吸波材料的电磁波吸收类型和机理吸收效果与那些因素有关？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-12-01 00:13 标签： 材料的电磁波吸收类型和机理

摘要： 随着隐身技术的快速发展，波吸收材料成为现代武器隐身技术的关键材料之一。本文主要介绍了吸波材料的概念，吸波原理和分类，并阐述了吸波材料的发展趋势及应用前景。

关键词： 吸波材料；隐身技术

随着隐身技术的快速发展，特别是现在战争及武器中隐身材料的深入广泛应用，制造并研究具有优异吸波功能的材料在隐身技术的发展及应用中起到了关键作用。所谓吸波材料是指能将入射的电磁波大部分吸收并转化成机械能、电能、热能或其他形式的能量而几乎不进行反射的材料。理想的吸波材料应具有吸收频带款、质量轻、厚度薄、机械性能好、使用简便等特点。隐身技术是随着军事的需要而产生的，国外在上个世纪50年代开始将吸波材料首先用在隐形飞上。上个世纪90年代的海湾战争中隐形飞机在战争中发挥的巨大威力，进一步促使各国对吸波材料的大规模研究、开发与应用。军事上的隐身技术主要通过两种方式实现，第一，是通过外形改造来实现隐身，也就是通过改变飞机等军事目标的外形来减小雷达搜索截获有效面积，从而实现隐身；第二是通过在物体表面涂覆吸波材料来实现隐身，主要是通过吸波材料对雷达波吸收而减少其反射，从而实现隐身[1-3]。

上个世纪60年代起，随着冷战的进行，前苏联和美国等军事强国相继开始了飞机隐身技术的研究。美国在60年代起首先将将吸波材料用于U-2侦察机，达到了非常好的效果。随后美国在70年代研究把特殊的吸波材料在F-14、F-18战斗机上规模使用，这极大促进了隐身技术在军用飞机上的应用。随后在80年代初美国研究出了性能更加优异的隐身飞机，其中的代表有B1-B、A-10等型号的隐身飞机。随后美国又开发出了F-117、B-2、F-22、A-12等具有代表意义隐形飞机[4]。这些隐身飞机不仅通过先进的外形设计来减小雷达搜索截获有效面积从而实现隐身，更重要的是它们使用先进的吸波材料，从而达到了完美的隐身。

随着中国“863”计划的实施及对国外隐身技术的跟踪研究，哈尔滨工业大学、国防科技大学、航空航天材料研究院等高校和科研院所陆续开始进行大量关于吸波材料和隐身技术的研究，特别是加强了结构型吸波材料的研究。以航空材料研究所为代表，研究碳纤维或碳化硅纤维增强塑料作为飞行器结构件，兼具吸波特性。

2 吸波材料的吸波原理

微波雷达是军事上探测检测目标的手段，微波雷达探测主要是利用电磁波在传播时遇到介质变化将在探测目标物界面产生感应电磁流，同时向四周辐射电磁能，通过这一原理分析截获的辐射电磁能判断和计算目标的距离、方位、大小和类型等。从上面的描述中，可以知道要想实现隐身而不被探测到，就只能避免对方接收天线截获到此辐射能。那么实现的方式就自然有两种，一种是通过材料的设计避免产生感应电流，即使用吸波材料；另外一种是通过外形设计避免天线接收到电磁能的辐射，即通过外形改造。

吸波材料是指能把投射到它表面的电磁波能量吸收并转化为机械能、电能、热能或其他形式的能量的一种材料。吸波材料一般由基体材料与吸收介质复合而成，吸波材料的基体材料可以叫做粘接剂，吸波材料的吸收介质可以叫做吸收剂。按照吸波机理的各不相同吸波材料，吸波材料可以分为两种类型：电损耗型和磁损耗型。电损耗型的吸波材料和磁损耗型的吸波材料都可以吸入和减弱电磁波，只是使用的办法不一样，前者的措施是使得介质的电子极化、离子极化或界面极化；后者主要采取的措施是磁滞损耗、畴壁共振和后效损耗等磁激化机制。以下是吸波材料介质中单位体积内吸收的电磁波能量τ的表达式[1]：

τ=■■ε■ε■E+μ■μ■H■（1）

其中：ε0为真空介电常数；μ■为真空磁导率；μ■为介质的复磁导率μ的虚部；ε■为介质的复介电常数ε的虚部；E为电磁波的电场矢量；H为电磁波的磁场矢量。从上面的公式可以看出，增大ε■和μ■，对于提高其吸波性能具有决定性作用[5]。

根据自身的特点、组成、制备方法等的不同，吸波材料具有许多分类方法，目前业内比较认可的是以下四种常用的分类方法。①按吸波材料损耗机理的不同，可分为电阻型吸波材料、介电型吸波材料和磁性吸波材料。其中介电型吸波材料以介质的电子极化或界面衰减来吸收电磁波，通常具有高的介电常数和介电损耗角的特点；磁性吸波材料具有较大的磁损耗角，主要通过铁磁共振吸收来损耗吸收电磁波。②依据吸收原理的不相同，能够将吸波材料划分为吸收型和干涉型。吸收型吸波材料通常情况下是就利用材料其本身吸收和减弱电磁波；干涉型吸波材料则一般则是利用吸波层表面和底层反的射波的振幅相等、相位相反阻止或者相互抵消掉电磁波。③依据成型工艺的好坏和承载能力的高低将吸波材料划分为涂覆型和结构型。结构型吸波材料具有承载功能和吸波功能，它的结构有角锥状、蜂窝状和波纹状等，如碳化硅纤维增强塑料飞行器结构件。涂覆型吸波材料是指具有电磁波吸收功能的涂料，工艺简单、使用方便，且因容易调节，目前在隐身兵器中被广泛应用。④吸波材料按研究时期还可以分为新型吸波材料和传统吸波材料。相对于传统吸波材料如：铁氧体、金属微粉、钛酸钡、碳化硅、石墨、导电纤维等，新类型的吸波材料主要采用了纳米材料、手性材料、金属晶铁纤维、导电高聚物及电路模拟吸波材料[6]。下面主要介绍按成型工艺和承载能力分的两大类吸波材料。

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近年来，以半导体元件为代表的电子器件尺寸越来越小，发热量不断提高，同时伴随而来的电磁干扰问题也越来越严重。使用导热吸波材料可以有效降低电子零部件的工作温度，同时减少或屏蔽其产生的电磁杂波。基于市场需求，行业内部总结出应具备的基本性能特征，如表1 所示。
表1 导热吸波材料的性能需求指标
导热吸波材料整体研发思路大致相同，即向高分子基体中添加功能填料使材料具有导热或吸波功能。通常在基体中添加铁氧体、羰基铁、羟基铁、羟基镍、羟基钴、导电聚苯胺、钛酸钡、石墨、碳纤维等吸波剂以获得优异的吸波性能，但填料与基体的导热系数普遍偏低。导热材料目前多采用氧化铝、氧化镁、氮化铝、氮化硅、氮化硼等绝缘填料，这些填料均不具备吸波功能。各研发单位通常在前期导热材料、吸波材料的研究基础上，通过在基体材料中混合加入传统导热填料和吸波剂，获得兼具导热、吸波功能的材料。
然而，由于橡胶等基体材料中功能填料的加入总量存在上限，某种(导热、吸波)填料添加量的提升必然造成另一种功能填料添加量的降低，使得导热吸波材料的导热性能与吸波性能存在此消彼长的矛盾，难以实现材料导热性能和吸波性能的同步提升。目前导热吸波材料的研发只能通过综合协调两种填料的添加比例来平衡材料的导热、吸波两种性能指标，无法满足敏感电子器件对材料兼具电磁波吸收功能和高效热传导能力的要求。
导热吸波材料的研发方法较为简单、常规，但制备出的导热吸波材料难以实现高效热传导性能和强电磁波吸收的兼容。国内外学者从导热、吸波单一功能材料的开发思路出发，寻找产生问题的原因，发现在材料微观结构设计过程中，需要材料内的吸波成分充分分散、隔离，以提高吸波效果、拓宽频率范围，而要提高材料的导热性能，要求材料内部高连续、低缺陷，形成热通路网链结构，导致材料的导热、吸波应用在结构方面存在设计矛盾，特别是的加入还会影响吸波剂功能的发挥，不利于材料吸波性能的设计，增加了导热吸波材料的开发难度和成本，延长了开发周期。同时，导热吸波材料主要是由导热填料、吸波剂以及橡胶高分子基体组成，当导热剂和吸波剂的含量较高时，会带来如材料的黏度增大、成型困难和成本提高等诸多问题，影响其在实际中的应用。
针对材料导热和吸波性能的影响因素较多且不同因素之间存在交叉作用的情况，该领域学者通过研究功能填料组分、颗粒尺寸、结构参数以及成型工艺参数等多因素之间的影响关系，综合分析各因素共同作用对材料性能的影响，试图获得具有实际指导价值的调控机制和方法。
BN的高导热特性以及电磁参数可调的优点，制备兼具导热和吸波功能的环氧树脂基材料，通过粉体直接添加、机械混合、高温固化等工艺完成了环氧树脂基导热吸波材料的制备，并与现有成熟产品性能进行对比，最终制备出的材料的导热系数和电磁参数如表2 所示。
表2 负载不同 BN含量的环氧树脂热导率和复介电常数
Zou 等以作为导热剂，羰基铁粉作为电磁波吸收剂，烯基硅油和含氢硅油为黏接剂制备导热吸波硅橡胶，研究羰基铁粉和氧化铝粉的配比对硅橡胶硫化前黏度、硫化后导热和吸波性能的影响，为导热吸波材料的设计和应用提供参考。制备的导热吸波材料的导热系数为2Ｗ/(ｍ·K)，热阻抗为 6℃·cm2/Ｗ，在5~15 GHz的频率范围内反射率小于-5db，样品的显微形貌图片如图1 所示。
图1 (ａ)氧化铝、(ｂ)羰基铁、(ｃ)Ｗ-4 的扫描电镜图和(ｄ)Ｗ-4 的放大图
Wang 等开发出一系列，在不改变设备 PCB设计的基础上，通过排除界面空气、提升散热效率来解决设备的过热问题，同时通过吸波功能解决设备内部或设备之间的电磁干扰行为，具有操作简便、效果显著的特点(图2)，验证了导热吸波材料的实际应用价值。

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