结构型微波吸收复合材料的研究进展

李雅茹, 卫海鹏， 高学斌, 叶 云

(中北大学信息商务学院，山西 晋中 030600)

引 言

复合材料由于具有强度高、质量轻、耐腐蚀性好、性能可设计性强等优点被广泛应用于国防、航空航天[1]以及民用工业的各个领域。特别是在先进的武器装备和航空航天器材中复合材料所占的比重越来越大。然而，近年来随着雷达探测技术的迅猛发展，武器装备在战场上的生存能力和防御能力受到了严重的威胁。因此，雷达隐身技术成为武器装备在战场上提高生存能力的关键技术保障[2]。可以通过改变武器装备的形状来达到隐身的目的，但是此种方法会给生产过程带来许多的麻烦，并且会影响到武器装备的结构性能。此外，也可以通过使用雷达波吸收材料来达到隐身的目的，而且使用吸波材料可以有效地降低设计难度和生产成本，并且可以保证装备的结构稳定性不被破坏。因此，微波吸收材料成为了隐身技术的中心环节[3-7]。

1 微波吸收材料的分类

微波吸收材料(microwave absorbing materials)简称吸波材料(MAMs)，根据其制备方法和使用方式可以分为吸波涂层和结构型吸波材料[2]。

1.1 涂覆型吸波材料

吸波涂层是指将吸波性能优异的功能填料加入到涂层材料中，然后涂敷在目标物体上进而达到隐身的目的。吸波涂层具有制备和成型工艺简单、成本低廉以及吸收效率高等优点[8]，已经在许多领域内达到了广泛的应用[9]。吸波涂层材料目前的主要研究热点集中在高性能吸波粒子的制备[10]。然而，涂覆型吸波材料的吸收频宽有限，难以实现宽频段内的高吸收。此外，为获得高吸收往往需要在涂层中加入高含量的功能粒子，这样就会使得涂层密度较大。这些都难以满足目前对吸波材料“宽、薄、轻、强”的要求。

1.2 结构型吸波材料

结构型吸波材料是指通过一定的结构设计在保证材料承载能力的同时赋予材料良好的吸波性能[2]，因此，结构型吸波材料的综合性能更为优异，同时性能可设计性更强，也可称之为吸波/承载结构功能一体化材料，已经成为近年来隐身材料研究的热点。吸波/承载结构功能一体化材料可以分为多层板吸波材料、夹芯结构吸波材料以及电路模拟吸波材料[11]。

2 结构型吸波材料设计理论基础

结构型吸波材料的主要理论依据是传输线理论。主要的结构模型包括两种：单层板吸波材料和多层板吸波材料[2,12-15]。

2.1 单层吸波材料的结构设计

单层吸波材料的模型如第23页图1所示。假设电磁波沿x轴方向垂直入射单板吸波材料，材料对雷达波的吸收性能常采用对电磁波的反射系数R来表示。单层板的反射系数与其阻抗之间存在如第23页式(1)的数学关系。

图1 单层吸波材料结构示意图

(1)

式中：Z0为自由空间阻抗，约为377 Ω；Zi为单层吸波材料的输入阻抗， Ω，可由式(2)计算得出。

(2)

式中，μr和εr分别指材料的磁导率和介电常数；d为单层吸波材料的厚度,mm。

理想吸波材料要求电磁波在入射表面不发生反射，即:

2.2 多层吸波材料的结构设计

从结论可看出，材料的介电常数、磁导率以及材料的厚度等均对材料的吸波性能有着明显的影响，因此，对于介电常数、磁导率和厚度都是单一均匀的单层吸波材料来说很难达到在宽频范围内对电磁波有效吸收，因此，目前研究更多的是多层板吸波材料，多层板吸波材料的结构如图2所示。

图2 多层吸波材料结构示意图

假设多层吸波材料由n层组成，其输入阻抗计算公式如式(3)。

(3)

将反射系数R的绝对值取对数后称为反射率或者反射损耗RL[如式(4)]，可以用来表征材料的吸波性能。

RL=201g∣R∣

(4)

3 结构型吸波材料的国内外研究现状

结构型吸波材料的吸波功能是通过微波吸收剂对电磁波进行损耗而实现的。微波吸收剂按照吸收机理可以分为电阻型、电介质型和磁介质型。电阻型吸收剂主要通过与电场的相互作用来吸收电磁波，将入射的电磁波能量转化为内能进而损耗电磁波。常见的电阻型吸收剂有炭黑、金属粉、碳化硅、石墨等。电阻型吸收材料的吸收效率取决于材料的电导率以及其介电常数。电介质型吸波剂主要是通过介质极化驰豫来吸收电磁波，主要以钛酸钡铁电陶瓷为代表。磁介质吸波剂对电磁波的衰减主要来自共振和磁滞损耗，常见的磁介质型吸波剂有铁氧体和羰基铁[16]。采用这些吸收剂可以显著提高复合材料的吸波性能，然而只一种吸波剂仅可以为复合材料提供单一的吸收机制，这样就大大限制了复合材料对微波的吸收强度以及吸收带宽。因此，目前国内外学者大都采用多种损耗机制复合使用的方式提高复合材料的吸波性能。

西北工业大学卿玉长等[17]选用介电性能优异的多壁碳纳米管和磁性能优异的片状羰基铁作为混合吸波剂对环氧有机硅树脂进行填充，制得的吸波复合材料可以在2.0 GHz～16.9 GHz的频段内实现RL<-10 dB的高效吸收。

四川大学李姜教授团队[18]选用羰基铁和碳纳米管作为复合吸收剂，制备了multi-layer的结构型吸波材料，最强的吸收强度可以达到-48.1 dB，并且具有5.0 GHz的带宽。

Liu X等[19]在聚对苯撑苯并二噁唑加入了功能粒子γ-Fe2O3-MWNT，在聚合物基体中引入核磁损耗和电阻损耗两种损耗机制，显著改善了聚合物基体的微波吸收性能，吸收强度可达-32.7 dB。

欲使复合材料对电磁波具有更多的吸收，需要使材料满足以下两点基本要求：首先，是要使电磁波尽可能多地进入到材料的内部；其次，要将进入到材料内部的电磁波能量尽可能多地转化为其他形式的能量衰减掉。与此同时，还应减少电磁波的穿透。因此，多层型结构复合材料是由具有不同电磁参数和不同厚度的功能层复合层叠加而成的，较为常见的结构形式是透波层+吸波层+反射层。每个功能层的电磁特性以及厚度都是复合材料吸波性能的主要影响因素。对于吸收层而言，常见的结构形式有梯度结构、multi-layer结构以及蜂窝结构。

Gao X Y等[20]选用碳纳米管作为吸收剂并采用multi-layer的结构制备了CNT/PVC多层结构吸波材料，制得的复合材料的具有良好的微波吸收性能和力学性能。

韩国科学研究院Jae-Hun Choi等[21]的相关研究中利用了半导体碳化硅纤维对电磁波的损耗作用，制备了SiC/环氧树脂复合材料。在此研究中设计了multi-layer交替铺层的结构，最终得到的复合材料的最大吸收强度可以达到-31.0 dB，并且吸收强度在-10 dB以下的带宽为3.4 GHz。虽然吸波性能并不算特别优异，但是本研究所设计的结构可以保证复合材料具有良好的力学性能和方便的加工特性，于此同时微波吸收性能也得到了大幅度的改善，为结构功能一体化复合技术提供了可靠的思路。

He Y F等[22]设计了一种聚氨酯泡沫三明治结构，在聚氨酯泡沫中加入适量的糖基铁/Ni纤维和磁性金属超细粉填料，提高芯材的损耗性能。同时，这种三明治结构的表层采用介电常数较低的纤维增强树脂基复合材料，这样可以使电磁波可以更多地进入材料内部并完成衰减。这种结构的复合材料具有良好的力学性能并且可以实现轻量化，同时吸波性能优异，有效吸收范围为3 GHz～18 GHz，实现了宽频高吸收。

4 结语

结构吸波复合材料经过半个多世纪的发展，已经在多方面取得了显著的成绩。在武器装备、航空航天以及民用等领域内得到了广泛的应用，然而目前结构型吸波复合材料也有其明显的不足，如，有效吸收频段窄、吸收强度低以及材料质量难以实现轻量化等。因此，通过合理的结构设计实现结构吸波复合材料的宽频高吸收、多频谱兼容、耐恶劣环境等是未来结构吸波材料发展的主要趋势。