宋維力

（北京理工大學(xué) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院，北京 100081）

高性能電磁隱身材料與結(jié)構(gòu)在航天、航空、探測(cè)、通信等工業(yè)及高端裝備領(lǐng)域需求迫切。電磁隱身技術(shù)是通過(guò)利用電磁隱身材料與結(jié)構(gòu)，減弱、抑制、吸收、偏轉(zhuǎn)電磁波的強(qiáng)度，最大程度地降低探測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別的概率。微波波段的電磁隱身材料分為：1）電磁隱身材料，包括電損耗介質(zhì)、磁損耗介質(zhì)以及電磁耦合共損復(fù)合介質(zhì)材料；2）電磁隱身結(jié)構(gòu)：包括隱身超材料（超構(gòu)結(jié)構(gòu)）及電阻屏式隱身結(jié)構(gòu)等。目前，實(shí)現(xiàn)“輕、寬、薄、強(qiáng)”（質(zhì)量輕、頻段寬、厚度薄、吸收強(qiáng)）高性能電磁隱身材料的問(wèn)題依然突出[1-3]。

對(duì)于電磁隱身材料，單層介質(zhì)通常能夠在窄頻段內(nèi)通過(guò)產(chǎn)生四分之一的波長(zhǎng)諧振，實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的電磁衰減特性。然而，由于本征復(fù)介電常數(shù)與復(fù)磁導(dǎo)率之間的差異較大，單層介質(zhì)與空氣阻抗的匹配條件還需進(jìn)一步提升。傳統(tǒng)的電磁隱身材料包括：介電損耗型、磁損耗型以及磁介耦合共損型[4-8]，因在低頻波段更易于拓寬有效吸收，磁介耦合共損型吸波介質(zhì)一直受到關(guān)注。自從2004年車仁超等人[4]發(fā)現(xiàn)鐵@碳納米管/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料具有寬頻吸收特性以來(lái)，基于納米碳材料發(fā)展磁介耦合異質(zhì)結(jié)構(gòu)的聚合物基吸波介質(zhì)的研究取得了重要進(jìn)展。曹茂盛與陳玉金等人[7]在磁介耦合異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和機(jī)理研究領(lǐng)域進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究工作。此外，在多功能電磁響應(yīng)材料方面，由于聚合物基體與納米碳材料在形貌、結(jié)構(gòu)、組分、性能方面具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)性，因此通過(guò)設(shè)計(jì)制備納米碳/聚合物復(fù)合材料，不僅具備良好的電磁響應(yīng)特性，同時(shí)具備獨(dú)特的力學(xué)性能[9-12]。

對(duì)于電磁隱身結(jié)構(gòu)來(lái)講，以電磁隱身超材料為例，雖然容易與空氣阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)材料匹配特性，但是由于其單頻率窄帶的選擇特性，單層內(nèi)平面單元很難在超寬帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)的有效吸波，同樣需要多層超材料結(jié)構(gòu)匹配或者采用大厚度立體錐形設(shè)計(jì)，拓寬吸波帶寬。相比傳統(tǒng)的電磁隱身材料而言，電磁隱身超材料這類由亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的人工結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)各種新型功能器件的設(shè)計(jì)，為電磁理論開(kāi)辟了一個(gè)全新的研究方向，在隱身技術(shù)、微波器件、天線、頻率選擇表面等多領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展[13-26]。

與此同時(shí)，智能可調(diào)頻電磁隱身材料與結(jié)構(gòu)是解決隱身材料突出問(wèn)題的一種創(chuàng)新手段。通過(guò)調(diào)控隱身材料本征物理參數(shù)或者改變隱身材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)，可在多個(gè)頻段實(shí)現(xiàn)諧振吸收峰的移動(dòng)，轉(zhuǎn)變信號(hào)響應(yīng)的頻率，進(jìn)而改變隱身結(jié)構(gòu)對(duì)外界目標(biāo)電磁波頻段的響應(yīng)能力。因此，相同條件下，智能可調(diào)頻電磁隱身材料與結(jié)構(gòu)擁有更加優(yōu)異的吸波帶寬與靈活性，極大地降低了隱身材料的厚度和質(zhì)量，增強(qiáng)了隱身材料的寬頻響應(yīng)，并在智能化電磁響應(yīng)裝備中具有更廣的發(fā)展前景。

目前，智能電磁材料與結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到了同行的關(guān)注，并在近幾年內(nèi)取得了重要進(jìn)展。本綜述中，首先提出了一個(gè)相對(duì)粗略的電磁智能系統(tǒng)框架，該框架有待于同行們進(jìn)一步完善與修正。在此基礎(chǔ)上，從不同的層級(jí)分析討論了近幾年以來(lái)的典型例子，最后對(duì)智能材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了展望。由于篇幅關(guān)系，本綜述不能面面俱到，相關(guān)的優(yōu)秀工作可以從近幾年的其他綜述中查找閱讀。

1 從系統(tǒng)層級(jí)到材料層級(jí)

相比傳統(tǒng)的電磁材料與結(jié)構(gòu)而言，智能電磁材料與結(jié)構(gòu)對(duì)器件集成與系統(tǒng)組裝匹配方面的需求更加迫切，特別是通過(guò)主動(dòng)調(diào)控與變化的器件，在智能化系統(tǒng)中對(duì)多個(gè)學(xué)科與多個(gè)技術(shù)層面的交叉集成要求更高。圖1是筆者理解的相對(duì)粗略的電磁智能系統(tǒng)框架，有待進(jìn)一步完善與更正。

在圖1中，筆者初步思考了從智能材料到智能系統(tǒng)的層級(jí)與要素。首先，從綠色區(qū)域來(lái)看，智能系統(tǒng)需要構(gòu)建感知與響應(yīng)兩個(gè)功能系統(tǒng)，因而具有電磁響應(yīng)功能的智能化器件是響應(yīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成。進(jìn)一步往下，該器件是由特定結(jié)構(gòu)構(gòu)型的智能電磁響應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)集成，而影響該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵包括兩個(gè)方面—智能電磁結(jié)構(gòu)本征特性以及構(gòu)成結(jié)構(gòu)的智能電磁響應(yīng)材料。其次，黃色區(qū)域代表每一個(gè)層級(jí)所對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)。例如，在材料層級(jí)，電磁隱身材料的復(fù)介電常數(shù)、復(fù)磁導(dǎo)率、直流/交流電導(dǎo)率等對(duì)電磁響應(yīng)材料性能的影響很關(guān)鍵；在結(jié)構(gòu)層級(jí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特征尺寸、結(jié)構(gòu)中的材料分布規(guī)律、結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù)等會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)特性；在器件層級(jí)，器件的電磁響應(yīng)功能對(duì)組成器件的材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)、器件調(diào)節(jié)與控制參數(shù)等非常敏感；在系統(tǒng)層級(jí)，組成系統(tǒng)的各個(gè)器件之間交互參數(shù)與控制參數(shù)會(huì)影響系統(tǒng)的功能特性。再次，從藍(lán)色區(qū)域來(lái)看，對(duì)智能系統(tǒng)到智能材料的構(gòu)造而言，每個(gè)層級(jí)均需要不同材料體系（金屬材料、高分子材料、無(wú)機(jī)非金屬材料以及復(fù)合材料等）。因此，材料體系能夠涵蓋并服務(wù)于智能系統(tǒng)中的每一層級(jí)需求。在圖1中的上方部分為可調(diào)控外場(chǎng)，包括物理場(chǎng)或者化學(xué)場(chǎng)，目前可考慮為力、熱、聲、光、電、磁、化等。本文后續(xù)部分將圍繞提出的幾個(gè)層級(jí)分別進(jìn)行分析。

1.1 智能電磁響應(yīng)材料

在智能電磁響應(yīng)材料方面，主要從兩個(gè)場(chǎng)的角度進(jìn)行介紹，即熱場(chǎng)（溫度）與化學(xué)場(chǎng)。在溫度調(diào)控方面，主要考慮利用溫度依賴的介電性能與電導(dǎo)性能，不同溫度下，材料本征物理特性發(fā)生變化，影響電磁響應(yīng)功能的改變。國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展溫度調(diào)控與研究的課題組是北京理工大學(xué)曹茂盛教授小組[27-36]，其主要圍繞低維微納米材料體系（包括金屬氧化物與碳材料體系）進(jìn)行研究。此外，西北工業(yè)大學(xué)殷小偉教授小組[27-41]主要圍繞SiC材料體系開(kāi)展工作。如圖2所示，2018～2010年，曹茂盛教授課題組主要研究了具有溫度響應(yīng)的介質(zhì)材料（包括納米二氧化錳/二氧化硅復(fù)合材料、碳納米管/二氧化硅復(fù)合材料、碳纖維/二氧化硅復(fù)合材料、納米鈷鏈/二氧化硅復(fù)合材料等體系），由于氧化物與碳材料本征極化、電損耗及磁損耗會(huì)隨著溫度的升高而大幅變化，當(dāng)環(huán)境溫度在50～300 ℃變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料在8.2～12.4 GHz波段內(nèi)會(huì)實(shí)現(xiàn)不同帶寬的電磁隱身性能調(diào)控[27-36]。

在化學(xué)調(diào)控方面，可以通過(guò)外場(chǎng)引發(fā)相變或者引入新相實(shí)現(xiàn)。例如，南京航空航天大學(xué)姬廣斌教授等人[42]設(shè)計(jì)了一種柔性低頻雷達(dá)隱身器件，通過(guò)電壓控制，能夠?qū)崿F(xiàn)介電實(shí)部和虛部的可控調(diào)節(jié)，反射損耗值在1.5～2.0 GHz范圍內(nèi)低于-5 dB。在引入新相方面，宋維力等人[43]通過(guò)在多孔電介質(zhì)結(jié)構(gòu)中引入極性水分，調(diào)控多孔石墨烯雙三維結(jié)構(gòu)的本征電磁響應(yīng)參數(shù)，在電磁波微波頻段構(gòu)造了具有電磁響應(yīng)的三明治結(jié)構(gòu)，對(duì)電磁波的傳輸實(shí)現(xiàn)了調(diào)控。

1.2 智能電磁響應(yīng)結(jié)構(gòu)與器件

電磁響應(yīng)結(jié)構(gòu)中，電磁隱身超材料是一種典型的可設(shè)計(jì)人工結(jié)構(gòu)，能夠針對(duì)性地對(duì)電磁波進(jìn)行調(diào)控。國(guó)內(nèi)外從事電磁超材料（微波波段）研究的科研人員（高校與行業(yè)部門）較多，由于本文篇幅限制，國(guó)內(nèi)外電磁超材料課題組的工作進(jìn)展可以在近期發(fā)表的電磁超材料綜述中進(jìn)行查閱。

智能電磁響應(yīng)結(jié)構(gòu)分為兩類：一類是主動(dòng)調(diào)控型，另一類為被動(dòng)調(diào)控型。主動(dòng)調(diào)控型結(jié)構(gòu)通常需要匹配一個(gè)主動(dòng)調(diào)控器件，通過(guò)主動(dòng)控制該結(jié)構(gòu)中的材料參數(shù)或者結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電磁響應(yīng)功能變化。通常來(lái)說(shuō)，多數(shù)主動(dòng)調(diào)控型電磁響應(yīng)結(jié)構(gòu)以器件的形式呈現(xiàn)。相比之下，被動(dòng)調(diào)控型智能電磁響應(yīng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，由于不需要額外的主動(dòng)控制器件，這類結(jié)構(gòu)多為開(kāi)放式體系，能夠在環(huán)境或者外場(chǎng)變化的情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，主動(dòng)調(diào)控型電磁響應(yīng)結(jié)構(gòu)（器件）不僅要做好電磁響應(yīng)結(jié)構(gòu)中材料與結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)，還需要做好控制器件的參數(shù)匹配。在把握好兩者區(qū)別的基礎(chǔ)上，以下列舉的主動(dòng)調(diào)控型與被動(dòng)調(diào)控型結(jié)構(gòu)與器件不單獨(dú)分開(kāi)討論。

智能電磁響應(yīng)結(jié)構(gòu)與器件中，以電磁隱身為設(shè)計(jì)目標(biāo)的工作多以智能可調(diào)隱身超材料為主體，其設(shè)計(jì)理念是利用超材料頻率選擇的特殊性，在超材料設(shè)計(jì)時(shí)引入結(jié)構(gòu)或者材料可調(diào)頻參數(shù)，通過(guò)不同場(chǎng)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)電磁隱身超材料調(diào)頻功能[44-48]。目前，調(diào)控工作涉及在不同外場(chǎng)加載的可調(diào)電子器件領(lǐng)域。例如，江建軍教授等[44]設(shè)計(jì)了含 PIN二極管的有源頻率選擇表面的超材料隱身結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)中的偏置電壓改變諧振特性，在5.3～13 GHz實(shí)現(xiàn)最佳寬度隱身性能。黃善國(guó)教授課題組等[45]采用釔鐵石榴石設(shè)計(jì)了超材料隱身結(jié)構(gòu)，通過(guò)外磁場(chǎng)改變磁性超材料結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)分布，在8～12 GHz波段實(shí)現(xiàn)了窄帶吸收峰移動(dòng)。常勝江等教授[46]在超材料結(jié)構(gòu)中引入具有溫度響應(yīng)特性的InSb介質(zhì)，隨著溫度從160 K變化到350 K，吸收峰從0.82 THz逐漸增加到1.02 THz。引入新相調(diào)頻，通過(guò)設(shè)計(jì)環(huán)境開(kāi)放式電磁超材料，利用不同天氣條件下引入或者去除極性水分子、冰晶體等方式，對(duì)超材料的本征材料參數(shù)與結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了潤(rùn)濕與低溫環(huán)境調(diào)控的超材料電磁性能的智能調(diào)控。超材料力學(xué)性能還具備調(diào)控能力，適應(yīng)多種工況環(huán)境，為智能可調(diào)控電磁超材料的制備提供了新的方案[47]。此外，通過(guò)光控激發(fā)[48]與電荷注入或者化學(xué)摻雜調(diào)頻[49]的方法，也在太赫茲波段的超材料中得到了驗(yàn)證。

需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，這種主動(dòng)調(diào)控電磁隱身設(shè)計(jì)理念與機(jī)理不僅在微波波段能夠發(fā)揮優(yōu)異的特性，在光學(xué)波段也能夠?qū)崿F(xiàn)同樣的功能。如圖3所示，基于吸波材料工作機(jī)理（即1/4波長(zhǎng)相位干涉相消原理），2019年北京理工大學(xué)方岱寧院士團(tuán)隊(duì)[50]通過(guò)控制納米級(jí)硅膜的厚度（將其控制在1/4光學(xué)波長(zhǎng)范圍內(nèi)），利用硅膜的反射襯底銅構(gòu)造相位干涉相消。在此基礎(chǔ)上構(gòu)造電化學(xué)電池，巧妙地利用電壓控制電化學(xué)電池中鋰離子在納米硅膜中的脫嵌行為，調(diào)控硅膜的本征材料參數(shù)以及厚度參數(shù)，進(jìn)而驅(qū)使該器件對(duì)光線反射產(chǎn)生干擾。該器件具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用前景，能改變硅薄膜的初始厚度和導(dǎo)電集流體顏色，可以任意定制所需要的顏色調(diào)控范圍。通過(guò)光刻技術(shù)，可以定制各種顯色圖案。并且，該變色系統(tǒng)和硅基鋰離子電池具有良好的兼容性，在硅基鋰離子電池的可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控中也有巨大的應(yīng)用前景。

值得注意的是，進(jìn)行離位調(diào)控的其他方式，將來(lái)均可通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化電磁響應(yīng)。在材料層級(jí)，南開(kāi)大學(xué)黃毅教授與陳永勝教授等人[51]基于石墨烯氣凝膠，提出了壓力調(diào)控電磁隱身介質(zhì)，在 GHz波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了由體積變形引起的寬頻調(diào)頻隱身性能。在結(jié)構(gòu)層級(jí)，復(fù)旦大學(xué)彭慧勝教授與車仁超教授等[3]通過(guò)調(diào)整兩層陣列織物堆疊時(shí)的交互角度，改變了電磁波的極化與傳播損耗方式（組成材料沒(méi)有變化，三維空間中整體電極結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化）。當(dāng)交互角度在 0°～90°間時(shí)，能實(shí)現(xiàn) 7.2～12.2 GHz范圍內(nèi)有效電磁隱身帶寬的調(diào)控。

在智能電磁響應(yīng)系統(tǒng)方面（不包含較為成熟的智能通信系統(tǒng)），由于大量的工作集中在智能電磁隱身材料與結(jié)構(gòu)方面，智能電磁隱身系統(tǒng)方面相對(duì)成熟的工作相對(duì)較少，這方面不僅需要應(yīng)用產(chǎn)業(yè)部門提出關(guān)鍵需求，同時(shí)需要應(yīng)用研發(fā)部門與產(chǎn)業(yè)部門建立系統(tǒng)的產(chǎn)學(xué)研開(kāi)發(fā)鏈條。

2 結(jié)語(yǔ)

發(fā)展智能電磁響應(yīng)系統(tǒng)目前依然處于一個(gè)發(fā)展萌芽時(shí)間，隨著多個(gè)學(xué)科的快速發(fā)展，為該領(lǐng)域創(chuàng)造了一個(gè)充滿活力的多學(xué)科交叉環(huán)境。從目前來(lái)看，不論是智能電磁響應(yīng)系統(tǒng)，還是智能電磁響應(yīng)材料，在每個(gè)層級(jí)的設(shè)計(jì)、制造、集成、機(jī)理、評(píng)價(jià)等多個(gè)方面，都存在許多尚未解決的科學(xué)問(wèn)題。因此，需要同行科學(xué)與工程工作者們同時(shí)從不同層級(jí)與方向開(kāi)展工作，豐富智能電磁響應(yīng)系統(tǒng)中各方面的內(nèi)涵，推動(dòng)各個(gè)層級(jí)的發(fā)展步伐，從而能夠更早實(shí)現(xiàn)智能電磁響應(yīng)系統(tǒng)在實(shí)際工程中的使用，讓智能化裝備與智能化生活離我們更近。