吸波材料研發意義

隨著現代信息技術特別是微波通信技術領域的飛速發展，環境中存在的電磁（EM）輻射污染已經成為一個不可忽視的問題。在日常生活方面，電磁污染已經給我們造成隱患，例如在機場經常出現航班因電磁波干擾無法起飛而誤點；在醫院、移動電話常會干擾各種電子診療儀器的正常工作。而在軍事方面，敵方的雷達、紅外、激光、電磁信號等特征信號可以在一定范圍內發現我方武器，大大減弱武器的戰場生存能力。因此吸波材料不僅在生活中可以解決電磁污染現象，在軍事上可以應用于隱身技術中，使得武器難以被探測，起到隱身的作用。因此，電磁波吸收材料的研發具有重要的意義。

吸波材料設計原理

吸波材料的選擇與設計尤為重要。將材料設計成為表面阻抗無限接近于自由空間阻抗，確保其阻抗漸變或匹配，可以大大縮減雷達散射截面，避免兩種介質阻抗的劇烈變化。這就意味著具有優異特性的吸波材料需滿足兩個條件: 匹配特性和衰減特性。為實現防熱與吸波一體化的新型吸波材料, 要求材料應具備高電導率、多孔/界面以及介電性能可調等特點。

電磁吸收器的原理圖

LIU P, HUANG Y, ZHANG X, et al. Superparamagnetic NiFe₂O₄ particles on poly (3,4-ethylenedioxythiophene)-graphene: synthesis, characterization and their excellent microwave absorption properties[J]. Compos Sci Technol, 2014, 95: 107-112.

根據吸波材料的損耗機制可以將吸波材料分為：電阻型損耗、電介質損耗以及磁損耗吸波材料。常用的基體材料有陶瓷、樹脂、橡膠、碳材料和磁性吸波材料等。高溫下磁性吸收劑會失去磁性使其無法應用于高溫部件的雷達吸波隱身。因此, 科研工作者一直致力于研究具有耐高溫、低密度、高強度、高韌性等優良性能的吸波材料。這使得介電損耗型吸波材料在電磁波吸收領域飛速發展。

介電損耗性吸波材料有哪些?

介電損耗型吸波材料一般是由高導電性碳質納米粒子、介電陶瓷納米粒子和金屬半導體氧化物組成各種混合型納米結構的復合材料，復合后可產生額外的界面相互作用，且氧空位的存在會引起界面極化和缺陷偶極子，從而使材料表現出更大的介電損耗和高效的微波吸收，同時降低了吸波劑的密度。

01碳基吸波材料

碳基吸波材料因其具有表面性能可調﹑高強度質量比、超強耐腐蝕性能、超薄結構特性、超高載流子遷移率(～200000 cm²? v^-1? s^-1  )、高的導熱系數(～5300 W?m^-1? K^-1)等優勢, 使其備受國內外科研人員的關注。碳材料通過結構設計和構造界面層次來提高材料的吸波性能 (例如:碳納米管從單壁到多壁甚至于可垂直排列的陣列) 進而滿足部分設備需求, 但是材料本身存在一定的缺陷和不足, 以至于應用受到限制。因此，多與其他磁性材料﹑半導體﹑硫化物、 稀土元素等復合, 進而提高吸波性能。

CeO₂-rGO混合物微波機理衰減示意圖

WANG ZQ, ZHAO PF, HE D N, et al. Cerium oxide immobilized reduced graphene oxide hybrids with excellent microwave absorbing performance [J]. Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, 20: 14155-14165.

02 陶瓷基吸波材料

理想的電磁吸收體應具有質量輕熱穩定性好、能吸收較寬的電磁頻率、經濟有效等特征。陶瓷作為一種潛在的電磁波吸收材料,也越來越受到人們的關注。科研人員對陶瓷進行了大量的研究，例如: SiC，SiC_f，Al₂O₃， SiO₂， SiOC，SiBCN等。Al₂O₃和 SiO₂作為傳統的陶瓷材料，具有很高的耐磨性、耐高溫、耐腐蝕、硬度且高溫中化學穩定性強等優勢,使其廣泛應用于航空航天領域。但其作為吸波材料有著不可忽視的缺點，純的陶瓷材料在高溫下的吸波性能并不樂觀 (反射損耗值較高)。為此, 研究者通過引入碳材料、金屬氧化物 (Li₂O) 等物質來調節其介電常數、熱膨脹系數以及阻抗匹配等特性，用以提高陶瓷材料在高溫下的吸波性能。

目前, 對于高溫下的吸波性能的測試手段并不健全，材料的電性能隨溫度的變化程度不可控且規律復雜。此外，陶瓷材料的元素種類較多、內部結構和機理也較為復雜。這些弊端均限制了陶瓷基吸波材料的發展。為此, 后續的工作將集中于更好地控制其形貌、物相和結構，調節其介電常數，改變其導電網絡，從而增強其電磁波吸收性能。同時，對陶瓷基材料的電磁波吸收機理進行更深入的探索,并且設計出可在高溫下測試材料吸波性能的平臺，以滿足復雜的電性能和機理分析。

LAS/RGO-KH-550的電磁波吸收機理

LUS R, XIA L, XU J M, et al. Permittivity-regulating strategy enabling superior electromagnetic wave absorption of lithium aluminum silicate/rGO nanocomposites[J]. ACS Appl Mater Interfaces, 2019, 11:18626-18636

結束語

介電損耗型和電導損耗型復合材料主要以電損耗為主, 其中介電損耗型可滿足苛刻的熱環境要求, 廣泛應用于航空材料領域。因此, 電磁波吸收材料未來的發展方向將會以結構型復材、介電損耗型機理為主, 碳基和陶瓷基復合材料仍會是強有力的候選者。伴隨著人們對健康和生活環境的日益關注, 或許未來的吸波劑會更傾向于和柔性材料進行復合,設計成可穿戴的微波吸收布料也不無可能。

原文出處：

介電損耗型微波吸收材料的研究進展

李天天，夏 龍，黃小蕭，鐘博，王春雨，張濤

2021, 49 (6):1-13.   

DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000275