陶瓷吸波材料的研究进展_范跃农

《陶瓷学报》

JOURNAL OF CERAMICS

第31卷第1期2010年3月

Vol.31,No.1Mar.2010

文章编号：1000-2278（2010）01-0538-04

陶瓷吸波材料的研究进展

范跃农1，

2

龚荣洲2

（１．景德镇陶瓷学院，景德镇：３３３４０３，２．华中科技大学，武汉：４３００７４）

摘要

简述了在当今世界能提高各类武器在战争中的生存能力、防卫能力和攻击能力的隐身技术，对其在现代高技术武器装备中的重要作用进行了肯定。对隐身技术中占重要地位的电磁波吸收材料的种类、吸波原理及吸波方式做了进一步阐述。重点讨论了陶瓷吸波材料的吸波原理、组成结构和方式，并着重介绍了几种最近几年陶瓷吸波材料的最新研究成果，列举了它们的吸波性能参数。最后，对陶瓷吸波材料发展方向进行了展望。关键词隐身技术，陶瓷，吸波材料，研究进展中图分类号：ＴＱ１７４文献标识码：Ａ

１引言

随着电子技术的发展,新型雷达、探测器及精密制导武器相继问世，军事空中防御能力和反导弹能力日益增强，使得武器系统，特别是大型作战武器，如飞机、导弹、舰艇、坦克等所面临的威胁越来越大，作为提高战争中的生存能力、

防卫能力和攻击能力的隐身技术，普遍受到世界各国的高度重视。

隐身技术是指降低目标的雷达、红外、激光、磁信号等特征，使其在一定范围内难以被探测，从而提高其生存能力的技术。

已经成为现代电子战争的重要组成部分，它伴随着武器攻击、防卫技术的发展而产生，其最终目的是使武器系统能在多个的频率范围，进行多方位的隐身。隐身技术发展的关键在于材料技术的发展，要求材料具有质量轻、适应性强的特点。为了适应未来战争的需要，世界各发达国家都在积极致力于开发新型高效的吸波材料，并对其吸波机理进行更进一步的研究[1]。

吸波材料是隐身技术中不可缺少的组成部分，隐身兵器主要依靠吸波材料来吸收和衰减雷达波以达到隐身的目的。

２吸波材料的分类

按照吸波材料的结构，可将其分为涂料型吸波材

料、贴片型吸波材料、吸波腻子、吸波复合材料等[2]。

按照吸波机理可以将吸波材料分为磁损耗型吸波材料、介电损耗型吸波材料和“双复”型吸波材料三类。

陶瓷吸波材料属于介电损耗型吸波材料，主要包括碳化硅、Si 3N 4、莫来石、钛酸钡、Al 2O 3、AlN 、堇青石、硼硅酸铝、粘土和炭黑等一类陶瓷材料，同铁氧体、复合金属粉末等比较，这一类材料的吸波性能好，而且还可以有效地减弱红外辐射信号，能有效损耗雷达波的能量。由于它们比重小、耐高温、介电常数随烧结温度有较大的变化范围，是制作多波段吸波材料的主要成分，有可能通过对显微结构和电磁参数的控制，来获得所希望的吸波效果。此外，由金属微粉和陶瓷微粉共烧而成的以金属为分散相，陶瓷为连续相的金属陶瓷也属于这一类。这一类材料对雷达波能量的吸收、转移主要以热能形式散发[3]。

要达到良好的吸波效果，必须具备以下两个条件：(l)入射来的电磁波要尽可能多地进入吸波材料而不被反射；(2)材料要能将电磁波损耗吸收掉[4]。因此，

收稿日期：2009-10-11通讯联系人：范跃农

DOI:10.13957/ki.tcxb.2009.04.022

陶瓷吸波材料多采用具有阻抗渐变的多层吸波体结构，通过阻抗匹配层的匹配作用，使空间入射来的电磁波尽可能多地进入吸波材料而被损耗吸收。优化设计结果表明，阻抗变换层具有较低的介电常数时，有利于雷达波进入吸波材料内部，从而表现出较好的吸波性能[2]。

３陶瓷吸波材料的最新研究进展

３．１碳化硅吸波材料

在陶瓷吸波材料中，碳化硅（SiC）是制作多波段吸波材料的主要成分，通过它能实现轻质、薄层、宽频带和多频段吸收的目的，应用前景广阔[5]。国外耐高温陶瓷吸收剂的研究报道多以碳化硅为主。它不仅是一种性能优异的结构陶瓷材料，具有高硬度、大高温强度、抗蠕变、耐腐蚀、抗氧化、小的热膨胀系数、高的热传导率等特点；它的粒径、热处理时间等对其吸波性能的影响也很大，所以可以通过控制制作过程的工艺参数，来对其显微结构和电磁参数进行控制，从而获得理想的吸波效果[6]。

碳化硅陶瓷吸波材料的损耗机理较为复杂，一般认为是多种损耗机制的共同作用。在不同条件下(如热处理、晶粒大小、形貌以及掺杂等)，以不同的损耗机制作为吸收的主要原因。在一定条件下，碳化硅的损耗机制以介电极化为主。

目前，碳化硅吸波材料的应用形式多以碳化硅纤维为主，即吸收层是由碳化硅的纤维组成。这种吸收剂在强度、耐热和耐化学腐蚀方面的性能较好，并且能得到满意的宽频带吸收性能。碳化硅陶瓷纤维最初是由日本东北大学教授矢岛圣使在1975年采用先驱体转化法制备的[7]。运用超声将平均粒径30nm的超细金属钴粉均匀分散到聚碳硅烷中，通过熔融纺丝、烧结等处理，制备出具有良好力学性能、电阻率连续可调的掺杂型磁性碳化硅陶瓷纤维。将这种纤维正交铺排，与环氧树脂复合，制备出三层结构吸波材料，具有良好的微波吸收特性。一种合成厚度为6mm的三层结构吸波材料在8.0～12.4GHz频率范围内，反射衰减可高达-12dB以上，最大可达-16.3dB，其中小于-15dB的宽度约为1.2GHz[8]。

北京工业大学的葛凯勇等人，以化学还原的方法制备出粒度约为0.2μm左右的超细镍粉，与碳化硅混和，在一定的配比下制备成吸波涂层材料，使吸波涂层最小的反射率都能够达到-23.59dB。他们提出了微观层复合的设想，并利用化学镀的方法对碳化硅粉表面进行了改性处理，使金属镍沉积在碳化硅颗粒的表面，材料在合理配比下的最小反射率为-22.07dB。他们还采用宏观层复合的方法，将超细镍粉涂层与碳化硅涂层复合制备成多层吸波材料，改善了吸收峰值和吸收带宽[9]。

３．２ＳｉＣ（Ｎ）吸波材料

济南大学的周东等人，对SiNCO粉末的吸波性作了研究。他们对以氯硅烷为单体合成的聚硅氮烷，经裂解、球磨制得的黑色粉末进行了红外、相分析、元素分析及吸波性测试，并通过改变单体配比，改变粉末中C元素的含量，探究粉末吸波性的变化。实验结果表明，SiNCO粉末在38.0～39.5GHz高频带表现出较好吸波性，衰减大于-10dB；SINCO粉末与Fe3O4按一定比例复配后，在32.0～39.5GHz (Δ=7.5GHz)，衰减大于-10dB，最高达-25.8dB[10]。

西北工业大学的罗发等人，在SiC(N)吸波材料与空气之间添加LAS玻璃陶瓷后，降低了电磁波在空气与吸波材料界面上的反射，使更多的电磁波进入了吸波材料中。在SiC(N)/LAS吸波材料中，纳米SiC (N)吸收剂是N原子取代了纳米SiC中的C原子，形成的具有晶格缺陷的纳米SiC。由于N只有三价，只能与三个Si原子成键，而另外的一个Si原子将剩余一个不能成键的价电子形成一个带负电的缺陷。这个电子可以在有限的范围内运动，故被称为“准自由电子”。在电磁场中，这种“准自由电子”的位置随电磁场的方向而改变，导致电子位移，“准自由电子”从一个平衡位置跃迁到另一个平衡位置，要克服一定的势垒，从而运动滞后于电场，出现强烈的极化弛豫，损耗电磁波能量。另一方面，虽然碳是很强的电磁波反射材料，但是由于形成的碳界面层很薄，而且均匀分散于吸波材料之中，电磁波能够在穿透过程中被损耗掉，因此，正是碳界面层与纳米SiC(N)的共同作用，提高了吸波材料对电磁波的吸收率[11]。

３．３莫来石陶瓷

西北工业大学的罗发等人还对莫来石陶瓷的与