雷達吸波材料研究進展

劉曉明，華宇晨，傅遠翔，孫楊陽，余欣燃，楊在清，王 強

(東北大學(xué) 材料電磁過程研究教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

1 前 言

隨著雷達探測技術(shù)的日新月異與各種新型雷達的不斷問世，武器裝備面臨著嚴峻挑戰(zhàn)[1]。面對逐步完善的雷達探測系統(tǒng)以及日益激烈的國際軍事競爭，如何使軍事武器有效躲避雷達探測實現(xiàn)隱身功能成為當下的研究熱點。實現(xiàn)隱身功能首先要縮小被探測物體的雷達散射截面(radar cross section，RCS)，而縮小雷達散射截面就必須降低雷達接收功率與發(fā)射功率的比值，即降低雷達的回波強度。目前，降低目標物體雷達回波強度的幾種方法分別為隱身外形設(shè)計[2]、等離子體隱身技術(shù)[3，4]、吸波材料設(shè)計[5-7]等。隱身外形設(shè)計的目的在于盡可能避免雷達探測方向上由于物體結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的強反射點，但結(jié)構(gòu)的變化會損失飛行器等一些武器裝備的氣動性能，降低其實際作戰(zhàn)能力。等離子體隱身技術(shù)是在物體表面形成等離子云，通過電磁波與等離子云內(nèi)部的等離子體相互作用來實現(xiàn)隱身效果，但等離子體的不穩(wěn)定性導(dǎo)致它在惡劣環(huán)境下的隱身效果較差。吸波材料能夠?qū)⑷肷潆姶挪ㄎ詹⒃诓牧蟽?nèi)部轉(zhuǎn)換成熱能等其他形式的能量，減小雷達回波強度的同時縮小雷達散射截面面積。由于絕大多數(shù)航空或海上雷達的工作頻率區(qū)間為1～18 GHz，所以對雷達吸波材料的研究大多聚焦于此頻率范圍，希望在此頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)雷達吸波材料“薄、輕、寬、強”的性能[8]。其中“薄”和“輕”指電磁波在厚度盡可能薄、密度盡可能小的材料中被吸收，“寬”和“強”指材料對電磁波的吸收頻帶盡可能寬、吸收強度盡可能大。集上述四大性能于一體是當今吸波材料研究領(lǐng)域的難點。研究最廣泛的傳統(tǒng)吸波材料通常由基體材料和吸收劑組成，受制于吸收劑的電磁參數(shù)及頻散特性導(dǎo)致其吸波性能難以進一步突破。超材料作為一類具有天然常規(guī)材料所不具備的超常物理特性的人工材料，通過人工設(shè)計超材料結(jié)構(gòu)來調(diào)控其等效電磁參數(shù)，可使它在吸波性能上有所突破的同時具有吸波頻帶可調(diào)、可以作為結(jié)構(gòu)件承受載荷的優(yōu)點，為吸波材料的設(shè)計打開了新的大門。本文按照雷達吸波材料的發(fā)展歷程，歸納總結(jié)了傳統(tǒng)吸波材料、吸波超材料、傳統(tǒng)吸波材料和吸波超材料的融合3類吸波材料，分析它們的吸波機理和研究進展，并展望了吸波材料的未來發(fā)展趨勢。

2 傳統(tǒng)吸波材料

傳統(tǒng)吸波材料是基于材料本身的電磁特性，將入射的電磁波能量轉(zhuǎn)換為熱能等其他形式的能量，從而達到吸收電磁波的目的。傳統(tǒng)吸波材料一般由基體材料和吸收劑組成[9]，按其電磁波損耗衰減機制的不同可以分為電阻損耗型吸波材料、電介質(zhì)損耗型吸波材料和磁損耗型吸波材料[6，10，11]。

2.1 電阻損耗型吸波材料

電阻損耗型吸波材料可以在變化的電場中產(chǎn)生感應(yīng)電流或在變化的磁場中產(chǎn)生渦流，將電磁波能量轉(zhuǎn)換為熱能[4]。吸波材料的電導(dǎo)率越高，其載流子引起的宏觀電流越大，越有利于將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能。電阻損耗型吸波材料通常由電導(dǎo)率較高的材料構(gòu)成，常見構(gòu)成材料包括石墨烯[12-21]、碳納米管[22-32]、導(dǎo)電高分子[33-35]等。

石墨烯是一種新型碳材料，由于具有獨特的平面結(jié)構(gòu)、介電損耗高、耐腐蝕、密度低、比表面積大、殘余缺陷和含氧基團多等優(yōu)點，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前，國內(nèi)外關(guān)于石墨烯吸波材料的研究成果較多，主要通過還原氧化石墨烯(RGO)和蜂窩狀石墨烯泡沫來改善石墨烯吸波材料的吸波性能。Bhattacharyya等[19]通過微波控制技術(shù)對原始氧化石墨烯(GO)和經(jīng)過不同時間微波處理的氧化石墨烯(GOn)中的缺陷進行重構(gòu)從而獲得了較為優(yōu)異的寬帶吸收特性，如圖1a～1d所示。GO20材料在4～15 GHz頻率范圍內(nèi)的吸收率高達96%，帶寬超過9 GHz，實現(xiàn)了寬頻雷達吸收功能，如圖1e所示。Shen等[20]將氧化石墨烯薄膜制備成蜂窩狀石墨烯泡沫，該石墨烯泡沫在8.2～59.6 GHz頻率范圍內(nèi)的反射損耗均低于-10 dB，其雷達吸波性能比石墨烯薄膜更優(yōu)異，實現(xiàn)了對電磁波的寬頻吸收與屏蔽[21]。

圖1 石墨烯吸波材料的形態(tài)、結(jié)構(gòu)及吸波性能[19]：原始氧化石墨烯(GO)的形態(tài)和結(jié)構(gòu)(a)；經(jīng)微波處理的氧化石墨烯 GO5(b)、GO10(c)和GO20(d)的形態(tài)和結(jié)構(gòu)；GO和微波處理的GOn樣品涂層的吸收率(e)Fig.1 Graphene-absorbent material morphology structure and absorbent properties[19]：morphology and structure of original graphene oxide (GO)(a)；morphology and structure of microwave treated graphene oxide GO5 (b)，GO10 (c)and GO20 (d)；absorptivity of GO and various microwave treated GOn sample coatings(e)

碳納米管結(jié)構(gòu)直徑(1～100 nm)遠小于雷達波波長(1～10 000 mm)，且其電阻損耗正切角大、頻帶兼容性強[22]、熱穩(wěn)定性好、比表面積高。隨著表面原子比例的升高，高比表面積的碳納米管形成了大量晶格缺陷及表面懸掛鍵，促進了界面極化和多重散射，從而有效衰減了入射電磁波能量，達到了吸收電磁波的目的。因此，碳納米管吸波材料對雷達波的吸收性能比普通吸波材料更加優(yōu)異[22-24]。目前，主要通過原位聚合法、電弧放電法等方法制備碳納米管吸波材料。Wang等[31]采用原位聚合法合成碳納米管/聚苯胺雜化材料，通過控制碳納米管壁的解壓實現(xiàn)了傳統(tǒng)吸波材料在“薄、輕、寬、強”方面的突破，涂層的厚度僅為2.4 mm，有效吸波帶寬達5.6 GHz，在12.0 GHz時最小反射損耗值達到-45.7 dB。賀可強等[32]將利用電弧法制得的含鐵單壁碳納米管與鐵氧體混合制備了具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的碳納米管/鐵氧體復(fù)合吸波材料，該吸波材料反射損耗小于-10 dB的頻帶寬度可以達到6.30 GHz，吸波性能良好。

導(dǎo)電高分子是指某些具有共軛主鏈的絕緣高分子聚合物通過化學(xué)或電化學(xué)的方法與摻雜劑進行電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合而成的材料，具有密度小、結(jié)構(gòu)多樣、電導(dǎo)率高、電磁參數(shù)可調(diào)、穩(wěn)定性強且易實現(xiàn)電磁損耗等特點，是電阻損耗型吸波材料的組成部分之一[34]。目前人們著重關(guān)注導(dǎo)電高分子在吸波材料性能和材料厚度方面的突破。Wei等[35]制成了一種由四氧化三鐵(Fe3O4)和二茂鐵-酞菁銅(FCP)混合而成的新型納米微球吸波薄膜，厚度僅為135 nm，在12～18 GHz的最小反射損耗為-25 dB，吸收率高達99.7%，該吸收材料在厚度和吸波性能方面都實現(xiàn)了較大突破。

2.2 電介質(zhì)損耗型吸波材料

電介質(zhì)損耗型吸波材料主要依靠介質(zhì)的電子極化、離子極化、分子極化或界面極化等弛豫衰減吸收電磁波。電介質(zhì)損耗型吸波材料的電導(dǎo)率較低，材料中幾乎沒有自由電子，因此不能形成宏觀電流。電介質(zhì)損耗型吸波材料通常包括碳化硅[36-38]、鈦酸鋇[39-45]等。

碳化硅具有密度小、耐腐蝕、抗氧化、熱導(dǎo)率高、膨脹系數(shù)小等優(yōu)異特性，且其介電性能可調(diào)，是具有巨大發(fā)展前景的吸波材料。然而，單一的碳化硅材料吸波效果并不理想，主要通過摻雜、陶瓷化、制成碳化硅纖維等方法使用或與其他傳統(tǒng)吸波材料復(fù)合使用。吳有朋等[36]將微米級碳化硅摻雜在納米炭黑中，再與環(huán)氧樹脂復(fù)合制成新型復(fù)合吸波材料，其厚度為2 mm，反射衰減率在7.5～13.5 GHz寬頻范圍內(nèi)低于-10 dB，吸收峰最大值達-40 dB。該研究為解決碳化硅吸波材料吸收峰值小、吸收波段窄等缺點提供了新思路，在碳化硅吸波材料的研究中取得了突破性的進展。

鈦酸鋇成本低、化學(xué)性能穩(wěn)定、介電性能優(yōu)異、極化效應(yīng)好，是一種使用較為廣泛的雷達波吸收劑。目前，國內(nèi)外主要通過化學(xué)電鍍法或摻雜稀土法提高鈦酸鋇基吸波材料的吸收效率，拓寬其吸波頻段。王桂芹等[39]通過溶膠-凝膠法制備了鈦酸鋇/環(huán)氧樹脂復(fù)合吸波材料，該材料在8～18 GHz有較好的吸波效果。韓霞光[40]通過向鈦酸鋇中摻雜適量的稀土釹和鑭元素明顯改善了其吸波性能，當涂層厚度為2.5 mm 時，最小反射率為-51 dB，反射損耗小于-10 dB的吸收頻帶寬度為4 GHz。

2.3 磁損耗型吸波材料

磁損耗型吸波材料主要是通過自然共振和渦流損耗的方式消耗入射電磁能，通常包括鐵氧體[46-49]、羰基鐵[50-53]、磁性金屬微粉[54-59]等。其中，鐵氧體吸波材料是研究較多、應(yīng)用較廣泛的傳統(tǒng)吸波材料，因具有高磁導(dǎo)率、高電阻率和較好的阻抗匹配性能，且吸收損耗強、抗腐蝕、成本低，受到大眾廣泛關(guān)注。但是，鐵氧體吸波材料存在著密度大、耐高溫性能差等問題。為提高其性能，主要通過化學(xué)共沉淀法、摻雜或納米化等方式制備鐵氧體吸波材料。汪忠柱等[46]通過化學(xué)共沉淀法制備了六角晶系BaZnCoTi-W型鐵氧體吸波材料，該吸波材料在7～28 GHz全頻段內(nèi)吸收衰減小于-10 dB，具有超寬吸收頻帶，最大吸收衰減為-25 dB，涂層厚度為2.2 mm。Mu等[47]采用靜電紡絲技術(shù)制備鐵氧體納米纖維構(gòu)成吸波材料，其厚度為2 mm，最低反射損耗可達-23.02 dB，損耗值低于-10 dB的頻帶達12.6 GHz，實現(xiàn)了鐵氧體吸波材料在“寬”和“強”方面的突破。

綜上所述，雖然傳統(tǒng)吸波材料的研究已較為成熟，但不同類別的吸波材料存在各自的應(yīng)用局限。例如：電阻損耗型吸波材料阻抗匹配水平低，只能對一種或幾種頻率的雷達波進行吸收，單獨使用時無法同時滿足吸波材料“薄、輕、寬、強”的要求，實際應(yīng)用受限[60，61]。電介質(zhì)損耗型吸波材料雖密度小，可實現(xiàn)輕量化，但存在損耗機制單一、阻抗匹配較差等問題。如何提高電介質(zhì)損耗型吸波材料對電磁波的吸收性能并拓寬其有效的吸收頻帶依然是其研究難題[34，62]。磁損耗型吸波材料吸收率高，具有在低頻波段實現(xiàn)強吸收的可能性，但同時在應(yīng)用中也存在一些問題，如密度大、穩(wěn)定性差、制備工藝復(fù)雜等[63，64]。吸收頻帶窄、阻抗匹配差是傳統(tǒng)吸波材料的共性問題[63]，單一組分的吸波材料只具有單一的電導(dǎo)損耗或介電損耗或磁損耗，很難同時滿足現(xiàn)代吸波材料對“薄、輕、寬、強”的多種要求，單純依靠傳統(tǒng)材料的摻雜或復(fù)合等手段無法突破這一瓶頸問題，基于人工結(jié)構(gòu)設(shè)計的吸波超材料為實現(xiàn)現(xiàn)代吸波材料的需求提供了無限可能。

3 吸波超材料

自然材料由原子、離子或分子排列而成，這些粒子的尺寸、性能及粒子間的距離和相互作用決定了物質(zhì)的性能。然而原子、離子或分子的尺寸非常小，難以對它們進行人工自由調(diào)控，因此自然物質(zhì)的性能也不能被任意地調(diào)控設(shè)計。相較于自然材料，超材料(metamaterials)是由目標材料人為組合的人工“原子”排列而成，人工“原子”的尺寸遠大于自然原子，因此可以通過調(diào)節(jié)人工“原子”的尺寸和性能參數(shù)來設(shè)計出自然界中不存在的具有超常電磁響應(yīng)的人工材料。超材料在電磁諧振頻率附近可以提供數(shù)值為0甚至為負數(shù)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，并且其電磁參數(shù)的數(shù)值可以人為調(diào)控，因此人們常利用超材料特異的電磁響應(yīng)來實現(xiàn)負折射材料、零折射材料和隱身斗篷等新奇材料的制備。隨著研究的不斷深入，超材料逐漸應(yīng)用于更廣闊的領(lǐng)域，其中超材料在吸波材料領(lǐng)域的重大應(yīng)用價值引起了人們的廣泛關(guān)注。

吸波材料需要滿足兩點要求才能最大限度地吸收入射電磁波：首先，入射電磁波要能夠無反射地進入到吸波材料的內(nèi)部；其次，吸波材料要能通過各種損耗機制如電阻損耗、電介質(zhì)損耗、磁損耗等將入射的電磁波完全損耗掉。根據(jù)能量守恒定律，無反射無透射才能保證電磁波能量全部被吸波材料吸收掉。電磁波無反射要求吸波材料與入射媒介滿足阻抗匹配條件，入射媒介是空氣時要求吸波材料自身的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率相等。在傳統(tǒng)吸波材料中，通常采用透波材料如塑料和泡沫等來實現(xiàn)阻抗匹配，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均接近1，與空氣的電磁參數(shù)相近。無透射要求吸波材料包含有效的吸波劑，例如將細小金屬顆粒或石墨纖維等摻雜到透波材料中，最大限度地消耗掉入射的電磁波。作者發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)吸波材料在設(shè)計時難以同時滿足阻抗匹配條件并實現(xiàn)最大吸波效率，這是因為滿足阻抗匹配條件的透波材料是不能吸波的，而吸波體的加入又使透波材料偏離阻抗匹配條件。因此，傳統(tǒng)吸波材料的制備要慎重考慮透波材料與吸收劑的配比來最大限度地提高吸收率。超材料的出現(xiàn)為設(shè)計制備吸波材料提供了嶄新的思路，當組成超材料的人工“原子”產(chǎn)生電諧振時，超材料的等效介電常數(shù)產(chǎn)生諧振。當組成超材料的人工“原子”產(chǎn)生磁諧振時，超材料的等效磁導(dǎo)率產(chǎn)生諧振。當超材料的人工“原子”同時產(chǎn)生電磁諧振時，超材料的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均被調(diào)制，如果這兩個電磁參數(shù)數(shù)值剛好相等，滿足阻抗匹配條件，電磁波就會無反射地進入超材料內(nèi)部被人工“原子”損耗掉。由于人工“原子”本身為良好的吸波劑，而且其電磁參數(shù)可以人為調(diào)控，只要設(shè)計使之滿足阻抗匹配條件，就可以得到吸收率接近100%的吸波超材料。根據(jù)超材料諧振基元材料的性質(zhì)，可以將吸波超材料分為金屬基元吸波超材料、電阻膜基元吸波超材料和高介電材料基元吸波超材料。

3.1 金屬基元吸波超材料

3.1.1 單頻吸波金屬基元超材料

2008年，Landy等[65]理論模擬和實驗驗證了微波段的金屬基元吸波超材料完美工作的可能性，所設(shè)計的樣品對工作波段電磁波的吸收率達到了99%，因此又稱為完美吸波器。在本領(lǐng)域研究伊始，學(xué)者們最初設(shè)計的吸波超材料人工“原子”包含電諧振器單元，只有當電磁波的電場與電諧振器的金屬線平行時才能誘導(dǎo)產(chǎn)生電諧振，所以吸波超材料對入射波的極化方向要求嚴格。為解決這一問題，Landy等提出如圖2a所示的吸波超材料金屬基元人工“原子”，該金屬基元相對于電場和磁場的方向的作用是等價的，因此具有極化不敏感的特性，制備的吸波超材料在1.13 THz處的吸收率達到了99%，組成該吸波超材料的人工“原子”由典型的電諧振器、中間介質(zhì)層和背面金屬線組成。入射電磁波的電場沿平行于電諧振器的金屬線方向，這樣外加電場會誘導(dǎo)電諧振器產(chǎn)生電諧振，而磁場會誘導(dǎo)電諧振器中間的金屬線與背面金屬線形成反向環(huán)形電流從而產(chǎn)生磁諧振，同時發(fā)生的電磁諧振調(diào)制了超材料的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率數(shù)值，使它們在11.65 GHz 時數(shù)值相等滿足阻抗匹配條件，從而得到吸收率接近100%的吸收峰(圖2b)。Landy等指出，雖然發(fā)表的金屬基元吸波超材料在微波波段工作，但是通過調(diào)節(jié)人工“原子”的尺寸，材料可以在從微波到可見光的任意波段工作。Tao等[66]利用相同的金屬基元人工“原子”結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了太赫茲波段的吸波超材料的制備。吸波超材料由于設(shè)計巧妙，且能在工作的窄頻段得到接近100%的吸收率，引起了學(xué)者們的廣泛研究[65-70]。Liu等[67]提出如圖2c所示的金屬樹枝形人工“原子”結(jié)構(gòu)，由于該結(jié)構(gòu)具有二維各向同性，在2.79 μm波長的頻段得到了吸收率為98.6%的極化方向不敏感的吸收峰。此外，Grant等[68]提出的金屬中空十字結(jié)構(gòu)(圖2d)、Park等[69]提出的金屬甜甜圈結(jié)構(gòu)(圖2e)以及Jiang等[70]提出的金屬十字結(jié)構(gòu)(圖2f)均成功解決了吸波超材料極化方向敏感的問題。圖2為上文所描述的典型單頻吸波金屬基元超材料金屬功能團圖樣及部分吸波性能，主要組成部分有Landy等設(shè)計的完美吸波器及衍生的多種形態(tài)的金屬基元功能團和單波吸收峰示意圖。

圖2 典型單頻吸波金屬基元超材料金屬功能團圖樣及部分吸波性能：(a)完美吸波器，(b)完美吸波器吸收圖譜[65]；(c)金屬樹枝形結(jié)構(gòu)[67]；(d)金屬中空十字結(jié)構(gòu)[68]；(e)金屬甜甜圈結(jié)構(gòu)[69]；(f)金屬十字結(jié)構(gòu)[70]Fig.2 Typical single frequency absorbing metal metamaterial metal functional group and partial absorbing properties：(a)perfect absorber，(b)perfect absorber absorption patterns[65]；(c)metal dendrimeter structure[67]；(d)metal hollow cross structure[68]；(e)metal donut structure[69]；(f)metal cross structure[70]

3.1.2 多頻吸波金屬基元超材料

多頻吸波材料在生產(chǎn)生活及國防軍事領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價值，遵循單頻吸波金屬基元超材料的設(shè)計思路，人們設(shè)計和發(fā)展了具有多個響應(yīng)結(jié)構(gòu)的多頻吸波金屬基元超材料，例如同心多矩形[71-75]、同心多圓環(huán)[76-80]、雙十字結(jié)構(gòu)[81，82]等，典型結(jié)構(gòu)如圖3a～3c所示[71，77，82]。多個諧振子相互作用使金屬基元超材料在多個電磁波頻段實現(xiàn)完美吸收。Hakim團隊[83]提出了一種基于雙分裂環(huán)諧振微波吸收金屬基元超材料的設(shè)計，如圖3d所示，將具有不同尺寸、相同幾何形狀的雙分裂環(huán)金屬基元諧振結(jié)構(gòu)組合在一起，利用多個不同方向開口的矩形諧振單元實現(xiàn)多頻吸收，使該吸波超材料在1～10 GHz存在4個吸收率大于92%的吸收峰(圖3d)。Wang等[84]在金屬板支撐的超薄電介質(zhì)層上設(shè)計了螺旋狀金屬圖案(如圖3e所示)，該圖案由4根相同的呈90°角旋轉(zhuǎn)的螺旋形金屬線組成。仿真和實驗結(jié)果表明，該多頻吸波金屬基元超材料在6.69，8.70，11.90和15.14 GHz頻率下的吸收率分別達到了96.49%，94.25%，98.94%和92.04%。由于該吸波超材料結(jié)構(gòu)是四倍旋轉(zhuǎn)對稱的，多頻吸收峰對入射波的偏振不敏感。通過調(diào)節(jié)吸波超材料金屬基元的幾何尺寸和分布，理論上可以將這些多頻共振吸收峰漸變成一個連續(xù)的寬波段吸收峰，但是受到水平方向周期的限制，金屬基元個數(shù)會達到飽和，進而阻礙多頻吸波金屬基元超材料吸收峰進一步寬化。實際上，吸波超材料在垂直方向的設(shè)計具有較大自由度，一些研究團隊將介質(zhì)和金屬層在垂直方向依次堆疊形成金字塔結(jié)構(gòu)或溝槽結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多頻吸波功能。Ozturk等[85]引入了一個由十字和圓網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成的超材料單元，將不同的諧振結(jié)構(gòu)按照不同層次垂直排列，以實現(xiàn)Ku波段的完美吸收，命名為圓形魚網(wǎng)超材料(CF-MMs)，如圖3f所示。所提供的金屬超材料吸收器在14.28，14.77和15.2 GHz的窄頻帶上的吸收率分別達到了99.9%，96.2%和58%。圖3匯總了上文所描述的典型多頻吸波金屬基元超材料金屬功能團圖樣及吸波性能，從原始的形態(tài)單一的金屬基元功能團到利用多個、多種形態(tài)、多種排列形式等方式對功能圖案進行設(shè)計并且選取了這個過程中比較有代表性的圖形和吸波性能。

圖3 典型多頻吸波金屬基元超材料金屬功能團圖樣及吸波性能：(a)同心多矩形[71]，(b)同心多圓環(huán)[77]，(c)雙十字金屬基元[82]，(d)雙分裂環(huán)諧振器及吸收圖譜[83]，(e)基于螺旋結(jié)構(gòu)的微波吸收器及吸收圖譜[84]，(f)圓網(wǎng)超材料吸收器及吸收圖譜[85]Fig.3 Typical multi-frequency absorbing metal metamaterial metal functional group pattern and absorbing performance：(a)concentric polyrectangular[71]，(b)concentric multi-torus[77]，(c)multicross metal primitives[82]，(d)double split ring resonator[83]，(e)microwave absorber based on spiral structure[84]，(f)circular mesh supermaterial absorber[85]

3.1.3 寬頻吸波金屬基元超材料

針對超材料的窄頻帶光譜響應(yīng)問題，諸多學(xué)者進行了大量基于超材料人工結(jié)構(gòu)設(shè)計的吸波頻帶寬化研究[86-93]。常規(guī)超材料難以避免地會出現(xiàn)窄頻帶光譜響應(yīng)特征，其根本原因在于超材料對電磁波的調(diào)控是基于人工“原子”的諧振機制，一種諧振模態(tài)式人工結(jié)構(gòu)只具有單一的窄頻帶光譜響應(yīng)。針對這一問題，大量研究通過不同人工“原子”金屬基元的疊加組合或者同一人工“原子”金屬基元的參數(shù)漸變形成多種諧振模態(tài)式人工結(jié)構(gòu)，利用多諧振模態(tài)疊加實現(xiàn)超材料光譜響應(yīng)頻帶的寬化[86-91]。例如，通過不同人工“原子”在面外或面內(nèi)方向的疊加組合可以拓寬超材料的光譜響應(yīng)頻段[86-90]。Cui等[86]設(shè)計了由不同尺寸的金層與介質(zhì)層交替排列形成的多層超材料，如圖4a所示，通過20層不同人工“原子”面外方向的疊加得到3～5.5 μm波段模擬吸收率高于95%的寬頻吸波功能。Liu等[87]設(shè)計了同一平面內(nèi)排列的不同尺寸的金十字形結(jié)構(gòu)超材料(如圖4b所示)，通過16個不同人工“原子”在面內(nèi)方向的疊加得到0.5～1.5 μm波段模擬吸收率高于60%的寬頻吸波功能。雖然基于不同人工“原子”在面外或面內(nèi)方向的疊加組合可以在一定程度上拓寬超材料的光譜響應(yīng)頻段，但是拓寬范圍有限且由于加工技術(shù)的局限使得相關(guān)工作僅限于模擬計算研究。此外，通過同一人工“原子”的參數(shù)漸變也可以拓寬超材料的響應(yīng)頻段[88]。Aydin等[89]制備了具有交叉梯形結(jié)構(gòu)的尺寸漸變?nèi)斯ぁ霸印比髦谓Y(jié)構(gòu)超材料(如圖4c所示)，在400～700 nm波長段得到平均實驗吸收率71%、模擬吸收率85%的寬頻吸波性能，雖然實現(xiàn)了光譜的寬頻吸收，但吸收強度相應(yīng)降低。以上寬頻光譜調(diào)控機制均源于超材料諧振模態(tài)的疊加機制，其調(diào)制頻寬正比于疊加模態(tài)的數(shù)量。但受到超材料本身結(jié)構(gòu)尺寸與加工精度的制約，模態(tài)數(shù)量必然存在疊加上限，因此基于模態(tài)疊加思路的超材料人工結(jié)構(gòu)設(shè)計也會受到模態(tài)上限數(shù)量的制約，無法滿足更高的頻帶寬化需求[93]。圖4為上文所描述的典型寬頻吸波機體設(shè)計圖樣及吸波性能，其中選取了具有代表性的縱向疊加利用電磁波波長機制實現(xiàn)寬頻吸收的模型以及利用數(shù)據(jù)優(yōu)化和參數(shù)漸變的方式設(shè)計的吸波單元結(jié)構(gòu)的模型和吸波性能。

圖4 典型寬頻吸波機體設(shè)計圖樣及吸波性能：(a)超材料諧振模態(tài)疊加方案[86]，(b)不同尺寸的金屬十字形結(jié)構(gòu)[87]，(c)尺寸漸變?nèi)斯ぁ霸印比髦谓Y(jié)構(gòu)[89]Fig.4 Typical wideband absorption body design drawing and absorption performance：(a)metamaterial resonant mode superposition scheme[86]，(b)metal cross-shaped structures of different sizes[87]，(c)size gradient artificial “atomic” sandwich structure[89]

3.2 電阻膜基元吸波超材料

電阻膜是一類具有電阻性質(zhì)的新興薄膜材料，可作為基元用于吸波超材料的設(shè)計與制造。電阻膜材料的單位面積電阻值(方阻)是影響電阻膜基元吸波超材料性能的一個重要參數(shù)，不同電阻膜材料具有不同的方阻值，因而電阻膜材料是決定電阻膜基元吸波超材料性能的關(guān)鍵。電阻膜基元吸波超材料一般由電阻膜基元圖案層、介質(zhì)層和金屬背板3層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在結(jié)構(gòu)上與金屬基元吸波超材料類似，不同的是將金屬諧振基元替換為了電阻膜諧振基元。相較于傳統(tǒng)金屬材料，電阻膜材料具有密度小、厚度薄、方阻值可調(diào)等優(yōu)勢。同時，電阻膜基元吸波超材料具有較寬的吸波帶寬，具有低頻吸波性能好、吸收頻段寬和厚度薄等優(yōu)點[94]，應(yīng)用前景廣闊。下文將具體介紹氧化銦錫(ITO)基元吸波超材料[95-100]、石墨烯導(dǎo)電墨水基元吸波超材料[101-104]和導(dǎo)電塑料膜基元吸波超材料[105]這3種常見的電阻膜基元吸波超材料。

3.2.1 氧化銦錫(ITO)基元吸波超材料

ITO是一種透明且導(dǎo)電的置換固溶體，多應(yīng)用于制備電子元器件。ITO基元吸波超材料由ITO基元周期陣列圖案層、介質(zhì)層以及底層的金屬板3層結(jié)構(gòu)組成。可以通過濺射沉積技術(shù)在背面附有金屬板的介質(zhì)層表面沉積ITO圖案層，用于電阻膜基元吸波超材料的設(shè)計和制備。ITO基元吸波超材料通過電阻損耗和共振作用拓寬吸收頻帶。寬頻吸波ITO基元吸波超材料設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖5a插圖所示[98]，4層不同邊長的正方形ITO薄膜與環(huán)氧玻璃布層壓板(FR4)介質(zhì)復(fù)合堆疊在金屬薄板上，基于電阻損耗和多模態(tài)諧振損耗實現(xiàn)寬頻吸波，吸收率譜線如圖5a所示。該ITO基元吸波超材料在3.16～51.6 GHz頻段內(nèi)對垂直入射的電磁波的吸收效率高于88%，實現(xiàn)了中心頻率為27.38 GHz、相對帶寬為176.9%的寬頻吸收，覆蓋了C、X、Ku、K和Ka波段，部分覆蓋S和U波段。與金屬基元吸波超材料相比，ITO基元吸波超材料具有吸收頻帶寬[96]、極化不敏感等優(yōu)勢[97-99]；同時，ITO基元吸波超材料的制備方法多樣、圖案控制簡便、制備成本低、耐熱、抗氧化，具有更強的實用性。

圖5 典型電阻膜吸波超材料結(jié)構(gòu)示意圖與吸波性能：(a)氧化銦錫(ITO)基元吸波超材料[98]，(b)石墨烯導(dǎo)電墨水基元吸波超材料[104]，(c)導(dǎo)電塑料膜基元吸波超材料[105]Fig.5 Structure diagram of a typical resistance film wave absorbing metamaterial and wave absorbing performance：(a)ITO primitive absorbing metamaterials[98]，(b)graphene conductive ink-based absorbing metamaterials[104]，(c)plastic film substrate absorbing metamaterial[105]

3.2.2 石墨烯導(dǎo)電墨水基元吸波超材料

石墨烯導(dǎo)電墨水是一種具有高導(dǎo)電性、高韌度、高強度的電阻膜特性材料，常用來制備吸波超材料電阻膜基元圖案層。與ITO基元吸波超材料結(jié)構(gòu)類似，石墨烯導(dǎo)電墨水基元吸波超材料由石墨烯導(dǎo)電墨水基元周期陣列圖案層、介質(zhì)層以及底層的金屬板多層材料復(fù)合而成。

石墨烯導(dǎo)電墨水基元吸波超材料結(jié)構(gòu)如圖5b所示[104]，石墨烯導(dǎo)電墨水諧振單元通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)加載于介質(zhì)層上，底層為金屬反射背板，整體尺寸16.0 mm×15.5 mm，厚度2.5 mm，如圖5b中插圖所示。該石墨烯導(dǎo)電墨水基元吸波超材料實現(xiàn)了在6.7～19.8 GHz頻段內(nèi)的寬頻吸收，吸收帶寬達到13.1 GHz，如圖5b所示[104]。即使將超材料以半徑(r)進行彎曲測試，其吸波性能也沒有受到很大影響，依然可以實現(xiàn)寬頻吸收。相比ITO基元吸波超材料，石墨烯導(dǎo)電墨水基元吸波超材料不僅擁有寬頻電磁吸收、極化不敏感等優(yōu)良性能[101-103]，還具有輕薄可彎曲的特性[104]，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.2.3 導(dǎo)電塑料膜基元吸波超材料

導(dǎo)電塑料膜是將樹脂和導(dǎo)電物質(zhì)混合，用塑料的加工方式進行加工的功能型高分子膜材料，在電子、集成電路包裝等方面應(yīng)用廣泛，但極少應(yīng)用于電磁吸波超材料設(shè)計，在吸波超材料方面有很大的應(yīng)用前景。導(dǎo)電塑料膜基元吸波超材料由聚醚醚酮(PEEK)介質(zhì)、導(dǎo)電塑料膜、PEEK介質(zhì)和金屬反射背板共4層材料堆疊而成，諧振單元尺寸為5 mm×5 mm，總厚度為4.4 mm，如圖5c插圖所示[105]。該材料在5～25 GHz波段內(nèi)對垂直入射電磁波的吸收率大于90%、相對吸收帶寬可達106.8%，吸收率譜線如圖5c所示，且對入射波的極化特性不敏感，對寬角入射電磁波仍能實現(xiàn)寬頻吸收。此外，以導(dǎo)電塑料膜為基礎(chǔ)的吸波超材料的最大優(yōu)勢在于，中間層的導(dǎo)電塑料膜諧振結(jié)構(gòu)與介質(zhì)基板可以獨立加工，加工完成后可以直接拼接堆疊形成吸波超材料，這種積木拼搭式的加工方案不僅節(jié)省了制備時間，還使得基底材料的選擇不再受電阻膜加工技術(shù)的制約。與石墨烯導(dǎo)電墨水基元吸波超材料相比，導(dǎo)電塑料膜基元吸波超材料不僅能夠克服加工過程中墨水厚度不均勻?qū)Ψ阶璧挠绊?，還可兼容激光刻蝕工藝，提高諧振結(jié)構(gòu)的加工精度。同時，導(dǎo)電塑料膜基元吸波超材料也具有與其他材料結(jié)構(gòu)相同的輕薄等優(yōu)點，為寬帶吸波超材料的發(fā)展提供了新的思路。

3.3 高介電材料基元吸波超材料

高介電材料基元吸波超材料是基于高介電顆粒的多級Mie諧振及其諧振耦合設(shè)計出來的新型超材料，這類吸波超材料由周期排列的高介電“原子”代替常見的周期排列的金屬“原子”作為頂層，低介電的介質(zhì)層作為中間隔離層，金屬薄板作為底層，形成高介電材料基元吸波超材料。利用高介電“原子”的多級Mie諧振及其諧振耦合，可以實現(xiàn)偏振不敏感、入射角不敏感的強吸收，這一特性引起了學(xué)者們的廣泛研究[106-111]。根據(jù)實際應(yīng)用需求，可以設(shè)計制備出單頻、雙頻和寬頻吸波高介電材料基元吸波超材料。與金屬“原子”型吸波超材料相比，高介電材料基元吸波超材料的吸收峰與高介電材料的介電常數(shù)緊密相關(guān)，通過調(diào)控高介電材料的介電常數(shù)可人為調(diào)控高介電材料基元吸波超材料吸收峰的頻率、強度及寬化程度。

3.3.1 單頻吸波高介電材料基元超材料

單頻吸波高介電材料基元超材料在傳感、熱成像、熱發(fā)射以及光開關(guān)等方面的重要應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注[112-118]。這種超材料舍棄了圖案化的金屬基元，采用高介電立方體作為人工“原子”構(gòu)筑吸波超材料。Liu等[119]通過模擬計算設(shè)計了一種由高介電介質(zhì)“原子”(SrTiO3立方體)利用丙烯腈-丁二烯苯乙烯(ABS)塑料支撐周期排列于金屬薄板上形成的吸波超材料，其結(jié)構(gòu)如圖6a所示。高介電人工“原子”通過Mie諧振與入射電場和磁場形成耦合作用，在8～12 GHz吸波材料的反射參數(shù)(S11)與傳輸參數(shù)(S21)曲線如圖6b所示，模擬計算與實驗測試表明該高介電材料基元吸波超材料在8 GHz的吸收率分別為99%和98.5%，且該吸收峰具有極化不敏感和寬入射角的特點。作為諧振基元的高介電立方體可以支持多級電、磁共振模式，且該吸波超材料對偏振不敏感，可以在廣角入射下工作，為吸波超材料的設(shè)計制備提供了一條更簡單的路線。

圖6 典型高介電材料基元吸波超材料結(jié)構(gòu)示意圖與吸波性能：(a)所設(shè)計的介質(zhì)超材料吸收器及其單元，(b)模擬S11和S21光譜[119]；(c)雙波段超材料吸收器單元示意圖，(d)模擬吸收光譜和實驗吸收光譜(左、右插圖為y-z平面電場能量分布，譜線峰值為不同極化角ψ在8.45和11 GHz處的吸收率)[124]；(e)基于高階Mie諧振峰耦合的寬頻吸波材料及其晶胞示意圖，(f)基于高階Mie諧振峰耦合的寬頻吸波材料反射參數(shù)S11譜圖[128]Fig.6 Structure diagram and wave absorbing performance of typical high dielectric materials：(a)the designed dielectric metamaterial absorber and its unit cell，(b)the simulated S11 and S21 spectra[119]；(c)schematic diagram of the unit cell of the dual-band metamaterial absorber，(d)the simulated and experimental absorption spectra (the left and right insets show the electric field energy distributions in y-z plane，the line peak shows the absorptivity with different polarization angles ψ at 8.45 and 11.97 GHz)[124]；(e)schematic diagram of wideband absorbing material and its cell based on high-order Mie resonant peak coupling，(f)reflection parameter S11 spectra of wide-frequency absorbing materials based on high-order Mie resonant peak coupling[128]

3.3.2 雙頻吸波高介電材料基元超材料

雙頻吸波高介電材料基元超材料在探測器、收發(fā)系統(tǒng)和光譜成像儀等領(lǐng)域擁有潛在應(yīng)用前景[120-123]。Liu等[124]設(shè)計了一種在寬入射角下偏振不敏感的雙頻吸波高介電材料基元超材料。該超材料結(jié)構(gòu)如圖6c所示，邊長為0.74 mm的高介電SrTiO3介質(zhì)“原子”利用ABS塑料支撐以5 mm間隙周期排列于金屬薄板上形成吸波超材料。該超材料在8.45與11 GHz兩個吸收峰處的模擬吸收率分別達到了99%和96%，實驗吸收率分別達到了97%和94%，如圖6d所示。橫磁波(TM波)入射時，當入射角θ從0°變化到60°，兩個吸收峰的吸收率均在85%以上；橫電波(TE波)入射時，當入射角θ從0°變化到60°，兩個吸收峰的吸收率均在70%以上，表明該雙頻吸收峰對入射角與偏振方向不敏感。且與傳統(tǒng)雙頻吸波超材料雙頻吸收來源于兩個諧振單元不同，該雙頻吸波高介電材料基元超材料僅僅借助單一諧振單元同時實現(xiàn)了雙頻吸收，這是由于結(jié)構(gòu)簡單的高介電材料基元具有多級Mie諧振，可以通過巧妙合理的設(shè)計利用單一諧振基元實現(xiàn)雙頻乃至多頻吸波，為高對稱性多級吸波超材料的設(shè)計提供了更為簡單的方法。

3.3.3 寬頻吸波高介電材料基元超材料

寬頻吸波超材料在飛機、坦克、艦船等的隱身技術(shù)方面具有重大應(yīng)用需求，因此成為當前熱門研究方向[125-127]?？梢酝ㄟ^人工“原子”尺寸漸變、介電常數(shù)漸變以及高階Mie諧振峰耦合等方法實現(xiàn)寬頻吸波高介電材料基元超材料的制備。劉曉明[128]設(shè)計出一種基于高階Mie諧振峰耦合的寬頻吸波材料(如圖6e所示)，該材料是由高介電高損耗的介質(zhì)顆粒緊密排列于金屬薄板上構(gòu)成的，立方體顆粒的邊長為2 mm，介電常數(shù)為2000，損耗角正切為0.05，周期為2.2 mm。該超材料在8.4～9.4 GHz的范圍內(nèi)吸收率達到95%以上。模擬計算與實驗測量的S11圖譜如圖6f所示，該寬頻吸收峰的吸波機理為：緊密排列的高介電諧振單元之間發(fā)生了強烈的電磁耦合，在8.4～9.4 GHz的寬頻范圍內(nèi)滿足阻抗匹配條件，僅僅通過單一的諧振單元即實現(xiàn)了寬頻吸波功能。

4 傳統(tǒng)吸波材料與吸波超材料的融合

傳統(tǒng)吸波材料，如鐵氧體、碳納米管和羰基鐵等，由于吸收頻帶較窄、易脫落、易受環(huán)境因素影響，應(yīng)用存在局限性。吸波超材料是一種吸波性能可調(diào)的人工材料，在中高頻段可以實現(xiàn)對電磁波的完美吸收，但存在難以實現(xiàn)寬入射角和寬頻吸波等問題。無論是傳統(tǒng)吸波材料還是新興的吸波超材料，都無法同時滿足雷達吸波材料對“薄、輕、寬、強”這4方面的性能要求。因此，將傳統(tǒng)吸波材料與吸波超材料融合，構(gòu)筑寬頻帶、強吸收的輕薄型吸波材料具有重要意義。傳統(tǒng)吸波材料與吸波超材料融合型吸波材料的結(jié)構(gòu)與吸波超材料類似，一般由透射層、吸波結(jié)構(gòu)層和反射層組成[129-131]，如圖7a所示[132]。與吸波超材料不同的是，融合型吸波超材料通常將傳統(tǒng)吸波材料作為吸波結(jié)構(gòu)層嵌入吸波超材料結(jié)構(gòu)體中。與傳統(tǒng)吸波材料相比，融合型吸波超材料具有超材料人工結(jié)構(gòu)，能夠起到承載與吸波的雙重作用[133]，可以在“薄”和“輕”的前提下拓寬吸波頻帶。目前，鐵氧體融合型吸波超材料[132-135]、羰基鐵融合型吸波超材料[136-141]等均取得較優(yōu)異的吸波性能。

鐵氧體是研究較廣且較為成熟的磁性吸波材料，傳統(tǒng)鐵氧體吸波材料在橫向偏置和縱向偏置磁場中展現(xiàn)出不同的電磁特性，因此對電磁波的吸收性能截然不同。在縱向磁化作用下，反射波將發(fā)生極化旋轉(zhuǎn)；在橫向磁化下，鐵氧體吸波材料只會吸收某一極化的電磁波[133]。鐵氧體的旋磁性是指鐵氧體材料所具有的一種特殊的磁性質(zhì)，也稱為磁各向異性。利用鐵氧體的旋磁性，結(jié)合超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的鐵氧體融合型吸波超材料可實現(xiàn)寬頻吸波功能。高海濤等[132]通過將鋇鐵氧體涂層作為超材料結(jié)構(gòu)的中間介質(zhì)層設(shè)計了性能較為優(yōu)越的鐵氧體融合型吸波超材料，如圖7b插圖所示。與單一鐵氧體吸波材料相比，鐵氧體融合型吸波超材料的吸波性能得到了極大改善，在8～18 GHz頻段內(nèi)反射損耗均小于-10 dB，如圖7b所示。目前，提高鐵氧體吸波材料吸波性能的方法有摻雜、離子取代、包覆、復(fù)合性能較優(yōu)越的吸波材料等，但上述方法只能在一定程度上改善鐵氧體吸波材料的吸波性能，難以突破其吸波頻率的極限。融合型吸波超材料可以突破鐵氧體吸波材料吸波頻率的限制，從而獲得性能優(yōu)越的寬頻吸波材料。

羰基鐵具有高磁導(dǎo)率、高飽和磁化強度、耐高溫等優(yōu)異性能，但存在密度大、抗氧化能力差、高頻段吸波性能差等缺陷。為克服羰基鐵吸波性能的缺陷，研究者們借鑒超材料思想設(shè)計出了羰基鐵融合型吸波超材料，吸波性能有效改善。Zhang等[136]將周期性排列的方形導(dǎo)電貼片陣列構(gòu)成的超材料嵌入羰基鐵磁性吸收基底中，該磁性吸收基底具有圓孔陣列并由金屬薄板支撐，如圖7c所示。模擬計算與實驗測量的反射參數(shù)如圖7d所示，該融合型吸波超材料在6.3～17.3 GHz的反射系數(shù)均小于-10 dB，幾乎是羰基鐵磁性吸收基板帶寬的3.6倍[136]。通過打孔和嵌入方形導(dǎo)電貼片，可以調(diào)整并改善羰基鐵磁性吸收基底的吸波性能。該設(shè)計可以通過調(diào)節(jié)通孔和方形導(dǎo)電貼片的尺寸自由調(diào)控其吸波性能，體現(xiàn)出傳統(tǒng)吸波材料與吸波超材料融合的巨大優(yōu)越性。圖7為典型融合型吸波超材料結(jié)構(gòu)示意圖與吸波性能，選取了具有代表性的鐵氧體融合型吸波超材料和多孔有頻率選擇性表面(FSS)的磁性基底的融合型吸波超材料單元。

綜上所述，傳統(tǒng)吸波材料存在吸收頻帶窄、穩(wěn)定性差等問題，吸波超材料也存在著無法解決低頻段吸波、厚度大等問題，將傳統(tǒng)吸波材料與吸波超材料融合將更有利于獲得寬帶薄層雷達吸波材料，對設(shè)計高效吸波材料提供了切實可行的解決方案。將傳統(tǒng)吸波材料與吸波超材料融合突破了單一材料的局限性，結(jié)合傳統(tǒng)吸波材料與吸波超材料的優(yōu)勢，利用微觀結(jié)構(gòu)與人工結(jié)構(gòu)的雙重設(shè)計實現(xiàn)融合型吸波超材料吸波性能的大幅提升，從根本上解決了單獨使用傳統(tǒng)吸波材料和吸波超材料時性能不足的問題。

5 結(jié) 語

各類電磁吸波材料的研究取得了極大的進展，從最初的傳統(tǒng)吸波材料，到基于人工諧振結(jié)構(gòu)的吸波超材料，研究者們通過對材料的改進和對工藝的完善不斷提高吸波超材料的性能，使吸波材料逐漸向著“結(jié)構(gòu)薄、材料輕、頻帶寬、吸收強”的方向發(fā)展。但是，在雷達隱身材料大面積應(yīng)用的需求下，吸波材料仍然存在一些短板，如厚度大、吸收頻帶不夠?qū)?、難以實現(xiàn)寬入射角等，需要通過改良吸波超材料的結(jié)構(gòu)、選擇更合適的組成材料等方式完善吸波材料的設(shè)計。同時，實際應(yīng)用的吸波材料除了需要具有較強的隱身性能之外，還應(yīng)考慮提高其耐高溫、抗氧化、延展度等性能，以適用惡劣的應(yīng)用環(huán)境。傳統(tǒng)吸波材料與吸波超材料融合型吸波超材料性能與結(jié)構(gòu)方面的研究還需更加深入，研究前景仍然十分廣闊。