裝備隱身中的石墨烯吸波材料應用研究

摘? 要：針對現代軍事裝備隱身對吸波材料的吸收性能、力學性能、透光性能要求的不斷提升，傳統的鐵氧體吸波材料難以滿足性能要求。作為新型質輕、高吸收性能、強力學性能的納米材料，石墨烯在軍事裝備隱身中具有較為廣泛的應用前景。本文針對應用于裝備隱身領域的石墨烯輕質結構吸波材料制備，對現有技術進行了系統性分析，包括晶體生長工藝、結構設計技術、數值計算方法，提出一種石墨烯輕質結構吸波材料制備方案，并對未來石墨烯質輕高性能吸波材料的發展方向進行了總結和探討。

關鍵詞：裝備隱身;吸波材料;石墨烯;電子技術

中圖分類號：TQ127.11;TB34? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）19-0049-03

Abstract：In view of the increasing requirements of modern military equipment stealth for absorbing properties，mechanical properties and transmittance properties of absorbing materials，traditional ferrite absorbing materials are difficult to meet the performance requirements. As a new type of nano-material with light weight，high absorptivity and strong mechanical properties，graphene has a wide application prospect in military equipment stealth. Aiming at the preparation of graphene light structure absorbing materials used in stealth equipment，this paper systematically analyzed the existing technologies，including crystal growth process，structural design technology and numerical calculation method，proposed a plan for preparing graphene light structure absorbing materials，and proposed a plan for future graphene light and high performance absorbing materials. The development trend of graphene light and high performance absorbing materials in the future is summarized and discussed.

Keywords：equipment stealth;absorbing materials;graphene;electronic technology

0? 引? 言

裝備隱身在戰爭中起到隱蔽我軍、妨礙敵人偵察和射擊、創造有利條件獲得戰場優勢的重大作用，從而顯現出巨大的威力，已成為武器裝備先進性評價的重要指標。裝備隱身通過裝備表面覆蓋隱身材料以減少目標與背景在光照、熱紅外、微波波段等電磁波波段的散射或輻射性的差別，以隱蔽目標或降低目標的可探測特征[1]。近年來，隱身裝備對隱身材料不僅提出了電磁學性能要求，還提出了力學性能要求，需要隱身材料具有質輕、寬帶、吸收率高等特點。

本文針對各種應用場景下裝備對輕質、寬帶隱身材料的技術需求，對石墨烯的應用前景以及技術路線進行了分析;對現有石墨烯吸波材料制備技術進行了歸納分析;提出將石墨烯技術和超材料技術融合，設計并制備石墨烯基輕質、寬頻吸波結構復合材料;設計了包括精細結構石墨烯制備、石墨烯吸波材料結構設計的實現方案。

1? 裝備隱身領域石墨烯吸波材料的優勢及研究方向

目前，在軍用武器作戰平臺的表面涂覆一層吸波材料是最常用的隱身方法。但是，傳統的吸波材料在低頻段存在頻帶較窄、厚度大、質量重、彎曲性能有限等缺點，很難滿足現代武器裝備隱身技術對吸波材料的“薄、輕、寬、強”的要求。

石墨烯是目前世界上最薄以及最堅硬的納米材料，具有導電率高、耐熱性能好、質量輕、易彎曲、微波波段吸波性能穩定等優點。因此，利用石墨烯制作吸波材料將具有頻帶寬、質量輕、吸收性能強、厚度薄、彎曲性能好等優點。此外，石墨烯的導電率可通過外加偏置電壓調節，這使得它在制作吸收率和吸收譜可調吸波材料方面具有得天獨厚的優勢。同時，石墨烯具有很高的透光性，在400～700nm可見光范圍內，石墨烯的透光率可達90%以上，這使得利用石墨烯制作透明吸波材料，可應用于機艙、裝甲車窗等關鍵特殊部位隱身。

目前，吸收型隱身技術是利用介質或金屬結構對點電磁波的損耗來減小電磁波幅度的。一般地，傳統吸波材料利用介質損耗進行電磁波吸收。這種方法一般僅能夠滿足某個波段的隱身需求，但是無法實現X和Ku波段的寬帶高效隱身。雖然可以通過增加吸波材料的厚度來獲取更高的吸波率。但是，這增加了吸波材料的重量，也大大減小了裝備有效載荷，難以廣泛應用。因此，急需對質輕、寬帶的吸波材料展開技術攻關，滿足當今武器裝備對隱身材料的需求。

石墨烯作為一種高性能二維材料，基于石墨烯的優異物理性質，結合超材料吸波技術，可以實現質輕、寬帶的吸波材料。但是，超材料技術需要石墨材料具有特定的電學性能和幾何結構，例如需要制備具有特定方阻的3層石墨烯堆疊周期結構。因此，為了實現質輕、寬帶的吸波材料，急需對石墨烯基吸波材料的材料制備以及結構設計展開研究。

2? 石墨烯吸波材料制備技術

2.1? 機械剝離法

機械剝離方法就是使用外部機械應力，直接將石墨烯從塊狀的石墨上剝落下來，實現較為容易。目前，還有許多新的機械方法，如滑動摩擦法、機械壓力法[2]等。但是這些方法效率不高，制備出的石墨烯尺寸、層數難以控制，一致性較差，難以獲得大面積的石墨烯薄膜，不適合規模化生產。

2.2? 熱解SiC外延生長法

熱解指的是在單晶碳化硅的特定晶面上將晶體熱解并脫除硅原子來制備石墨。該方法最早由C.Berger等人在2009年實現。具體的做法一般為：將樣品的表面進行氧化或氫氣刻蝕后，在超高真空下進行電子轟擊加熱到1000℃以去除表面氧化物，通過俄歇電子能譜確認氧化物已完全去除后，樣品再加熱至1250～1450℃并恒溫10～20min，從而形成極薄的石墨稀片層[3]。相比微機械剝離法制備石墨烯，熱解碳化硅外延生長法最大的優勢在于與半導體工藝兼容性好。其主要缺點在于制備條件較為苛刻，往往需要超高真空環境和高溫，此外碳化硅基底非常昂貴且制備的石墨烯難以轉移，在微電子以外領域的應用存在困難。

2.3? 氧化還原法

氧化還原法是以化學法獲得的氧化石墨烯分散液為前驅體，通過化學還原反應盡可能去除氧化石墨中含有的環氧基、羥基、羰基和羧基等含氧基團，從而獲得石墨烯分散液。使用時，只需涂在基片上即可獲得導電的石墨烯薄膜。氧化還原法的優勢在于可以大量快速地生產石墨烯，且工藝簡單，成本低廉，容易控制;但是氧化石墨很難被完全還原，這將使石墨烯的晶體結構存在大量的缺陷，致使導電特性不足。對于一些對導電性要求不高的應用領域，這種石墨烯薄膜制備工藝可以發揮其低成本的優勢，但如果要發揮石墨烯的阻抗吸收特性，則難以達到應用要求。

2.4? 化學氣相沉積法

化學氣相沉積法（CVD法）通常以銅或鎳等金屬為襯底，使用有機碳源氣體在金屬表面的催化裂解提供碳源，從而在襯底表面獲得連續的石墨烯薄膜。采用CVD法制備石墨烯最大的優勢在于可制備大面積連續的高品質低缺陷石墨烯。更為重要的是，CVD法制備的石墨烯可以方便地轉移至幾乎任意材料的襯底。這些優點使得基于金屬襯底的CVD法成為目前面向透明導電薄膜和吸波材料等應用領域的主要石墨烯制備方法。

針對石墨烯吸波材料這一新的應用領域，CVD法石墨烯制備技術將面臨新的挑戰。首先，石墨烯層數與其吸波性能緊密相關，所以除了通過襯底處理等方法降低成核密度控制提高單晶尺寸以減少晶粒晶界，利用復合金屬作為生長襯底，從而控制石墨烯生長層數，從而優化石墨烯薄膜的吸波特性將是重要的研究內容。另一方面，石墨烯的表面等離子體激元現象的產生與其吸波特性密切相關。石墨烯與介質層或其他元素原子、原子團的復合工藝，是石墨烯薄膜吸波材料制備面臨的重要課題。

3? 石墨烯吸波材料設計技術

3.1? 石墨烯電壓偏置可調吸波技術

近年來，研究者們逐漸意識到石墨烯在制作吸波材料方面的巨大優勢，各種基于石墨烯的太赫茲功能的器件開始出現，Wang和Huang分別利用石墨烯作為高阻表面，并將該材料應用于諧振頻率和方向圖可重構的太赫茲天線[4]。這些器件通過改變石墨烯的偏置電壓或給不同石墨烯貼片加偏置電壓來調整高阻面的反射相位，從而調整天線的諧振頻率和輻射方向，但這些天線卻存在工作帶寬不穩定、增益不穩定以及效率較低的問題。丹麥科技大學的Andrei Andryieuski博士設計了超材料可調吸波體，基本實現了吸收率隨石墨烯偏置電壓的動態調節[5]，KAUST大學的Muhammad Amin利用多層石墨烯設計了超寬帶吸波體，通過調節不同層石墨烯的偏置電壓，實現了相對帶寬超過70%的超高吸波特性。

3.2? 石墨烯超材料吸波技術

傳統的超材料技術吸波體都是在微波介質材料上刻蝕并使用金屬結構填充實現吸波特性，這種方法不但難以實現寬帶吸波，還屬于剛性材料，重量重、無法彎曲。將石墨烯與超材料技術結合可以實現石墨烯超材料，有望解決傳統超材料的上述問題。目前，這種超材料吸波體將石墨烯設計成具有一定幾何圖形的石墨烯周期結構。

2013年，南京航空航天大學的Xu利用石墨烯-Si- SO02復合結構設計了吸收頻率可調的THz吸波體，西安交通大學的Shi利用石墨烯-介質復合材料和石墨烯-金屬混合結構，設計了高吸收率并且頻段可調的THz吸波體。

3.3? 各類技術分析

但是，目前關于石墨烯吸波體的研究，大多停留在THz波段，關于微波波段的石墨烯吸波體的研究非常少，這些研究大多利用了石墨烯的電導率可調特性，基本實現了吸收頻段或者吸收率可調。但這些吸波體要么工作帶寬較窄，要么可調頻率有限，此外，關于石墨烯吸波體的研究大多只有數值仿真結果，實驗測試結果較少，與此同時，目前的研究對石墨烯吸波體的基本工作原理還缺乏足夠的理論分析，還有許多關鍵的基礎性問題有待解決，如石墨烯產生表面等離極化激元現象的基本原理，石墨烯外加偏壓對石墨烯器件性能的調制規律，以及石墨烯載流子遷移率對石墨烯吸波性能的影響等。

隨著石墨烯加工技術的進步，基于多層石墨烯的吸波體開始出現，但是，對多層石墨烯的層間互擾問題，以及互擾對石墨烯導電率的影響等問題，目前還沒有相關研究。同時，由于目前大部分數值模擬方法都將石墨烯層進行了簡化，忽略了石墨烯層的厚度、帶間導電率和各向異性特征，因此，關于石墨烯厚度和帶間導電率對石墨烯電磁特性的影響，以及磁偏置下石墨烯的各向異性等問題，目前也缺乏相應的研究。

目前，武器裝備對微波段輕質、寬帶的吸波提出了明確的需求，石墨烯基吸波材料將迎來史無前例的市場需求。但是僅靠石墨烯材料無法實現寬帶高性能吸波，無法滿足在X和Ku波段內實現-10dB的反射率。超材料技術有望解決這一問題，但限于基礎材料和制備工藝，傳統超材料重量重，難以彎曲。因此，未來石墨烯吸波材料的發展趨勢必將是融合石墨烯和超材料技術，實現學科交叉，多材料多方法復合技術。

4? 技術路線分析

根據對石墨烯吸波材料的現有技術和研究的分析，未來石墨烯吸波材料可以遵循以下研究方向和技術路線。

4.1? 層數可控的石墨烯CVD法生長制備技術

為了實現層數可控的石墨烯CVD法制備，通過降低石墨烯成核密度，使得每片石墨烯有足夠的成長空間[6]，從而獲得大尺寸石墨烯單晶，有效降低石墨烯界面數量，提高導電性;通過中等強度的氧化性試劑在生長前對生長襯底處理，可在降低生長成核密度的同時，提高連續成膜速度;通過對石墨烯薄膜生長襯底Ni基表面化學處理工藝化學改性，實現對石墨烯成核密度，生長厚度和生長速度調節;通過PET等聚合物薄膜的表面改性來實現生長襯底至目標襯底的直接轉移技術。

4.2? 電磁吸收性能可控的石墨烯“種晶”生長工藝

利用石墨烯晶粒晶界的搭接狀態，通過合適的摻雜技術，調控石墨烯晶粒晶界電子傳輸通道，從而調控其電磁吸收和能量耗散效率;研究石墨烯晶粒晶界的搭接狀態，通過合適的摻雜技術，調控石墨烯晶粒晶界電子傳輸通道，從而調控其電磁吸收和能量耗散效率;研究石墨烯晶體表面缺陷還原與結構修整技術，增加石墨烯薄膜材料的電導率。

4.3? 基于堆疊結構的石墨烯基寬帶、質輕超材料吸波結構的設計技術

基于電磁結構阻抗調控技術，通過建立以高損耗材料為基底的電磁結構數值模型，設計新型超寬帶高效吸波材料;將分形技術用于石墨烯吸波材料設計，可以有效拓展石墨烯吸波材料帶寬，或實現X和Ku波段高效吸收。通過合理設計寬帶超表面單元結構和分布，將自由空間入射的電磁波高效耦合為表面等離激元，再利用表面等離激元的局域增強特性使其在高損板材上被吸收，達到吸波隱身的效果。通過對損耗基底、金屬結構及其互耦的阻抗特性進行分析與綜合，從而實現與自由空間阻抗匹配的寬帶吸收型隱身技術。

5? 結? 論

石墨烯作為一種新型納米材料，具有獨特的物理結構和優異的力學、電磁學性能，在制作吸波材料方面具有天然的無可比擬的優勢。但是目前，國內外針對X和Ku波段的質輕、寬帶的石墨烯吸波材料研究并不成熟。采用溶液法和CVD法制備出層數可控、電磁學性能可控的石墨烯材料，基于阻抗匹配理論與表面等離激元耦合理論，解決寬帶、質輕的石墨烯吸波超材料設計問題以及不同石墨烯層數、導電率、電子遷移率等參數對石墨烯吸波材料吸波性能分析研究仍將是石墨烯吸波材料領域未來的研究方向。

參考文獻：

[1] 宣兆龍，易建政.地面軍事目標偽裝材料的研究進展 [J].兵器材料科學與工程，2000（2）：51-55.

[2] 張梓晗.石墨烯大規模機械剝離制備和石墨烯高性能發聲器 [D].合肥：中國科學技術大學，2017.

[3] 常焜.類石墨烯過渡金屬硫化物/石墨烯復合納米材料的合成及其電化學儲鋰性能的研究 [D].杭州：浙江大學，2012.

[4] 耿莉，謝亞楠，原媛.基于石墨烯的太赫茲方向圖可重構天線 [J].激光與光電子學進展，2017，54（3）：213-222.

[5] KHROMOVA I，ANDRYIEUSKI A，LAVRINENKO A. Ultrasensitive terahertz/infrared waveguide modulators based on multilayer graphene metamaterials [J].Laser & Photonics Reviews，2014，8（6）：916-923.

[6] 韓江麗，曾夢琪，張濤，等.石墨烯單晶的可控生長 [J].科學通報，2015，60（22）：2091-2107.

作者簡介：劉康（1991-），男，漢族，陜西西安人，助理工程師，本科，研究方向：科技產業投融資、電子與通信工程。