吸波材料研究进展_刘元军

质（ 金属、非金属类及氧化物类填料） 或掺杂剂（ 浓 硫酸、盐酸、三氯化铁及其它有机物） 经过一定的 复合工艺复合而成。目前，制备导电高分子复合吸 波材料的填料主要包括金属系材料和碳系材料金 属系材料两大类，碳系材料中的石墨、炭黑、碳纳米 管等以其优 异 的 性 能 而 得 到 广 泛 的 应 用［19］，与 其 他吸波材料相比，导电高分子材料密度小（ 只有铁 氧体的 1 /5） ，电导率可以在绝缘体、半导体和导体 范围内变化而呈现不同的吸波特性，可通过掺杂调 节电导率来控制其吸波性能，导电高分子材料的质 量轻、密度小（ 一般在 1. 0 g / m3 的范围内） ，且具有 很好的加工成膜、成纤性，电、光、压力等因素影响 其导电、颜色、红外等性能，结构多样，热稳定性好， 能较好的适应环境。目前对该材料的研究主要集 中在不同导电填料及其用量、不同掺杂剂对吸波性 能和导电性能的影响。据美国宾夕法尼亚大学的 报道用聚乙炔做成的 2. 0mm 的膜层，对 35. 00GHz 的微波吸收达 90% 。国内的研究人员将能导电的 高分子聚合物苯胺与氰酸盐晶须的混合物，悬浮在 聚氨酯或其他聚合物基体中研制出一种透明吸波 材料，这种材料可以喷涂，也可以与复合材料组成 层合材料。导电高分子作为一种新型的吸波材料， 由于其优良的特性，已成为研究的热点。
（ 2） 电介质陶瓷吸波材料 陶瓷类吸波材料目前国内外研制开发的主要 有碳化硅、氮 化 硅、氧 化 铝、硼 硅 酸 铝 材 料 或 纤 维 等，特别是碳化硅纤维或材料［17 － 18］。碳化硅纤维 具有高强度（ 1 ～ 4GPa） 、高模量 （ 150 ～ 400GPa） 、 耐高温（ ＞ 1200℃ ） 、抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变、低密 度等优异性能，是耐高温陶瓷吸波纤维之一。PZT （ 锆钛酸铅） 、BaTiO3 等电介质材料也具有良好的 吸波效果，但吸收带宽较窄。法国 Alcole 公司用玻 璃纤维、碳纤维和芳酞胺纤维制成复合纤维，在这 种复 合 纤 维 中 加 入 TiO2 后 可 使 其 耐 高 温 达 1200℃ ，其主要特征是具有较小的电阻率（ 0 ～ 10Ω ·cm） ，这使其具有较佳的吸波特性。 （ 3） 多晶铁纤维吸波材料 多晶铁纤维的研究始于 20 世纪 80 年代中期， 是一种轻 质 的 磁 性 雷 达 波 吸 收 材 料，吸 收 剂 包 括 Fe，Co，Ni 及其合金纤维吸收剂，具有复合损耗机 理（ 涡流损耗、磁滞损耗、介电损耗） 。目前所使用 的大部分隐身材料磁性吸收剂质量太重，难以实现 在导弹等飞行武器上应用。多晶铁纤维以其独特 的形状各向异性、质量轻、频带宽和斜入射性能好 等优点备受青睐。由于纤维的长度、直径、排列方 式、电导率等对吸波体的电磁参数的影响较大，所 制备的吸波体稳定性差，制备实用价值较高的纤维 吸波材料还有待进一步研究。 （ 4） 导电高分子吸波材料 导电高分子吸波材料一般是由有机高分子物 质（ 树脂类、橡胶类、聚乙炔、聚毗咯等） 与导电物
（ 1） 铁氧体吸波材料 铁氧体是铁元素与氧元素化合而形成的各类 化合物，属亚铁磁性材料，其相对介电常数和相对 磁导率均呈复数形式，为双复介质材料，具有磁吸 收和电吸收两种功能，吸波性能来源于亚铁磁性及 介电性能，其对电磁波的吸收主要通过极化效应和 自然共 振。 它 既 能 产 生 介 电 损 耗，又 能 产 生 磁 损 耗，因此具有良好的微波性能。铁氧体吸波材料是 目前研究较多而且比较成熟的吸波材料，在高频下 磁导率较高，而且电阻率也较大，使电磁波易于进 入并能快速衰减，被广泛地应用在雷达吸波材料及 隐身领域及光催化领域中［13 － 14］。铁氧体可分为尖 晶石型、石榴石型和磁铅石型等三种类型，均可作 为吸波 材 料。 铁 氧 体 系 列 吸 收 剂，包 括 镍 锌 铁 氧 体、锰锌铁氧体和钡系铁氧体等。铁氧体吸波材料 通常又分为尖晶石型与六角晶系两种类型，其中尖 晶石型铁氧体的应用历史很长，但由于尖晶石型铁 氧体的介电常数和磁导率都比较小，而且难以满足 相对磁导 率 和 相 对 介 电 常 数 尽 可 能 接 近 的 原 则。 目前对铁氧体的研究多集中于六角晶系，展开较多 的是 对 钡 系 M，W 型 六 角 晶 系 铁 氧 体 材 料 研 究［15 － 16］。单一铁氧体材料很难达到吸收频带宽、 厚度薄和面密度小的要求，若把铁氧体粉与磁性微 粒结合而制成复合铁氧体材料，可通过改变铁氧体
1. 2 吸波材料的研究概况
吸波材料种类繁多，各有特点，由于在军事和 民用上的广泛应用，使其在国内外掀起了研究新型 吸波材料的热潮，涂覆型吸波材料，又称吸波徐层， 由于其施工方便，吸波性能优良，得到广泛应用，目 前重 点 研 究 的 涂 覆 型 吸 波 材 料 主 要 有 以 下 几种［9 － 12］。
成都纺织高等专科学校学报 Journal of Chengdu Textile College 第 32 卷第 3 期（ 总第 117 期） 2015 年 7 月 Vol. 32，No. 3（ Sum 117）
吸波材料研究进展
刘元军，赵晓明，李卫斌
（ 天津工业大学纺内外研究现状，对吸波材料的应用和理论研究及测试进行了综
收稿日期： 2015 － 05 － 07 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 51206122） 第一作者： 刘元军（ 1986 － ） ，女，博士，研究方向： 吸波材料的制备及其性能研究。 通讯作者： 赵晓明（ 1963 － ） ，男，博士，天津市特聘教授，博士生导师，研究方向： 纺织材料与纺织品设计。
述，总结了吸波材料的发展前景与趋势。
关键词： 吸波材料 应用 理论研究 测试 发展前景
中图分类号： TM25
文献标识码： A
文章编号： 1008-5580（ 2015） 03-023-07
0 前言
随着现代科技的不断进步，电磁波辐射的影响 日益增大，这种影响体现在各种生活环境中。在机 场，飞机会因受到电磁波影响无法起飞而误点； 在 医院，移动电话等通讯设备常会影响一些电子诊疗 仪器的正常工作。电磁的出现，促进了人类文明的 进步，给人们的生活带来了极大方便，我们的日常 生活已经 离 不 开 电 磁 波，但 它 带 来 的 危 害 不 容 忽 视。近些年来，电磁波危害日益严重，已逐渐成为 一大环境污染，因此，治理电磁波污染，刻不容缓， 找到一个方法来抵御或减少电磁辐射的材料——— 吸波材料，已 成 为 当 今 科 学 研 究 领 域 的 一 个 重 大 问题。
1. 1 吸波材料的分类
吸波材料的种类繁多，吸波机理也不尽相同， 目前对吸波材料的分类存在多种方法，主要有以下 4 种［4 － 7］。
（ 1） 按吸波机理的不同，分为吸波型和干涉型 两类。前者主要是材料本身对电磁波的损耗吸收； 后者是利用吸波涂层表层和底层两列反射波的相 干即振幅相等、相位相反进行干涉抵消来设计吸波 涂层。当电磁波垂直入射到吸波涂层表面时，一部 分被反射出去，称之为第一反射波。其余部分透入 涂层，在自由空间与涂层的界面和涂层与金属的界 面之间进行来回反射。在反射波每次返回自由空 间与涂层的界面时，都有一部分波会穿出此界面，
1 吸波材料的国内外研究现状
所谓吸波材料，是指能够吸收或衰减入射的电 磁波，并将其电磁能转换成热能耗散掉或使电磁波 因干涉而消失的一类材料［1］。在工程领域，一般要 求吸波材料在较宽频带内对电磁波具有较高的吸 收率，另外还要求其具备质量轻、耐温、耐湿、抗腐 蚀等特点。
吸波材料的发展已有 40 ～ 50 年的历史［2 － 3］， 早在二战 期 间，美、英、德 等 国 为 了 各 自 的 军 事 目 的，针对雷达电子侦察和反侦察方面，开始对电磁
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成都纺织高等专科学校学报
2015 年 7 月
返回到自由空间。这部分波叠加以后形成第二反 射波。如果第一反射波与第二反射波处于同一偏 振面上，且相位差为 180°，则会发生干涉，使总的 反射波 能 量 发 生 急 剧 衰 减，其 缺 点 是 吸 收 频 段 很窄［8］。
（ 2） 按 材 料 耗 损 机 理 的 不 同，可 分 为 电 阻 型 （ 导电损耗型） 、电介质型（ 介电损耗型） 和磁介质 型（ 磁损耗型） 。非磁性金属粉末、导电高分子及 石墨等属于电阻型吸波材料，电磁能主要衰减于电 阻上，其机 理 为 当 吸 波 材 料 受 到 外 界 磁 场 的 感 应 时，吸波材料会在导体内产生感应电流，感应电流 继而又产生与外界磁场方向相反的感应磁场，与外 界磁场相互抵消，从而达到对外界电磁场的屏蔽作 用； 钦酸钡、铁电陶瓷等属于电介质型吸波材料，其 机理为依 靠 介 质 的 极 化 现 象 即 电 子 极 化、分 子 极 化、离子极化或界面极化等对电磁波进行弛豫、衰 减、吸收； 铁氧体、羧基铁粉、磁性金属等属于磁介 质型吸波材料，这类吸波材料的吸波机理主要可归 结为以自然共振、畴壁共振、磁滞损耗和后效损耗 等磁极化机制来衰减、吸收电磁波，其具有较高的 正切磁损耗角，吸波能力较强，吸收频带较宽，是目 前应用最为广泛的吸波材料类型。
（ 3） 按材料成型工艺和承载能力，可分为涂敷 型和结构型两大类。涂敷型吸波材料是将吸波剂 与粘合剂混合后涂在目标表面形成吸波涂层，使材 料具有一定的吸波效果，其以涂覆方便灵活、可调 节性高、吸收性能好等优点受到世界各国的重视。 此外，国外还在研制含放射性同位素的涂料和半导 体涂料，其特点是吸波频带宽，反射衰减率高，使用 寿命长； 结构型吸波材料具有承载和吸收雷达波的 双重功能，通常是将吸波剂分散在层状结构材料或 特种纤维增强结构材料中所形成的结构复合材料， 或是以透波性能好、强度高的高聚物复合材料（ 如 玻璃钢，芳纶纤维复合材料等） 做面板，夹芯采用 蜂窝状、角锥体或波纹体的夹芯结构吸波材料。可 成型成各种形状较为复杂的部件，如机翼、尾翼和 进气道等，具有涂敷型材料不可比拟的优点，是当 代隐身材料的主要发展方向。
（ 4） 按研究时期还可以分为新型吸波材料和 传统吸波材料。传统的吸波材料包括铁氧体、金属 铁粉、轻基铁、钦酸钡、石墨、碳化硅、导电纤维等， 缺点是吸波频带窄、密度大等； 新型吸波材料有导
电聚合物、高分子聚合物、手性材料、纳米材料、视 黄基席夫碱等，其具有吸收能力强、密度小等优点。 但不论是哪一类的吸波材料，单独使用其中一类或 一种很难 满 足“薄、轻、宽、强 ”的 要 求。 利 用 复 合 材料的协同效应及电磁参数可调的优点，将不同吸 收频带、不同损耗机制（ 介电型损耗、电阻型损耗、 磁损耗） 、不同吸收机理的材料进行多元复合，有 可能实现厚度薄，吸收频带宽、质量轻、吸收强的目 标。近年来，对同时具有两种或两种以上功能特性 的复合吸波材料的研究正逐渐成为热点。
第3 期
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粉体的粒径、组成等来控制其电磁参数，提高吸波 性能。铁氧体吸收剂具有吸收强、吸收频带宽的特 点，具有较好的频率特性，由于其相对磁导率较大， 且相对介电常数较小，适合制作匹配层，在低频拓 宽频带方面具有良好的应用前景。铁氧体吸波材 料耐高温性能差，当温度由 250℃ 至 100℃ 变化时 其吸收性能呈下降趋势，由于面密度较大，在隐身 飞行器应用中受到很大限制，而高速飞行器（ 如米 格 25） ，要求吸波材料在 600℃ 以上工作，国内对铁 氧体的研究水平吸收频宽为 8 ～ 18GHz，吸收率为 10dB，面密度 5kg / m2 左右。日本研制出的由阻抗 变换层和低阻抗谐振层匹配组成的双层结构宽频 高效吸波涂料，可吸收频率为 1 ～ 2GHz 的雷达波， 吸收率为 20dB。
波吸收材料进行大量的探索性工作。当时的目的 之一是为了减小潜艇潜望镜的雷达散射截面。在 40 ～ 50 年代间这方面的工作有了一定的进展，上 世纪 60 年代初，美国空军给予了隐身技术及吸波 材料很大关注，开始把吸波材料应用于空军的很多 机型上，如 F － 14、F － 15、F － 18 等战斗机型和 F － 117 隐形飞机。70 ～ 80 年代间吸波材料进入了快 速发展阶段，80 年代以来，世界各国投巨资并加大 对吸波材料的研究力度。随着电信行业的快速发 展，吸波材料已广泛应用于通信、环境保护、人类和 其他领域的保护。