曹先覺，王汝敏，齊暑華

（西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，陜西 西安 710129）

電磁雙復(fù)微波吸收輕質(zhì)隱身材料的研究進(jìn)展

曹先覺，王汝敏，齊暑華

（西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，陜西 西安 710129）

介紹了吸波材料及其吸波原理，綜述了鐵氧體、導(dǎo)電聚合物及磁性金屬微粉吸波材料近幾年在國內(nèi)外的研究進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，指出了空心玻璃珠是實(shí)現(xiàn)吸波材料性能提高的新方向。

吸波材料；鐵氧體；微波吸收性能；空心玻璃珠

微波吸收材料是一種重要的功能材料，它在隱身技術(shù)、微波通訊、微波暗室、抗電磁輻射以及防止電磁污染等方面得到了廣泛的應(yīng)用[1]。吸波材料按其承載能力可分為結(jié)構(gòu)吸波材料和涂層吸波材料2大類。結(jié)構(gòu)吸波材料是一種多功能復(fù)合材料，它不但能夠有效地吸收雷達(dá)波，同時(shí)還用于結(jié)構(gòu)件，具有復(fù)合材料質(zhì)輕高強(qiáng)的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)多為導(dǎo)電纖維混編的復(fù)合材料。涂層吸波材料具有施工簡(jiǎn)單、使用方便、易于維護(hù)、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，一直受到隱身技術(shù)研究與設(shè)計(jì)人員的重視，然而與結(jié)構(gòu)吸波材料相比，吸波涂層所增加的附加質(zhì)量及它們的吸收頻帶較窄的缺點(diǎn)也使其應(yīng)用受到一定程度的限制。因此如何克服這一難題成為涂層吸波材料研究的關(guān)鍵[2]。

1　吸波材料的分類與吸波原理

雷達(dá)吸波材料簡(jiǎn)稱吸波材料，是指能吸收投射到它表面的電磁波能量，或通過材料的電磁損耗使其能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式的能量而耗散掉的一類材料。根據(jù)吸波機(jī)理的不同，吸波材料的損耗介質(zhì)可以分為電損耗型和磁損耗型2大類：電損耗型吸波材料主要通過介質(zhì)的電子極化、離子極化或界面極化來吸收、衰減電磁波，如鈦酸鋇類；磁損耗型吸波材料主要通過磁滯損耗、疇壁共振和后效損耗等磁極化機(jī)制來吸收、衰減電磁波，如鐵氧體、羰基鐵等。

吸波材料吸收電磁波的基本要求主要有2條：一是入射電磁波最大限度地進(jìn)入材料內(nèi)部而不是在其表面就被反射，即要求材料的表面阻抗匹配；二是進(jìn)入吸波材料內(nèi)部的電磁波能迅速被吸收而衰減掉，即材料的衰減特性。

吸波材料的吸收特性一般用介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ表征，其能量損耗tanδ可由式（1）、（2）表示：

式中：ε′和ε″分別為介電常數(shù)實(shí)部和虛部；μ′和μ″分別為磁導(dǎo)率實(shí)部和虛部；δe與δm分別為電損耗角與磁損耗角；tanδe為電損耗，tanδm為磁損耗。

材料對(duì)電磁波的吸收取決于ε″與μ″，當(dāng)ε″與μ″均為零時(shí)，材料電磁波損耗為零。由此可以看出，材料的ε″，μ″和tanδ越大，吸波性能越好。增大吸收劑的ε″和μ″，對(duì)于提高其吸波性能具有決定作用。而增加吸收劑在基體中的體積分?jǐn)?shù)也可以提高材料的tanδ，相比而言，提高吸收劑體積分?jǐn)?shù)比提高吸收劑的ε″，μ″更易實(shí)現(xiàn)。

2　吸波材料研究現(xiàn)狀

目前，很多吸波材料的研究手段已經(jīng)比較成熟，吸波材料正在向頻帶寬、厚度薄、質(zhì)量輕、吸收強(qiáng)等高性能方向發(fā)展，同時(shí)新機(jī)理型吸波材料也在不斷開發(fā)中。常見的吸波材料主要有以下幾種：

2.1鐵氧體

由于強(qiáng)烈的鐵磁共振吸收和磁導(dǎo)率的頻散效應(yīng)，鐵氧體是一種較好的吸波材料。這種材料的優(yōu)點(diǎn)是涂層厚度薄、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性好，且具有吸收強(qiáng)、頻帶寬及成本低的特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于隱身領(lǐng)域[3]。自然共振是鐵氧體吸收電磁波的主要機(jī)制。聶翔[4]采用sol-gel法制備了鋇鐵氧體（BaFe12O19）和鋅鐵氧體（ZnFe2O4），并研究了雷達(dá)波的微波吸收性能。結(jié)果表明，磁鉛石型BaFe12O19在10 GHz、11 GHz處的最小反射損耗分別為-11.27 dB、-12.01 dB，對(duì)雷達(dá)波的吸收性能優(yōu)于ZnFe2O4。

2.2導(dǎo)電聚合物

導(dǎo)電高聚物（ICPs）是由共主鏈的絕緣高分子通過化學(xué)或電化學(xué)方法與摻雜劑進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合而成的。因具有結(jié)構(gòu)多樣化、密度低和特殊的物理、化學(xué)性質(zhì)等一系列優(yōu)點(diǎn)而引起科學(xué)界的廣泛關(guān)注。美國賓夕法尼亞大學(xué)的Heeger A J、MacDiarmid A G和日本筑波大學(xué)的白川英樹發(fā)現(xiàn)采用I2或AsF5摻雜的聚乙炔（PA）薄膜有很好的導(dǎo)電性。之后，人們又相繼開發(fā)了聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANI）、聚噻吩（PTH）等導(dǎo)電高聚物。經(jīng)過后續(xù)多年的研究，導(dǎo)電聚合物在摻雜方法與機(jī)理，材料的分子設(shè)計(jì)與合成，結(jié)構(gòu)與電、磁、光等物理性能及相關(guān)機(jī)理，導(dǎo)電機(jī)理，可溶性和加工性，實(shí)用化和技術(shù)探索等諸多方面都取得了很大的進(jìn)步，并正向可實(shí)用化方向快速發(fā)展[5]。導(dǎo)電高聚物有加工性好、密度低、結(jié)構(gòu)多樣化、電磁參量可調(diào)以及可分子設(shè)計(jì)性等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，滿足吸波材料“薄、輕、寬、強(qiáng)”的要求，在吸波領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。

2.3磁性金屬微粉

超微磁性金屬微粉主要包括Fe、Co、Ni粉以及它們的合金粉。近年來，各國已經(jīng)對(duì)磁性金屬微粉展開了廣泛研究[6～8]，法國巴黎大學(xué)對(duì)微米級(jí)Ni、Co粉末的吸波性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在1～8 GHz內(nèi)出現(xiàn)最大吸收值。此外，金屬微粉吸波材料已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用，如美國F/A-18C/D“大黃蜂”隱身飛機(jī)使用的就是羰基鐵微粉吸波材料。

盡管對(duì)于磁性金屬微粉材料吸波性能方面的研究已經(jīng)取得了較好的結(jié)果和應(yīng)用，但由于其密度大，抗氧化性和耐酸堿性差，遠(yuǎn)不如鐵氧體材料發(fā)展快。因此，磁性金屬微粉向復(fù)合化和納米尺度方向的研究[9，10]將是今后的研究重點(diǎn)。

3　微波吸波材料的發(fā)展趨勢(shì)

3.1低維化

為探索新的吸收機(jī)理和進(jìn)一步提高吸波性能，納米微粒、纖維、薄膜等低維材料日益受到重視，研究對(duì)象集中在磁性納米、納米纖維、顆粒膜與多層膜[21]。它們具有吸收頻帶寬、兼容性好、吸收強(qiáng)、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.2復(fù)合化

根據(jù)目前吸波材料的發(fā)展現(xiàn)狀，一種類型的材料很難滿足日益提高的隱身技術(shù)所提出的“薄、寬、輕、強(qiáng)”的綜合要求，因此需要將多種材料進(jìn)行各種形式的復(fù)合以獲得最佳效果[22]，其中采用有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合技術(shù)可以方便調(diào)節(jié)復(fù)合物的電磁參數(shù)以達(dá)到阻抗匹配的要求。

3.3多頻譜兼容化

目前的反雷達(dá)探測(cè)隱身技術(shù)主要是針對(duì)厘米波段雷達(dá)，覆蓋的頻率段有限。例如，諧振型吸波材料只能吸收一種或幾種頻率的雷達(dá)波；介電型吸波材料與磁性吸波材料主要覆蓋范圍大致分別在厘米波段的低端和高端。而近年來隨著先進(jìn)紅外/紫外探測(cè)器、米波段雷達(dá)、毫米波段雷達(dá)等新型先進(jìn)探測(cè)器的相繼問世，以及裝備部隊(duì)使用，給原有的隱身手段提出了新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。這就要求隱身材料具備寬頻帶吸波特性，即用同一種隱身材料對(duì)抗多種波段的電磁波源的探測(cè)。

3.4智能化

智能型材料是一種具有感知功能、信息處理功能、自我指令并對(duì)信號(hào)作出最佳響應(yīng)功能的材料。這種可根據(jù)環(huán)境變化調(diào)節(jié)自身結(jié)構(gòu)和電磁特性并對(duì)環(huán)境作出最佳響應(yīng)的概念為隱身材料的設(shè)計(jì)提供新的思路和方法[23]。

4　鐵氧體材料

4.1鐵氧體材料的種類及特點(diǎn)

鐵氧體是一種具有鐵磁性的金屬氧化物，價(jià)格便宜、化學(xué)穩(wěn)定性好，是發(fā)展最早、研究最多、較為成熟的吸波材料。早在20世紀(jì)40年代初期，鐵氧體就已經(jīng)作為微波吸收材料使用。按晶體結(jié)構(gòu)的不同，鐵氧體主要分為尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型3大類[24]，如表1所示，它們均可用作吸波材料。

磁鉛石型鐵氧體屬于六角晶系，共有6種相似結(jié)構(gòu)的六角晶系鐵氧體[25]，分別為M、W、X、Y、Z和U型，如表2所示。研究表明，磁鉛石型鐵氧體材料的吸波性能最好。這是因?yàn)樗哂形談┑淖罴研螤?片狀結(jié)構(gòu)；此外，它具有較高的磁性各向異性等效場(chǎng)，故有較高的自然共振頻率。

4.2鐵氧體的微波吸收機(jī)理[26，27]

在交變磁場(chǎng)作用下，磁性介質(zhì)的損耗機(jī)制主要有：

表1　鐵氧體材料的類型Tab.1　Type of ferrite materials

表2　磁鉛石型鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)Tab.2　Crystal structure of magnetoplumbite type ferrite

（1）渦流損耗：當(dāng)通過導(dǎo)體的磁通量隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)形成渦流，產(chǎn)生渦流損耗，從而使得電磁能轉(zhuǎn)化為熱能形式被損耗掉。

（2）磁滯損耗：磁滯是指當(dāng)鐵磁材料的磁性狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，磁化強(qiáng)度滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度，它的磁通密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間呈現(xiàn)磁滯回線關(guān)系。經(jīng)一次循環(huán)，每單位體積鐵芯中的磁滯損耗等于磁滯回線的面積。產(chǎn)生磁滯損耗的內(nèi)在機(jī)理為疇壁的不可逆移動(dòng)。

（3）磁共振：磁體中的磁偶極子以固有頻率振動(dòng)，當(dāng)外加磁場(chǎng)與該固有頻率相同時(shí)，將引起磁共振，致使材料強(qiáng)烈吸收電磁波。

（4）剩磁效應(yīng)：由于磁通密度B的變化要比外加磁場(chǎng)滯后一個(gè)相位角，因此當(dāng)外加磁場(chǎng)變?yōu)榱銜r(shí)，磁體中磁通密度B卻不為零，從而產(chǎn)生剩磁。若要使磁通密度B變?yōu)榱?，須外加反向磁?chǎng)，這個(gè)消除剩磁的過程將消耗磁場(chǎng)的能量。

4.3Fe3O4磁性材料

Fe3O4是一種最基本的鐵氧體，是世界上應(yīng)用最早的一種磁性材料，鐵磁性顆粒具有很強(qiáng)的磁性，可在很低的磁場(chǎng)中獲得很強(qiáng)的磁感應(yīng)，甚至磁飽和，還有其他的一些特殊的磁特性。

Fe3O4在外磁場(chǎng)作用下能夠定向移動(dòng)，當(dāng)Fe3O4的粒徑在一定范圍之內(nèi)時(shí)具有超順磁性，以及在外加交變電磁場(chǎng)作用下能產(chǎn)生熱量等特性，另外納米磁性Fe3O4粒子由于其原料價(jià)格低廉、化學(xué)穩(wěn)定性好以及制備方法相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)已得到廣泛的研究[28]。

5　空心玻璃微珠

高性能空心玻璃微珠（簡(jiǎn)稱空心玻璃微珠）是一種新型節(jié)能、清潔輕質(zhì)填料。它具有中空、質(zhì)輕、隔熱保溫、電絕緣強(qiáng)度高、耐磨、耐腐蝕、防輻射、隔音、吸水性低、化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

空心玻璃微珠主要化學(xué)成分是堿石灰硼硅酸鹽玻璃，微珠是一顆顆透明的微米級(jí)玻璃質(zhì)密閉中空正球體，有堅(jiān)硬的球殼，球體內(nèi)充有稀薄的N2，宏觀上為純白色的粉末。其粒徑大小不等，最小顆粒粒徑為2 μm，平均粒徑為 35 μm。壁厚約為其直徑的10%。因?yàn)橹锌帐顾哂匈|(zhì)輕的特點(diǎn)，而粒徑大小不等可以形成粒徑互補(bǔ)，具有合理填補(bǔ)空隙的特點(diǎn)[29]。

它具有以下優(yōu)點(diǎn)：（a）密度小，容易在有機(jī)體系中均勻分散，而且可在0.25～0.60 g/cm3間進(jìn)行密度調(diào)節(jié)；（b）抗壓能力強(qiáng)，可在2～60 MPa 進(jìn)行調(diào)節(jié)，在研磨、混合過程中不易破碎；（c）熱導(dǎo)率低，20 ℃時(shí)，可在0.051 2～0.093 4 W/mk間進(jìn)行調(diào)節(jié)；（d）晶型穩(wěn)定，一般不與除HF外的酸堿等起反應(yīng)，即穩(wěn)定性優(yōu)異。

6　展望

綜上所述，鐵氧體、導(dǎo)電聚合物及磁性金屬微粉等吸波材料的研究手段已經(jīng)比較成熟，吸波材料正在向頻帶寬、厚度薄、質(zhì)量輕、吸收強(qiáng)等高性能方向發(fā)展，低維化、復(fù)合化、多頻譜兼容化和智能化是吸波材料的發(fā)展方向?？招牟Ａ⒅橛捎谄涓黜?xiàng)優(yōu)異性能，正在成為新的研究熱點(diǎn)。

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Research progress of double complex and light-stealth materials with electromagnetic microwave absorption

CAO Xian-jue, WANG Ru-min, QI Shu-hua
(Department of Applied Chemistry, School of Natural and Applied Science, Northwestern Polytechnical University, Xi’an, Shaanxi 710129, China)

In this paper, the microwave absorbing materials and their action principle were introduced. The research progress of ferrite, conductive polymer and magnetic metal powder absorbing materials in recent years were reviewed. Finally, the development trend was prospected and it was pointed out that using the hollow glass beads would be a new direction to improve the performance of microwave absorbing materials.

wave absorbing material; ferrite material; microwave absorption properties; hollow glass beads

TQ333.6

A

1001-5922（2016）10-0068-04

2016-07-28

曹先覺（1991-），男，碩士研究生，主要從事吸波材料的研究。E-mail：1446187137@qq.com。

通訊聯(lián)系人：齊暑華（1949-），女，教授，碩士與博士生導(dǎo)師，主要從事功能材料的研究。E-mail：qishuhua@nwpu.edu.cn。