對玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂（EP）復(fù)合材料的吸波性能和力學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)得出加入3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）CB的復(fù)合材料吸波性能最佳，其最大反射損耗約達(dá)到-21 dB，反射損耗小于-10 dB的吸收帶寬約3.6 GHz。Shin等[35]以多壁碳納米管（MWCNT）為吸波劑添加到玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中制得2 mm厚的板材，得到在12～18 GHz范圍內(nèi)最大反射損耗為-29.2 dB，反射損耗小于-10 dB的帶寬為4.91 GHz，并且擁有優(yōu)異的力學(xué)性能。彭雪偉等[36]使用了電損耗型吸波劑和磁損耗型吸波劑共同提升材料吸波性能的方式進(jìn)行研究，以羰基鐵粉（CIP）和CNT作為吸波劑，聚乙烯醇（PVA）作為基體進(jìn)行測試，結(jié)果表明，當(dāng)CNT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，在8.5 GHz處達(dá)到最大反射損耗為-50 dB，小于-10 dB的帶寬約為6.3 GHz。由此可以看出，由電損耗型與磁損耗型吸波劑共同提升材料吸波性能的方式效果非常好。Zheng等[37]制備了一種新型吸波劑FeCuNbSiB粉末，添加到玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂吸波復(fù)合材料中進(jìn)行研究，得到在2～18 GHz時(shí)最大反射損耗為-30.5 dB，小于-10 dB的帶寬為14.8 GHz。

2.2 多層結(jié)構(gòu)

單層吸波材料存在吸波頻帶的可調(diào)節(jié)性有限、吸收性能的提升空間小等問題以及力學(xué)性能較差等缺陷，從而設(shè)計(jì)出多層結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提高材料的綜合性能[38]。如圖2所示，多層結(jié)構(gòu)一般分為匹配層和吸收層，匹配層的作用主要是將材料的阻抗與自由空間的阻抗相匹配，即達(dá)到透波的效果，這樣可以在最大程度上減少入射波在材料表面的反射。吸收層則具有較強(qiáng)的吸波性能，使進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波轉(zhuǎn)化為熱能從而耗散掉[39-40]。這樣的多層結(jié)構(gòu)不僅可以大幅提升材料的吸波性能，還可以使材料的力學(xué)性能有所提升，達(dá)到結(jié)構(gòu)功能一體化的結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料。

圖2 多層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of multilayer structure

Dong等[41]設(shè)計(jì)并制備了含量為5.5%和15%的CB填充的石英玻璃纖維增強(qiáng)聚酰亞胺（PI/SiO2f）復(fù)合材料，結(jié)果表明，在相同厚度下，雙層復(fù)合材料的吸波性能優(yōu)于單層復(fù)合材料。且當(dāng)5.5%CB摻雜PI/SiO2f復(fù)合材料作為厚度為0.7 mm的匹配層和15%CB摻雜PI/SiO2f復(fù)合材料作為厚度為0.9 mm的吸收層，其最大反射損耗達(dá)到-46.18 dB，反射損耗小于-10 dB的帶寬為 3.95 GHz。Chen等[16]以厚度為0.2 mm 的0.5% MWCNT摻雜玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料作為匹配層，厚度為1.6 mm的40% Fe3O4NPs摻雜玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料作為吸收層，結(jié)果表明，其最大反射損耗為-45.7 dB，且在全X波段有效吸波。姚斌等[42]設(shè)計(jì)了1層匹配層和2層吸波層的3層復(fù)合材料，以玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料為匹配層，第二層為短切碳纖維（CF）摻雜的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，底層為圓形縫隙活性炭氈電路屏（ACFFS）摻雜的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。結(jié)果表明，其最大反射損耗達(dá)到-38.54 dB，有效吸收（反射損耗小于-10 dB）帶寬為11.33 GHz。Eun等[43]設(shè)計(jì)并制備了一種表層為玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，吸收層為MWCNT添加的環(huán)氧樹脂/玻璃纖維3層復(fù)合層合板、4層復(fù)合層合板和7層復(fù)合層合板組合在一起的多層吸波復(fù)合材料，并研究了分層對材料吸波性能的影響，其中不分層的結(jié)構(gòu)吸波效果最佳，最大反射損耗達(dá)到-61.9 GHz，且在X波段全段有效吸收。Gao等[44]設(shè)計(jì)了一種交替多層結(jié)構(gòu)，MWCNT連續(xù)平行分布在聚氯乙烯（PVC）基體的層狀空間中。結(jié)果顯示，在相同MWCNT含量下，交替層狀樣品在-10 dB以下的吸收帶寬和最大反射損耗均高于常規(guī)混合樣品，且隨層數(shù)的增加而增加。其中8層交替排列的結(jié)構(gòu)試樣的最大反射損耗達(dá)到-30.6 dB，有效吸收帶寬為3 GHz。

綜上所示，相比于單層結(jié)構(gòu)的吸波材料，雙層結(jié)構(gòu)使材料的最大反射損耗絕對值更大，有效吸收帶寬更寬，吸波性能更優(yōu)異。另外，雙層結(jié)構(gòu)還可以降低復(fù)合材料的密度，并且在一定程度上使材料的力學(xué)性能也得到了提升。

2.3 多層夾心結(jié)構(gòu)

多層夾心結(jié)構(gòu)是在多層結(jié)構(gòu)材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對中間層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這種夾心型結(jié)構(gòu)又被稱為“三明治”結(jié)構(gòu)[45]。夾心型結(jié)構(gòu)通常是采用透波性能較好的復(fù)合材料作為面板，夾心采用特殊的損耗結(jié)構(gòu)以提高材料的吸波性能[46]，如蜂窩芯、泡沫芯、波紋芯、晶格芯等。相較于簡單的多層結(jié)構(gòu)，多層夾心型結(jié)構(gòu)可以通過吸收劑和幾何結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)更進(jìn)一步地提升材料的吸波性能和力學(xué)性能，并且能夠減輕多層材料的整體質(zhì)量，可調(diào)節(jié)性也有了大幅提升[47-48]。

2.3.1 蜂窩芯結(jié)構(gòu)

此類材料的夾心結(jié)構(gòu)采取蜂窩的形狀，一般會在蜂窩芯的表面涂覆吸波材料涂層或者直接使用吸波復(fù)合材料制作的蜂窩芯結(jié)構(gòu)作為夾心層，可以通過調(diào)節(jié)蜂窩結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)來獲取更好的吸波效果[49]。蜂窩芯結(jié)構(gòu)一般會占用較大的空間，但材料的力學(xué)性能相對較好。

Choi等[50]采用了環(huán)氧樹脂/玻璃纖維復(fù)合材料薄層作為多層夾心結(jié)構(gòu)的面板材料，蜂窩芯由MWCNT添加的環(huán)氧樹脂/玻璃纖維復(fù)合材料制成。研究結(jié)果表明，在蜂窩結(jié)構(gòu)中，入射電磁波的有效厚度變得非常大，且吸收帶寬增大。從圖3（a）可以看出，樣品在3～16 GHz范圍內(nèi)全滿足小于-10 dB的吸波性能，且最大反射損耗達(dá)到約-36 dB。Huang等[51]采用真空袋技術(shù)[圖3（b）]制備了羰基鐵顆粒（CI）與MWCNT添加的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的蜂窩結(jié)構(gòu)，面板采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂，底板采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂。對蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后的研究結(jié)果表明，小于-10 dB的帶寬為18.37 GHz，最大反射損耗約-46 dB，且此樣品的力學(xué)性能也十分優(yōu)異。Kwak等[52]通過化學(xué)鍍鎳的方法對玻璃纖維的電磁性能進(jìn)行了改進(jìn)，制備了以環(huán)氧樹脂為基體的蜂窩芯結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料。與傳統(tǒng)的蜂窩芯結(jié)構(gòu)不同，該方法不加入導(dǎo)電顆?；蚪饘俅判晕⒎?，僅以鍍鎳?yán)w維來提升材料的吸波性能。結(jié)果表明，由圖3（c）可以看出，在5.8～18 GHz范圍內(nèi)反射損耗均小于-10 dB，最大反射損耗約為-29 dB，表現(xiàn)出良好的吸波性能。

圖3 蜂窩芯結(jié)構(gòu)的制備方法和測試結(jié)果Fig.3 Preparation method and test results of honeycomb core structure

2.3.2 泡沫芯結(jié)構(gòu)

此類材料的夾心層一般采用輕質(zhì)、低密度泡沫作為填充材料，此結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為質(zhì)量輕、材料的有效吸收帶寬較寬。泡沫層不但減輕了材料的整體質(zhì)量，還起著調(diào)節(jié)材料的表面阻抗的功能，使得材料的有效帶寬增大。通常結(jié)合其他夾心結(jié)構(gòu)共同作用，在減輕質(zhì)量的同時(shí)使材料的吸波性能大幅提升。

Choi等[53]采用玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）、泡沫層以及鍍鎳玻璃纖維層（NCF）制備出如圖4（a）所示的夾心結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料。由圖4（b）可以看出，在6.5～17.5 GHz范圍內(nèi)均滿足小于-10 dB的有效吸收，最大反射損耗約為-24 dB。這充分說明泡沫層的加入不僅起到了減輕質(zhì)量的作用，同時(shí)也擴(kuò)寬了材料的有效吸收帶寬，進(jìn)而增強(qiáng)了材料的吸波性能。Choi等[54]以MWCNT添加環(huán)氧樹脂/玻璃纖維復(fù)合材料作為面板和底板，低密度/輕質(zhì)泡沫作為夾心。如圖4（c）黑線所示，經(jīng)過對C～X波段的目標(biāo)設(shè)計(jì)，可得到全段的有效吸收，且C波段的最大反射損耗為-16.4 dB，X波段的最大反射損耗為-25 dB。又對X～Ku波段進(jìn)行了目標(biāo)設(shè)計(jì)，如圖4（c）紅線所示，也可達(dá)到全段有效吸收，Ku波段的最大反射損耗為-25.7 dB。Wang等[55]采用玻璃纖維和碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂，聚氯乙烯泡沫和頻率選擇性表面作為夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，如圖4（d）左所示，該結(jié)構(gòu)小于-15 dB的帶寬為14 GHz，最大反射損耗約為-30 dB，且隨著厚度的增加，如圖4（d）右所示，在小于-10 dB的帶寬可達(dá)到約16 GHz，最大反射損耗約為-18 dB。

圖4 泡沫芯結(jié)構(gòu)的示意圖和測試結(jié)果Fig.4 Schematic and test results of the foam core structure

2.3.3 波紋芯結(jié)構(gòu)

此類材料的制作方式和蜂窩結(jié)構(gòu)類似，一般在波紋結(jié)構(gòu)表面涂覆吸波材料涂層或直接采用吸波復(fù)合材料制成波紋板結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)波紋結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)來調(diào)整材料的吸波性能，由于波紋板的特殊結(jié)構(gòu)，可使電磁波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生多次吸收，達(dá)到較好的吸波效果。此結(jié)構(gòu)可與泡沫芯結(jié)構(gòu)相結(jié)合，將輕質(zhì)泡沫材料填充在波紋板間空隙處，以此減輕質(zhì)量同時(shí)調(diào)節(jié)材料的表面阻抗，從而獲得更好的吸波效果。

Jiang等[56]設(shè)計(jì)了如圖5（a）所示的環(huán)氧樹脂/玻璃纖維和魚骨形銅絲制成的復(fù)合波紋板，以及聚甲基丙烯酸酯（PMI）泡沫填充通道的吸收/傳輸復(fù)合材料，結(jié)果表明，該方案可實(shí)現(xiàn)傳輸帶（8.96～12.45 GHz）以下的寬帶吸收（5.74～7.84 GHz），吸收率和透射率均大于80%，且泡沫的加入明顯改善了結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，得到了吸波性能與力學(xué)性能都優(yōu)異的復(fù)合材料。Huang等[57]以苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯（SEBS）和炭黑、石墨等材料制備了一種周期性波紋結(jié)構(gòu)并帶有表面薄層電阻的吸波復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的反射損耗峰值和吸收帶寬均由波紋結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和表面薄層電阻決定。如圖5（b）所示，幾何參數(shù)w影響峰值的大小和位置；h增加時(shí)，吸收峰將向低頻移動；d增加而其他幾何參數(shù)不變時(shí)，吸收峰將向低頻移動。隨著薄層電阻的增加，吸收峰逐漸清晰，電阻在2 200 Ω/sq時(shí)，出現(xiàn)最大峰值達(dá)-41.92 dB。最終，經(jīng)過研究及測試得到小于-10 dB的吸收帶寬達(dá)到15.69 GHz。

圖5 波紋板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of corrugated plate structure

2.3.4 晶格芯

此類材料的夾心層一般為吸波性能較好的材料所制作的損耗晶格結(jié)構(gòu)，再與力學(xué)性能較好的面板作為外層所復(fù)合而成。通過損耗晶格不同的晶格形狀與排列來調(diào)整材料的吸波性能。常與泡沫芯結(jié)構(gòu)相結(jié)合共同提升材料的吸波性能和力學(xué)性能。

Zheng等[58]設(shè)計(jì)了如圖6所示的兩種形式的晶格結(jié)構(gòu)，并用泡沫材料填充其中。測試分析了其吸波性能和力學(xué)性能，并研究了面板厚度和單元尺寸對吸波性能的影響。研究結(jié)果表明，此設(shè)計(jì)在超輕狀態(tài)下不僅表現(xiàn)出優(yōu)異的吸波性能還表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。隨單元厚度的增加和尺寸的增大，吸波性能也會提高，面板的厚度和單元尺寸決定了吸波強(qiáng)度和力學(xué)強(qiáng)度。Huang等[59]采用MWCNT和球形羰基鐵顆粒組成的納米損耗復(fù)合材料制備了損耗晶格，面板采用玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合層合板，底板采用碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合層合板，制成了有損晶格夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在3.5 mm厚度下，吸收帶寬為16.31 GHz，最大反射損耗為-34 dB。且此結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能測試結(jié)果表明，該晶格組元經(jīng)歷了較長的塑性變形過程。

圖6 方形和籠目狀晶格結(jié)構(gòu)示意圖[58]Fig.6 Schematic diagram of square and Kagome absorbing lattice[58]

2.3.5 特殊夾芯

多層夾心結(jié)構(gòu)已經(jīng)在吸波復(fù)合材料中廣泛研究，除了上述介紹的幾種常見的夾芯結(jié)構(gòu)外，還有一些特殊的夾芯形式，也對材料的吸波性能有較大的提升。Choi等[60]設(shè)計(jì)了一種3層吸波復(fù)合材料，上下兩層是由MWCNT分散的EP/GF復(fù)合材料組成，中間層為MWCNT分散的EP/棉織物電阻薄層。棉織物薄層主要的作用是通過匹配上下兩層的阻抗來拓寬吸收帶寬，上下兩層則是通過玻璃纖維來提供結(jié)構(gòu)和力學(xué)支撐。研究結(jié)果顯示，此夾芯結(jié)構(gòu)的有效吸收帶寬為4.7～13.7 GHz。Rojas等[61]通過將巴克紙（BP）裁剪成如圖7所示的矩形條（RS）和鋸齒條（SES）的形式作為夾芯層，并且采用橫向與縱向的交替排列方式與EP/GF進(jìn)行層疊，設(shè)計(jì)了多層夾芯結(jié)構(gòu)來提高材料的吸波性能和力學(xué)性能。研究結(jié)果表明，采用矩形條形式的層壓板有效吸收帶寬為8.2～10.8 GHz，采用鋸齒條形式的層壓板最大反射損耗可達(dá)-41.04 dB。

圖7 矩形條和鋸齒條巴克紙多層夾心結(jié)構(gòu)Fig.7 Rectangular and serrated buckypaper multilayer sandwich construction

2.4 頻率選擇表面（FSS）

當(dāng)平面單元周期性排列并平行于結(jié)構(gòu)面時(shí)，該周期陣列稱為FSS[62-63]，通常由高導(dǎo)電性材料（如金屬和電阻薄片）制成周期圖案，通過計(jì)算機(jī)軟件模擬可以設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)膱D案大小、結(jié)構(gòu)及排列位置等幾何參數(shù)，從而更好地用來反射、發(fā)射或吸收微波能量[64-65]。這類吸波材料相對較薄，但力學(xué)性能比不加入FSS的材料有所減弱[66-67]，目前由于FSS表現(xiàn)出的優(yōu)異吸波性能，采用FSS形式的吸波材料研究越來越多，所以改善其力學(xué)性能也有待進(jìn)一步的研究。

Ye等[68]在兩層環(huán)氧樹脂/玻璃纖維復(fù)合層合板之間夾一層還原氧化石墨烯（RGO）薄膜作為FSS（圖8）。在厚度為3.2 mm時(shí)，整個(gè)X和Ku波段的反射損耗均小于-10 dB，最大反射損耗為-32 dB，由此反映出FSS不僅結(jié)構(gòu)簡單并且表現(xiàn)出良好的吸波性能。Wang等[69]設(shè)計(jì)了一種由玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料和兩層FSS組成的吸波材料，結(jié)果表明，兩層FSS導(dǎo)致出現(xiàn)雙吸收峰，吸收帶寬大幅拓寬，在X和Ku波段達(dá)到全段有效吸波，最大反射損耗約為-27 dB。Li等[70]設(shè)計(jì)制作了一種集成電阻FSS的吸波復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在5 mm厚的吸波復(fù)合材料中插入一層阻性FSS，可產(chǎn)生90%的吸收帶寬約11.8 GHz，在10 mm厚的夾層結(jié)構(gòu)中，吸收帶寬可擴(kuò)展至近13 GHz。Daniel等[71]通過在鎳化的碳纖維織布中插入不同形狀的周期性孔作為FSS進(jìn)行吸波性能的測試。結(jié)果表明，圓形單元和方形單元的吸波效果最好，圓形單元在12.2GHz時(shí)最大吸收達(dá)到89.8%，方形單元在12.3GHz時(shí)最大吸收達(dá)82.8%。

圖8 FSS夾層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of FSS sandwich structure

2.5 塔型結(jié)構(gòu)

此類結(jié)構(gòu)的外形類似“塔”的形狀，塔型結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是可對斜入射的電磁波進(jìn)行吸收，由于塔型結(jié)構(gòu)的側(cè)面是具有梯度的子結(jié)構(gòu)，子結(jié)構(gòu)會將電磁波發(fā)生多次反射，不同角度的入射電磁波也可以很好地進(jìn)行衰減。

Chen等[72]采用3D打印技術(shù)制作了如圖9（a）所示金字塔形狀的吸收體結(jié)構(gòu)，選用成型較快的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）為基體材料，碳材料為吸收材料。結(jié)果表明，金字塔形結(jié)構(gòu)在5.3～18 GHz的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了有效吸收。此外，金字塔形結(jié)構(gòu)在較大的入射角內(nèi)還可以保持其吸收帶寬。Liu等[73]也通過3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一款如圖9（b）所示的塔式結(jié)構(gòu)，采用CIPs和聚乳酸（PLA）為材料，研究了該結(jié)構(gòu)在不同填充率下的吸收效果，以及該結(jié)構(gòu)與簡單金字塔結(jié)構(gòu)在不同微波入射角度下的吸收性能對比。結(jié)果表明，當(dāng)填充率為70%時(shí)，有效吸收頻帶為12.9～18 GHz；填充率為100%時(shí)，有效吸收頻帶為9.5～19 GHz。當(dāng)微波入射角度大于70°時(shí)，該結(jié)構(gòu)比簡單金字塔結(jié)構(gòu)吸收性能更好。

圖9 金字塔形與塔形結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of Pyramid structure and tower structure

表2對提到的不同結(jié)構(gòu)的吸波復(fù)合材料的吸波性能進(jìn)行了對比總結(jié)，通過反射損耗和有效吸收帶寬可以看出，單層吸波復(fù)合材料主要通過不同種類的吸波劑來提升吸波性能，其中介電損耗型吸波劑與磁損耗型吸波劑共同使用會大幅提升材料的吸波效果，并且還能有設(shè)計(jì)性地調(diào)節(jié)峰值位置以及有效帶寬。多層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料從阻抗匹配和微波吸收兩方面入手顯著提升了材料的吸波性能。多層夾心結(jié)構(gòu)在多層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使用了不同結(jié)構(gòu)類型作為夾芯，如蜂窩結(jié)構(gòu)、泡沫結(jié)構(gòu)、波紋結(jié)構(gòu)和晶格結(jié)構(gòu)等，利用這些特殊結(jié)構(gòu)使微波發(fā)生多次吸收，可達(dá)到更好地吸波效果。多層結(jié)構(gòu)和多層夾心結(jié)構(gòu)還可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善材料的力學(xué)性能。FSS設(shè)計(jì)是目前較為新穎且吸波效果較好的一種形式，結(jié)構(gòu)簡單、制作簡便，可調(diào)節(jié)性等優(yōu)點(diǎn)使其成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)，但要注意其力學(xué)性能的下降。金字塔結(jié)構(gòu)可以吸收不同入射角度的電磁波，但其占用空間比較大且制備方法有局限。不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如表3所示。

表2 不同結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的吸波性能對比Tab.2 Comparison of absorbing properties of absorbing composite materials with different structures

表3 不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.3 Advantages and disadvantages of different structures

3 纖維增強(qiáng)樹脂基吸波復(fù)合材料的應(yīng)用

自20世紀(jì)70年代起，纖維增強(qiáng)樹脂基吸波復(fù)合材料逐漸開始應(yīng)用于軍事的隱身技術(shù)。最早應(yīng)用于飛機(jī)隱身材料的纖維是碳纖維，在樹脂基中加入碳纖維不僅可以代替金屬材料作為承力結(jié)構(gòu)，還由于碳纖維自身具有很好的吸波效果，在1988年美國首次公開的B-2隱身轟炸機(jī)中被人們所悉知。經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)，將不同纖維通過一定的混雜比例進(jìn)行混雜，得到的混雜纖維與樹脂基復(fù)合后有更高的強(qiáng)度和韌性，ATF戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)身和機(jī)翼均采用了異型碳纖維和聚醚醚酮（PEEK）纖維的混雜纖維與PEEK樹脂基復(fù)合的吸波復(fù)合材料[74]。玻璃纖維透波性好、力學(xué)性能優(yōu)異，且價(jià)格實(shí)惠，因此也被廣泛應(yīng)用于軍事隱身材料，如美國的ASM-1導(dǎo)彈、SRAM短程攻擊導(dǎo)彈的導(dǎo)彈殼體均采用了電磁損耗吸收劑添加的短切纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂吸波復(fù)合材料。多層結(jié)構(gòu)和多層夾心結(jié)構(gòu)也廣泛應(yīng)用于軍事隱身材料，俄羅斯20380號護(hù)衛(wèi)艦采用了兩層玻璃纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料面板和一層碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料中間層組成[75]。美國B-2轟炸機(jī)的機(jī)翼蒙皮采用了蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，Kevlar纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂作為復(fù)合面板，夾芯為Namex蜂窩夾芯，底板為石墨增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。美國F-117A、B-2、F-22等型號的戰(zhàn)機(jī)也采用了泡沫夾芯結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)樹脂基吸波復(fù)合材料如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軍事隱身材料，并且民事領(lǐng)域中對有害的電磁波防護(hù)也有很大的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

近些年來，隨著科技的不斷發(fā)展，吸波材料的應(yīng)用越來越廣泛，目前首要的問題還是增強(qiáng)材料的吸波性能，使其達(dá)到“薄、輕、強(qiáng)、寬”的要求。其中，纖維增強(qiáng)樹脂基吸波復(fù)合材料取得了巨大的進(jìn)展，一般來說，吸波劑是復(fù)合材料吸波性能的關(guān)鍵，有電損耗型吸波劑、磁損耗型吸波劑以及二者結(jié)合添加的方式來賦予復(fù)合材料更好地吸波性能。然而，若僅靠吸波劑來調(diào)節(jié)材料的吸波性能已經(jīng)不能滿足需求了，因此材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為當(dāng)今吸波復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)，已經(jīng)設(shè)計(jì)出多層結(jié)構(gòu)、多層夾心結(jié)構(gòu)以及FSS等。但目前還存在以下幾個(gè)問題：（1）目前的最新研究大多集中在樹脂基吸波復(fù)合材料的吸波性能上，但其制備方法的局限性以及其他性能的調(diào)節(jié)都值得研究。例如，作為結(jié)構(gòu)型的吸波材料，其承載能力也是重要的性能之一，因此材料必須具有較好的力學(xué)性能。此外，還需要考慮到吸波材料設(shè)計(jì)的成本、厚度、耐腐蝕性能等因素。（2）全世界現(xiàn)階段對于樹脂基吸波復(fù)合材料的研究大多為熱固性樹脂基體，關(guān)于熱塑性樹脂基吸波復(fù)合材料的研究相對較少，但隨著吸波材料應(yīng)用范圍的逐漸拓寬，并且利用熱塑性樹脂可重復(fù)利用的特性可以響應(yīng)綠色節(jié)能環(huán)保的理念，熱塑性樹脂應(yīng)該成為今后的研究重點(diǎn)。（3）復(fù)合材料的吸波性能不僅僅靠吸波劑來提升吸波效果，還要結(jié)合材料的特殊結(jié)構(gòu)共同提升吸波性能。本文綜合介紹了目前研究較多的幾種結(jié)構(gòu)，今后還可以優(yōu)化設(shè)計(jì)出多種結(jié)構(gòu)組合的形式，如泡沫芯與折疊芯、蜂窩芯的結(jié)合，可以獲取更好的阻抗匹配特性和吸波性能。（4）FSS形式不僅結(jié)構(gòu)簡單、制備簡便、且其吸波性能的可調(diào)節(jié)性使材料的吸波性能十分優(yōu)異，是如今科研人員的研究熱點(diǎn)，但其存在材料的力學(xué)性能比不加入FSS的材料有所下降的問題，這應(yīng)該得到重視，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料就可以解決這個(gè)問題，加入透波性能較好的纖維增強(qiáng)體進(jìn)行力學(xué)增強(qiáng)，既不影響材料的吸波性能，還能提升其的力學(xué)性能。