陶瓷吸波材料的研究进展

第３０卷第４期　２００９年ｌ２月　《陶瓷学报》　

Ｊ０ＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＣＥＲＡＭＩＣＳ　Ｖｏ１．３Ｏ．Ｎｏ－４　

Ｄｅｃ．２００９　

文章编号：１０００—２２７８（２００９）０４—０５３８－０４　陶瓷吸波材料的研究进展　范跃农　，　龚荣洲　（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　

２吸波材料的分类　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　步的研究ｎ１。　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。　

收稿日期：２（ｘ）９一ｌＯ一１１　通ｉｔｔｊＲ系人：范跃农　

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［２ｌ。　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　、莫来石、钛酸钡、Ａｌ２０　、Ａ１Ｎ、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　１。　要达到良好的吸波效果，必须具备以下两个条　件：（１）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Ｉ４１。因此，　《陶瓷学报））２００９年第４期　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　波性能圆。　

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，应用前景广阔嘲。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　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旧。　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ｍ。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　衰减可高达一１２ｄＢ以上，最大可达一１６．３ｄＢ，其中小　于一１５ｄＢ的宽度约为１．２ＧＨｚｔａＪ。　

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０．２　ｍ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一２３．５９ｄＢ。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，本拌帕拾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　和吸收带宽聊。　３．２　ＳｉＣ（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，衰减大于一１０ｄＢ；ＳＩＮＣＯ粉　末与Ｆｅ　按一定比例复配后，在３２．０—３９．５ＧＨｚ　（Ａ＝７．５ＧＨｚ），衰减大于一１０ｄＢ，最高达一２５．８ｄＢｔⅧ。　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　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【ｌ１　。　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　《陶瓷学报））２００９年第４期　陶瓷吸波性能密切相关的复介电常数进行了研究。莫　来石陶瓷具有耐高温、抗氧化、低热导率、低膨胀系　数、低蠕变、低弹性模量、高温下强度不会衰减等优良　特性，加之化学稳定性好、抗腐蚀耐磨、来源方便、价　格便宜，可作为优质的高温结构材料，在航空航天领　域有着极好的应用前景，其适中的复介电常数将有利　于制备出具有良好力学性能和吸波性能的高温吸波　材料。莫来石陶瓷复介电常数的实部和虚部与莫来石　陶瓷的烧结致密度、烧结助剂有关。烧结致密度升高　时，莫来石陶瓷复介电常数的实部和虚部均升高，添　加ＭｇＯ烧结助剂后，莫来石陶瓷复介电常数的实部　和虚部也有所升高，直接提高材料的吸波性能；且其　复介电常数无明显频散效应ｕ　。　３．４铁氧体　中国海洋大学的侯进、陈国华等人对铁氧体　／ＳＩＣ／石墨系列三层复合吸波涂层进行了研究，他们　以铁氧体、ＳｉＣ和石墨作为吸波剂，制备出了具有阻　抗渐变结构的三层复合吸波涂层，并详细探讨了三种　吸波剂含量、各层涂层厚度以及中层ＳｉＣ粒度等因素　对吸波性能的影响。他们得出的结论是：　（１）增加底层铁氧体含量、中层ＳｉＣ含量、表层　石墨含量以及涂层厚度，复合吸波涂层的吸波性能曲　线会向低频方向移动。　（２）复合吸波涂层的反射损耗和频宽均随底层铁　氧体含量的增加而增加，当铁氧体含量由３０％增加　到６０％时，最大反射损耗可以增加一１０．３６ｄＢ，而　１０ｄＢ以下的频宽则拓宽至２．８０ＧＨｚ。如果考虑涂层　的附着力和涂层密度等问题，铁氧体的质量百分含量　选为６０％为佳。　（３）当底层铁氧体含量为６０％，中层ＳｉＣ（３２０目）　含量为４６％和５０％，表层石墨含量为２３％时，制得　了两种三层吸波涂层，一５ｄＢ以下的频宽分别为　６．５２ＧＨｚ和５．１６ＧＨｚ，一１０ｄＢ以下的频宽分别为　３．５２ＧＨｚ和２．８４ＧＨｚ，对应的最大反射损耗分别为　３５．７４ｄＢ和一３９．２５ｄＢ。当底层铁氧体含量为６０％，　中层ＳｉＣ（１０００目）含量为３３％，表层石墨含量为　２３％时，制得的三层吸波涂层在一５ｄＢ和一ｌＯｄＢ以下　的频宽分别为８．６８ＧＨｚ和４．０８ＧＨｚ，对应的最大反射　损耗则为一１８．７８ｄＢ。　（４）适当增加涂层的厚度可以改善吸波效果。　对于底层铁氧体含量为６０％、中层ＳｉＣ（３２０目）含　量为３３％和表层石墨含量为２３％的三层涂层，各层　厚度分别增加一倍，均可提高涂层的反射损耗和吸　波频宽；其中增加底层厚度反射损耗和吸波频宽的　增加最为显著，一５ｄＢ和一１０ｄＢ以下的频宽分别增加　到４．７２ＧＨｚ和２．４８ＧＨｚ，对应的最大反射损耗为　３７．８８ｄＢｆ６】。　陶瓷吸波材料的种类很多，近几年来的发展也很　快，但限于篇幅，这里只能介绍这几种目前开发得比　较怏、性能较理想的材料。　

４结束语　隐身技术不仅影响着现代战争的胜负，而且还将　影响现代战争的模式，随着高科技的发展，未来的武器　系统将综合采用各种隐身技术来提高武器系统的突　防和攻击能力，实现宽频段、全方位、多功能的隐身将　成为隐身技术发展的总趋势。经过几十年的努力、吸　波材料的研究己取得了一定的进展，但是还存在一定　的不足之处。为适应实际战争的需要，吸波材料要满　足“薄、轻、宽、强”和的耐腐蚀性要求，由于陶瓷吸波　材料本身在这些方面的性能优势，所以对陶瓷吸波材　料的开发将任重而道远。