吸波材料的最新研究進展及發展趨勢

趙曉明，魯亞穩

(天津工業大學 紡織學部，天津 300387)

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吸波材料的最新研究進展及發展趨勢

趙曉明，魯亞穩

(天津工業大學 紡織學部，天津 300387)

介紹了吸波材料的吸波原理，對吸波材料進行分類, 并綜述了鐵氧體、羰基鐵、石墨烯、手性材料、席夫堿等作為常見吸波材料的最新研究進展,并對發展趨勢作了簡要的概述。

吸波材料吸波原理制備方法

0　前言

隨著電磁波在家用電器、醫療設備、航空、航天、通信等生活中的各個領域得到廣泛的應用，日益明顯的電磁波污染問題也隨之而來。由于我們對電子產品使用量急劇增加以及電子工業的迅速發展,使我們更加直接的接觸到電磁波，并且當電磁波的強度達到一定數值后，會引發人體一些疾病的病變。另外，軍用電子設備的電磁波信號有可能成為敵方偵察的線索。為了防止信息泄露或者為了不被敵方勘察到我方位置等信息，提高在未來戰爭中的抗電磁干擾及生存能力，高效能、寬頻帶的電磁波吸波材料的研究已日趨重要。

1　吸波材料的吸波原理

吸波材料是指能把投射到它表面的電磁波，通過介質損耗把電磁波能量轉化為熱能或其他形式的能量。吸波材料的兩個基本條件是：(1)入射電磁波最大限度地進入材料內部，而不是在其表面就被反射，即要滿足材料的阻抗匹配；(2)進入材料內部的電磁波能幾乎全部衰減掉，即衰減匹配。

當頻率為f的均勻電磁波垂直射入底層為金屬板的單層吸波涂層時，涂層對電磁波的功率反射R為：

Z0為空氣阻抗，Z為材料的輸入阻抗。

(1)當Z=0時，R=-1，這是全反射現象。

(2)當Z=Z0時，R=-0，反射為零，即滿足阻抗匹配。對單層板涂層，只要材料的表面阻抗與大氣的阻抗相接近即可。對于多層吸波材料，不僅材料表層與大氣的阻抗相接近，而且要求總的阻抗相近。

(3)當Z→∞時，為全傳輸現象或全透射現象。

吸波體由吸波劑和透波劑構成。兩者的比例和分布決定著吸波體的阻抗匹配。通過延長電磁波傳輸路徑，可以提高吸波體的吸收效率。但是，單純的通過增加吸波體的厚度來獲取盡可能長的傳輸路徑是有一定限制的，因為增加厚度的同時也會使原有的阻抗匹配失衡，這樣不但不能提高吸收效果，甚至還有可能降低吸收效果。

復介電常數ε和復磁導率u寫成復數形式為

ε=ε′-jε″u=u′-ju″

ε′為介電常數的實部；ε″為介電常數的虛部；u′為磁導率的實部；u″為磁導率的虛部。

2　吸波材料的分類

(1)按照材料的損耗機理分為電阻型、電介質型和磁介質型。電阻型吸波劑主要是在電場的作用下，吸波材料內部會產生傳導電流，以熱的形式消耗掉，炭黑、石墨、金屬粉、碳化硅等都屬于電阻型。電介質型吸波劑主要是在高頻電場作用下，通過介質的松弛極化損耗來吸收電磁波，主要有氮化硅和氮化鐵等。磁介質型主要通過趨膚效應和渦流損耗、磁滯損耗和剩余損耗等吸收電磁波，如鐵氧體和羧基鐵等。

(2)按照成型工藝和承載能力分為涂覆型和結構型。涂覆型吸波材料也稱為吸波涂層，一般由吸波劑和黏結劑組成。黏結劑使涂層牢固附著于被涂層材料表面形成連續薄膜，采用具有良好透波性能的黏結劑可使涂層的吸收效率最大化。結構型吸波材料不但具有吸波作用，而且承擔著承載作用，具備質輕高強等優點。

(3)按照吸收原理分為干涉型和吸收型。干涉型是利用波的干涉原理，使入射的電磁波與反射的電磁波能夠相互干涉抵消，達到吸收電磁波的目的，即從光程差可以發現當材料的厚度為入射電磁波在材料體內傳播波長的1/4時，可以發生干涉現象[1]。也可以從相位差出發，當在入射表面第一反射波和第二反射波在同一偏振面上，相位差為180°時會發生干涉現象[2]。如Salisbury吸收屏的設計。吸收型吸波材料是利用材料本身的特性把電磁能轉換為熱能消耗掉，如Dallenbach涂層的設計。

(4)按研究時期分為傳統型吸波材料和新型吸波材料。傳統吸波材料以強吸收為主，如炭黑、鐵氧體、羰基鐵；新型吸波材料具有“薄、輕、寬、強”等特點，如手性材料、石墨烯、席夫堿鹽等。

3　吸波材料的最新研究進展

3.1鐵氧體

鐵氧體是指鐵族和其他一種或多種適當的金屬元素復合而成的具有一定磁性的氧化物[3]。鐵氧體具有微波吸收強、吸收頻帶寬、來源廣泛且低廉等很多優點，但其密度大、溫度穩定性差。因此為了使鐵氧體滿足質輕、寬頻、涂層薄等要求，常用的方法是鐵氧體與其他吸收劑復合使用[4]。

馮濤等[5]用陶瓷工藝制備Ni1-zCozFe2O4(0≤z≤0.04)鐵氧體材料。在Co2+含量z=0.02時，ΔH 出現最小值；考慮到微波材料的低損耗和高功率特性，應使z≤0.2。

華杰等[6]運用溶膠—凝膠法制備了不同含量Co2 +的CoxFe3-xO4/SiO2(x=0.8，1.0，1.2)納米復合材料。用X射線衍射儀( XRD)測試表明，經700 ℃熱處理后復合材料中形成尖晶石結構的CoxFe3-xO4鐵氧體。當x=0.8時，復合材料的磁性能較好。

Reza Shams Alam等[7]采用共同沉淀法制備了不同Co2 +的BaMgx/2mnx/2coxti2xfe12-4xo19納米復合材料。研究表明，飽和磁化強度在0～0.2范圍內，隨著Co2+的增加而增加，當大于0.2時，急劇下降。矯頑力從3669 Oe下降到708 Oe。當x=0.5，適當吸收帶寬為10，即16 GBZ～6 GBZ的頻率范圍，作為一種有效的微波吸收材料。

劉勇等[8]采用溶膠-凝膠自蔓延法，在1000℃下煅燒2h，制備La3 +摻雜Ni0．35Co0．15Zn0．5Fe2O4鐵氧體。研究表明，摻雜La3 +能夠提高Ni0．35Co0．15Zn0．5Fe2O4鐵氧體的吸波性能，并使吸收頻帶向高頻移動。3種不同厚度(3mm、5mm、8mm) 材料，在1GBZ～12GBZ 電磁波段，厚度為3 mm時，最低反射損耗為-16.49dB，小于-10dB；厚度為5mm 時，最小反射損耗為-28.4dB，小于-10dB，帶寬為3．7GBZ。

俞梁等[9]制備出的鐵氧體雙層空心微珠( Ni-Co/W-Ba) 。研究表明: Ni-Co合金顆粒首先沉積在晶體的間隙和溝壑中，填充完后開始在基體表面沉積直至完全包覆；完全包覆后的Ni-Co/W-Ba的電磁吸波性能明顯增強，介電損耗和磁損耗都得到了增強；單一金屬(Ni、Co)鍍覆的有效吸波頻帶寬為9.4GBZ,吸收峰值為-20 dB ，合金(Ni-Co)鍍覆的有效吸波頻帶寬為5GBZ，吸收峰值為-33dB。Ni-Co/W-Ba吸波材料具有質輕，穩定性好，吸收性能強，成本低等優點。

陳明東等[10]采用檸檬酸絡合物形成的溶膠凝膠制備鎳鐵氧體與碳納米管混合均勻，得到不同碳納米管質量分數的復合材料。復合材料的吸波性能比單純的鎳鐵氧體的吸波性能得到明顯的提高。碳納米管的質量分數為20%時，厚度為1mm的薄涂層的吸波效果最佳，小于-10dB的有效帶寬達3GBZ。

劉元臣等[11]研究鐵氧體含量對涂層織物介電常數的影響中發現，改善涂層織物的吸波效能有兩種方法：一種是當織物涂層厚度不變時，增加鐵氧體吸收劑的含量來提高吸波效能。另一種是當鐵氧體吸收劑含量不變時，通過增加涂層的厚度來提高涂層織物的吸波性能。

馮輝紅等[3]研究鐵氧體通過與其他性能優異的材料進行復合來彌補其比重大、熱穩定性差和低頻吸收效率低等缺點，另外改善鐵氧體熱穩定性差，開發其能夠耐高溫、保溫和抗凍等在建筑領域的應用。

Yao-Feng Zhu[12]采用靜電自組裝法制備Fe3O4-聚苯胺納米復合材料，與聚苯胺空心球相比，Fe3O4-聚苯胺納米復合材料有著更好的反射損耗能力和廣泛的寬帶。

Sun Chang等[13]采用檸檬酸溶膠-凝膠法制備化學成分為BaCe0.05Fe11.95O19的鈰取代M型鋇鐵氧體。由x射線粉末衍射(XRD)分析BaCe0.05Fe11.95O19的相成分。被用傳輸/反射同軸線測量方法，在8GBZ至13GBZ范圍內測量其粉末的復介電常數和復磁導率、微波吸收特性。結果表明,由此產生的粉末厚度為3.5mm時的最小反射損失值為在頻率為12.8 GBZ時的- 37.4 dB。

3.2羰基鐵

羰基鐵為磁損耗吸收劑，具有磁損耗角大、吸波能力強、飽和磁化強度高和居里溫度較高等優點。與其他類型的吸波劑共混或復合可實現寬頻帶吸收。

朱云斌等[14]用羰基鐵和硅溶膠作為原料，得到SiO2包覆羰基鐵吸收劑, 與未包覆羰基鐵相比, SiO2包覆羰基鐵的抗氧化性能顯著提高。當涂層厚度為1.8mm 時,質量分數為70%， 在8.2GBZ～12.4GBZ頻率范圍內反射率均小于-10dB。

周長等[15]采用高能球磨法制備的氧化鋅-羰基鐵復合體吸波劑，吸波劑的顆粒得尺寸隨著球磨時間的增長而減小。氧化鋅包覆在羰基鐵顆粒上，吸波效果顯著增強，整體的吸收譜向低頻方向擴展。張琰卿等[16]用球磨機制備出了片狀羰基鐵，當羰基鐵片狀結構出現在球料比25∶1， 球磨時間為12 h ，樣品對應的最大反射率在2GBZ～18GBZ范圍內達到了-62 dB，小于-10 dB 的有效吸收頻段達到9.2 GBZ。

Longgang Yan等[17]采用簡單的球磨法制備了鎳鋅鐵氧體/羰基鐵復合體吸波劑。球磨2h后得到的片狀顆粒狀鋅鐵氧體/羰基鐵具有最高的磁導率，磁導率和介電常數與球磨時間的延長而逐漸減小。研磨6h的鎳鋅鐵氧體/羰基鐵厚度為1.6mm～3.3mm，在5.4GBZ～14.8GBZ范圍內反射率小于-20dB。研磨8h的鎳鋅鐵氧體/羰基鐵厚度為1.7mm～3.6mm，在5.0GBZ～13.3GBZ范圍內反射率小于-20dB。

景紅霞等[18]制備的羰基鐵/鈦酸鋇復合材料與較純羰基鐵相比，在0-6 GBZ范圍內羰基鐵/鈦酸鋇復合材料的吸波性能有了明顯的提高；當鈦酸鋇質量比為4%時，復合材料的吸波性能最佳，最大吸收峰值為-22.96dB,小于-10dB,頻寬為2.196GBZ。羰基鐵以磁損耗為主，鈦酸鋇以介電損耗為主，通過調解兩者的質量比可制備出吸波性能優異的復合材料。

3.3石墨烯

石墨烯物理結構獨特，力學、電磁學和吸波性能優異。石墨烯與磁性納米粒子復合使其兼具電損耗和磁損耗雙重功能。只有深入研究石墨烯與其他材料的復合方法以及石墨烯與其他材料的相互作用，才能制備出比重低、吸收頻帶寬、吸收強度高的新型吸波材料。

關曉輝等[19]制備了石墨烯/CoFe2O4納米復合材料，單一的CoFe2O4雖然吸收頻帶寬，但不能有效吸收電磁波；石墨烯/CoFe2O4，不同比例的混合吸收效能均優于單一的CoFe2O4，而且石墨烯/CoFe2O4復合比例為7:10時，在11GBZ～12.5GBZ頻率范圍內最低反射損耗為-9.2dB。

霍小平等[20]采用共混法制備的石墨烯/環氧樹脂改性氰酸酯，石墨烯含量越大，復合材料的復介電常數也隨之增大。當石墨烯質量分數為3%時，復合材料在5.8GBZ～6.6GBZ頻率范圍內最大吸收峰絕對值為15.7dB。

張會云等[21]設計出了可調諧頻率的石墨烯吸波體，通過改變石墨烯的費米能級實現頻率的可調諧性。在一定條件下，吸波體費米能級為0.6eV時，吸波體在1.865TBZ能實現99%的吸收；當費米能級改變時，其吸波體共振頻率也隨之改變。

姜彥南等[22]基于石墨烯設計了一個S/C波段的超寬吸波器。該吸波器包含一個石墨烯材料的圓形雙環周期結構，可以調節石墨烯表面阻抗，使得吸波器在2.1GBZ～9.0GBZ頻帶范圍內吸收率超過90%。在相同模型結構情況下，調節石墨烯的靜態偏置電場，使得吸波器在2.0GBZ～9.0GBZ頻帶范圍內吸收率超過99%。

Panbo Liu等[23]研究CuS納米片與石墨烯混合納米復合材料，由于特殊的納米結構和協同效應,當CuS含量為20 wt %表現出增強的微波吸收性能，最大的反射損失為：在11.4 GBZ下可達-54.5dB。厚度2.5毫米下，超過-10分貝吸收帶寬4.5 GBZ。

3.4手性吸波材料

手性材料擁有電磁波交叉極化的特點，還具有吸波頻率高，吸波頻帶寬等優點。

趙東林等[24]用化學氣相沉積制備了螺旋形手性碳纖維。螺旋形手性碳纖維在2GBZ-18GBZ頻率范圍內有較高的介電損耗。當螺旋形手性碳纖維制備成蜂窩夾芯結構時，吸波性能明顯提高。

戴銀所[25]在水泥基建筑材料中摻入螺旋形鋼纖維，可以適度提高吸收電磁波的性能，而且螺旋形鋼纖維的排列方式、數量、式樣厚度等對水泥基吸波性能都有影響。

Jihai Tang等[26]通過原位聚合的方法，在一個恒定的磁場(0.4 T)下合成摻雜右旋樟腦磺酸的手性聚苯胺。使用掃描電鏡、電化學工作站,四探針電導率測量,和一個矢量網絡分析儀手性聚苯胺的微觀形態學,導電性和電磁特性。結果表明,相比在沒有磁場的情況下合成的，與聚苯胺合成PANI-(D-CSA)-O 相比，在有磁場情況下合成的PANI-(D-CSA)-M長徑比較大、高導電性和較好的電磁損失性能。PANI-(D-CSA)-M的最小反射率減少21.78%,PANI-(D-CSA)-M微波吸收(反射損失的帶寬<-10dB)增加了4.7倍。

Fenfang Xu等[27]使用左旋樟腦磺酸作為手性摻雜劑，通過原位聚合的方法合成手性聚苯胺(PANI)/鋇鋇六角鐵氧體(BF)復合材料。通過紅外光譜,x射線衍射和FESEM電場發射掃描電子顯微鏡技術對復合材料的結構特點進行分析。開路電位測定D /L-丙氨酸電解液,以確定合成材料的手性。研究了通過-40到26.5 GBZ頻率范圍內測量復介電常數和復磁導率來研究其微波吸收性能。研究表明，手性聚苯胺/ BF復合材料表現出優異的微波吸收特性，材料厚度只有0.9毫米，其最小反射損失在33.25 GBZ頻率下達到-30.5dB。反射損失低于-10dB的吸收帶寬為12.8GBZ(從26.5GBZ到39.3GBZ),幾乎覆蓋整個Ka頻段(26.5GBZ～40GBZ)。

另外，手性碳納米管由于其特殊結構使其具有更好的吸波特性。但是手性材料與非手性材料在吸波方面的差距還不清楚，而且手性參數的影響因素還需進一步研究。

3.5席夫堿類吸波材料

導電席夫堿是由一種醛類化合物和伯胺在堿性條件下反應生成的亞胺衍生物，可通過摻雜或制備席夫堿鹽來改善其吸波性能。

劉輝林等[28]用合成的長鏈共軛席夫堿與過渡金屬復合為長鏈共軛席夫堿鹽，然后再和導電材料與磁性材料進行摻雜形成的新型復合材料，具有優異的吸波性能。

林云等[29]在二茂鐵高分子金屬配合物磁體中引入有機基團來合成二茂鐵高分子Schiff堿-Mn吸波劑。研究表明，在2GBZ～12GBZ頻率范圍內，吸波劑的微波吸收峰隨著取代基共軛程度的增大而增大；用紫外激光對吸波劑進行照射，當照射時間為30min時，吸波劑微波吸收達到最大值。

4　展望

目前，對吸波材料的研究取得了較快的發展，但隨著電子環境的惡化，電磁輻射日益嚴峻。人們更加追求吸波材料“薄、輕、寬、強”的優異性能，未來吸波材料的研究發展趨勢主要為：

(1)對傳統吸波材料的改性。對吸收劑進行摻雜、微結構調整、表面處理等改性過程，以提高材料的吸波性能。

(2)吸波材料的復合。將吸波性能互補的材料進行復合，充分發揮各自的優點，從而增加吸收寬帶。

(3)研究手性材料的吸波原理，利用其與非手性材料的不同充分挖掘其獨特的優異性能。

(4)研究開發新型材料。積極研發吸波性能好，吸波頻段高的新型吸波材料。

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1008-5580(2016)03-0120-05

2016-05-06

國家自然科學基金項目(51206122)

趙曉明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生導師，研究方向：吸波材料的制備與性能研究。

TB34

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