多孔结构型吸波材料的研究进展

高 乔 孙诗兵 田英良 王子明

（北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124）

多孔结构型吸波材料的研究进展

高 乔 孙诗兵 田英良 王子明

（北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124）

在阐述阻抗匹配和电磁波介质吸收的机理基础上，说明多孔结构型吸波材料的高效吸波的优势和发展动力。系统的归纳了目前无机多孔结构型、有机多孔结构型、多孔金属结构型吸波材料的研究现状，并提出了不同种类吸波材料存在的问题，指出基体结构的改性将会是多孔结构型吸波材料以后的主要研究方向。

微波吸收；多孔结构；吸波机理；研究现状

实现目标物的隐身主要是通过外形设计和使用电磁波吸收材料来降低电磁波的反射率，从而降低可探测性达到隐身的目的[1]。在实现隐身的过程中，由于目标物的外形设计受到诸多方面因素的制约，往往难以达到预期目的，因此高性能吸波材料的发展和应用成为决定隐身技术发展的关键因素之一。

吸波材料按成型工艺和承载能力可以分为涂敷型和结构型两大类。涂敷型吸波材料是将粘结剂与石墨、SiC纤维、铁氧体等吸波剂混合后涂覆于目标物表面而形成的吸波涂层[2]，这类吸波材料施工简易且对目标物外形适应性强，但这种吸波涂料普遍存在着易脱落、维护成本高，吸波频段受厚度的影响相对较窄，对吸波剂要求高，因而难以达到当前对吸波材料“薄、轻、宽、强”的发展要求。结构型吸波材料通常是将吸波剂与特定的基体材料复合而制备的一种多功能性复合材料[3]。其中吸波剂提供吸波所必需的电磁性能，基体材料不仅具有承载能力、耐高温、耐候等物理性能，同时决定了电磁波在材料内部的传播情况，因而对基体材料进行合理的结构设计可以有效改善材料的吸波性能。目前常用的基体材料结构形式主要是多层平板结构、多孔结构、角锥状结构等，其中多孔结构吸波材料由于其较低的密度，并且通过气孔尺寸、气孔率等方面对吸波材料的波阻抗进行调节，以此来改善材料表面与自由空间的阻抗匹配，如碳化硅泡沫、多孔陶瓷、泡沫铝和聚氨酯等是人们如今较为关注的多孔基体材料。

1 多孔结构型吸波材料的机理研究

相比于实体材料而言，多孔材料具有许多优异性能，如密度小，导热性能低，抗热震性好，吸音性能好等[4]。近几十年来，人们对其吸音性能、保温性能、抗热冲击性能等诸多性能均进行了系统的研究，但是以多孔材料为基体制备的吸波材料少有报道。多孔结构对吸波材料吸波性能的影响主要体现在两个方面：

1)基体阻抗匹配性能的改善；

2)电磁波的电磁损耗机制的增强。

1.1 阻抗匹配

根据电磁波在介质中的传播特性，当入射电磁波由自由空间进入吸波材料表面时，由于二者之间的波阻抗差异性较大，电磁波会在交界面处产生反射现象。根据传输线理论，入射电磁波由波阻抗为Z0的自由空间垂直入射到波阻抗为Z的吸波材料表面时，电磁波在界面处的反射率R为[5]：

由式（1）中可知，当Z0=Z时，反射率为零，入射电磁波全部进入吸波材料内部，吸波材料具有相对优异的吸波性能。但是现有材料极难满足这一条件，因而通过改变吸波材料表面波阻抗，减小界面处的阻抗差异，从而改善入射电磁波的阻抗匹配条件，减少电磁波在界面处的反射。多孔材料可以看成两相组合的复合材料，由介质和气相组成，相比于实体介质而言，其界面波阻抗的匹配性更好，同时蜂窝状的孔结构可以使得吸波材料与自由空间之间形成良好的连通性，电磁波进入吸波材料内部变得更加容易[6]。

1.2 电磁损耗

电磁波在多孔材料中传播时，除了因吸波介质对电磁波进行电磁损耗之外，吸波材料内部的泡孔腔体及泡孔之间的结构还会对电磁波产生一定的散射、反射等作用[7]，这一过程会对电磁波产生极大的损耗。

当电磁波从自由空间进入多孔吸波材料时，一部分在多孔材料表面的孔结构处进行多次反射，剩余未被损耗的电磁波重新返回自由空间；其余部分电磁波进入吸波材料内部，在泡孔孔壁处会发生反射、折射等现象，发生反射的电磁波在损耗部分电磁能后透过外表面返回到自由空间，而发生折射的电磁波则是穿过孔壁进入泡孔，在其中发生多次反射及震荡损耗，随后穿过孔壁的电磁波在多孔材料内部又开始重复以上过程，直至到达多孔材料下表面并在金属板处发生全反射，再次重复以上步骤，最终未完全损耗的电磁波经折射后再次进入自由空间。因此可知，多孔吸波材料对电磁波的吸收主要分为两个方面：基体材料对电磁波的吸收损耗和泡孔结构对电磁波的散射损耗。

基体材料对电磁波的损耗则是电磁波在气泡之间传播及电磁波在孔壁上多次反射、折射与基体材料接触所产生的吸收损耗，损耗效果受基体材料的电磁性能影响极大。

泡孔结构对电磁波的散射损耗主要包括单个泡孔内的震荡损耗及多个气泡之间的散射损耗。一部分是当电磁波进入气泡内部时，会产生明显的震荡效应，产生一定的谐振损耗；另一部分是当电磁波在材料内部传播时，遇到泡孔结构时将会发生散射现象。一般情况下，当孔径尺寸与电磁波波长相近时，电磁波将会发生米氏散射；当孔径尺寸远小于电磁波波长时，电磁波将会发生瑞利散射[8]。米氏理论认为散射现象在一定程度上增加了电磁波的路程差，从而增加了材料对电磁波的损耗吸收。

2 多孔结构型吸波材料的研究现状

为了获得吸波性能优异、机械性能良好的吸波材料，致力于研究高性能吸波剂的同时，多孔基体材料的研究也愈加受到关注。多孔基体材料作为吸波材料的骨架结构，选择需要综合考虑吸波材料的使用环境、力学性能要求、加工难易程度等多方面因素影响。根据多孔基体材料成分不同，可以将其分为无机多孔结构型吸波材料、有机多孔结构型吸波材料、多孔金属结构型吸波材料。

2.1 无机多孔结构型吸波材料

无机多孔结构型吸波材料主要是以多孔混凝土[9]、发泡陶瓷[10]、泡沫玻璃[11]等无机多孔结构作为基体材料，掺杂高性能吸波剂作为吸波介质而制备的功能性吸波剂。其中发泡水泥、多孔混凝土不需经过高温阶段，在常温环境下通过物理发泡或化学发泡的方法制备而得[12]，制备方法简单，易于加工；发泡陶瓷、泡沫玻璃则是通过将基料与发泡剂球磨混合之后，通过高温发泡的方法制得[13]。无机多孔型基体材料具有优异的力学性能、耐热震性、耐候性、抗腐蚀性、吸音等性能，因而可以适用于环境较为恶劣的岛礁地区或高寒地带，同时，无机多孔基体材料主要由Al2O3，SiO2等透波性介质组成[14]，改善了材料表面与自由空间的阻抗匹配，使得入射电磁波不会在吸波材料表面产生严重的反射，提高了吸波材料的吸波性能。

Hsu和Howell等[15]在假设多孔材料为一个均匀分散的多孔结构，每个气孔均为独立球形，并且气孔之间散射效应无相互影响的基础上，根据几何光学理论推导出网眼多孔陶瓷的光衰减数学表达式：

式中：K为光衰减，d为孔径，p为气孔率。

Tong和Li的研究也给出了多孔介质的光衰减系数与光衰减效率的关系：

式中：K为光衰减系数，Q为光衰减效率，D为纤维直径，p为气孔率。

Zhang等[16]使用有限元法模拟多孔SiC的孔结构并计算了不同形态下SiC材料的反射率，得到多孔SiC材料的吸波性能优于块体SiC和颗粒SiC材料，这主要是由于多孔结构对材料阻抗匹配的改善及结构损耗。朱新文等[17]对孔径大小对多孔碳化硅陶瓷的吸波性能的影响进行了研究。作者发现孔径尺寸的减小在一定程度上有利于电磁波在多孔结构中的衰减，但孔径过小反而会损坏吸波材料的吸波性能。同时适当的增加相对密度及厚度也可以改善材料的吸波性能。管洪涛[18]提出了EPS颗粒填充水泥复合材料的复合吸波结构，并分析了EPS填充率、EPS颗粒直径以及试样厚度对复合材料吸波性能的影响。

2.2 有机多孔结构型吸波材料

有机多孔结构型吸波材料是在聚氨酯、聚苯胺及聚苯乙烯等有机多孔基体中掺加石墨、合金微粉、碳纤维等高性能吸波剂而制得的。当入射电磁波进入吸波材料时，吸波材料内部的吸波介质与入射电磁波发生作用，从而将电磁能转化为热能，同时吸波材料的多孔结构也会对电磁波产生一定的结构损耗，进一步提高材料的吸波性能[19]。目前，对于有机多孔结构型吸波材料的研究以聚氨酯基及聚苯乙烯基吸波材料为主。

软质聚氨酯基吸波材料是将聚氨酯切割成特定的形状，通过浸渍吸波剂溶液，之后烘干而制得[20]，这种方法可以不需要借助模具而制备复杂形状的吸波材料，极大地降低了成本，并且聚氨酯基吸波材料本身具有优异的力学性能、保温性能及轻质高强等性能，可以与吸波剂良好的相容性，使得其得以广泛的应用。Esfahani 等[21]通过分析聚氨酯材料的孔壁、密度对材料吸波性能的影响，发现厚孔壁、大孔径泡孔结构的聚氨酯具有较好的吸波性能。Kucerova等[22]在聚氨酯基体中填充碳质吸波剂制备功能性吸波材料，并分别研究了不同掺量的炭黑、碳纤维、碳纳米管对吸波材料的电磁波吸收性能的影响。Yu等[23]报道通过调控碳纤维的直径及掺加量可以制备性能可控的聚氨酯基电磁波吸收材料，当样品厚度为3.5mm时，在2～18GHz频段范围内其反射率小于-10dB的带宽为3GHz。张义桃等[24]通过掺加铁氧体、石墨及其复合物制备聚氨酯基平板吸波材料，实验表明，单种吸波剂掺加难以达到理想的吸波效果，二者复掺可明显改善材料的性能。

聚苯乙烯基吸波材料一般是在聚苯乙烯颗粒表面均匀涂覆一层吸波剂作为骨料，之后通过粘结剂粘结并压制成型制成。聚苯乙烯颗粒是球形闭孔颗粒，可以看成是一个谐振体，电磁波在腔体内通过震荡、干涉、吸收作用，实现电磁波的有效损耗。王相元等[25]通过将聚苯乙烯颗粒表面改性，之后与吸波材料复合制备得到角锥形吸波材料，实验结果表明，在2～18GHz频段范围内，吸波材料的反射率均优于-50dB。

2.3 多孔金属结构型吸波材料

多孔金属材料是一种新型的复合材料，这类材料具有结构与功能材料的双重特性，不仅具有质轻、强度高的特点，同时具有保温、减震、吸音[26]、电磁屏蔽[27]等一系列的功能，由于其优异的吸音性能及电磁屏蔽功能，人们开始将目光转向其吸波性能方面的研究，其中以泡沫铝的应用研究最为广泛。多孔金属型吸波材料是一种典型的吸波/承载复合结构材料。它主要是以由金属骨架、吸波剂、孔隙组成的多孔状结构复合材料，其中金属骨架的成分可以调节，如铝、铁、镍等[28]。刘欣等[29]在泡沫陶瓷研究的基础上，分析了相对密度及微波频率对吸波性能的影响。研究结果表明，随着相对密度的降低，材料的吸波性能得到明显改善，当相对密度为0.117时，在25～40GHz频段范围内，优于-10dB的带宽高达6.6GHz，其中频率越高，材料的吸波性能越好。薛向欣等[30]通过在泡沫铝表面涂覆不同电磁特性的吸波涂料，探讨涂料的电磁特性及电磁波频率对材料吸波性能的影响。结果表明，表面涂覆磁损耗介质吸波涂料的泡沫铝复合材料的吸波性能最佳，并且其吸波性能随频率的增加而增加。刘欣等[31]通过在泡沫铝表面分别涂覆Ni-Zn铁氧体、羰基镍粉及二者的复合材料，探讨对材料吸波性能的影响，结果显示，在12～18GHz频段内，复合吸波剂/泡沫铝材料的吸波性能介于单一吸波剂之间，并且通过调整复合吸波剂中各组分的掺量可有效改善材料的吸波性能。

3 结 语

吸波材料不但需要优异的吸波性能，同时具备良好的力学性能、耐候性、耐高温性能、工艺简单且重复性好等一系列的特性。多孔结构型吸波材料由于其多孔结构的存在，极大地改善了材料的密度及与自由空间的阻抗匹配，因而表现出质轻、吸波性能优异的特性，但同时也暴露了一系列的缺点，如多孔无机吸波材料耐候性好，抗热震性优良，但是其兼容性不好，吸波剂的掺量有一定的限制，这对吸波材料吸波频带的拓宽及吸波性能的改善不利；有机多孔吸波材料制备工艺简单且可制备形状复杂的吸波材料，但是其耐高温性能及耐候性较差；多孔金属基吸波材料各方面性能都极为优异，但是多孔金属的生产成本较高，工艺较为复杂。因而，改善多孔基体的结构特性将会是多孔结构型吸波材料的未来发展方向。

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Research progress of porous structure absorbing materials

The advantages of good impedance matching and electromagnetic wave absorption put the porous structural material develop and progress． In this paper, the recent research of different porous structural wave absorbing material of inorganic, organic and metal, was summarized． Also problems of these material was put forward． The modification of matrix structure will be the main research direction of porous structure absorbing materials．

electromagnetic wave absorption；porous structure；absorbing mechanism；research status

TU597

B

1003-8965（2017）01-0036-03