吸波材料的最新研究进展及发展趋势

赵晓明，鲁亚稳

(天津工业大学 纺织学部，天津 300387)



吸波材料的最新研究进展及发展趋势

赵晓明，鲁亚稳

(天津工业大学 纺织学部，天津 300387)

介绍了吸波材料的吸波原理，对吸波材料进行分类, 并综述了铁氧体、羰基铁、石墨烯、手性材料、席夫碱等作为常见吸波材料的最新研究进展,并对发展趋势作了简要的概述。

吸波材料吸波原理制备方法

0　前言

随着电磁波在家用电器、医疗设备、航空、航天、通信等生活中的各个领域得到广泛的应用，日益明显的电磁波污染问题也随之而来。由于我们对电子产品使用量急剧增加以及电子工业的迅速发展,使我们更加直接的接触到电磁波，并且当电磁波的强度达到一定数值后，会引发人体一些疾病的病变。另外，军用电子设备的电磁波信号有可能成为敌方侦察的线索。为了防止信息泄露或者为了不被敌方勘察到我方位置等信息，提高在未来战争中的抗电磁干扰及生存能力，高效能、宽频带的电磁波吸波材料的研究已日趋重要。

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电磁波，通过介质损耗把电磁波能量转化为热能或其他形式的能量。吸波材料的两个基本条件是：(1)入射电磁波最大限度地进入材料内部，而不是在其表面就被反射，即要满足材料的阻抗匹配；(2)进入材料内部的电磁波能几乎全部衰减掉，即衰减匹配。

当频率为f的均匀电磁波垂直射入底层为金属板的单层吸波涂层时，涂层对电磁波的功率反射R为：

Z0为空气阻抗，Z为材料的输入阻抗。

(1)当Z=0时，R=-1，这是全反射现象。

(2)当Z=Z0时，R=-0，反射为零，即满足阻抗匹配。对单层板涂层，只要材料的表面阻抗与大气的阻抗相接近即可。对于多层吸波材料，不仅材料表层与大气的阻抗相接近，而且要求总的阻抗相近。

(3)当Z→∞时，为全传输现象或全透射现象。

吸波体由吸波剂和透波剂构成。两者的比例和分布决定着吸波体的阻抗匹配。通过延长电磁波传输路径，可以提高吸波体的吸收效率。但是，单纯的通过增加吸波体的厚度来获取尽可能长的传输路径是有一定限制的，因为增加厚度的同时也会使原有的阻抗匹配失衡，这样不但不能提高吸收效果，甚至还有可能降低吸收效果。

复介电常数ε和复磁导率u写成复数形式为

ε=ε′-jε″u=u′-ju″

ε′为介电常数的实部；ε″为介电常数的虚部；u′为磁导率的实部；u″为磁导率的虚部。

2　吸波材料的分类

(1)按照材料的损耗机理分为电阻型、电介质型和磁介质型。电阻型吸波剂主要是在电场的作用下，吸波材料内部会产生传导电流，以热的形式消耗掉，炭黑、石墨、金属粉、碳化硅等都属于电阻型。电介质型吸波剂主要是在高频电场作用下，通过介质的松弛极化损耗来吸收电磁波，主要有氮化硅和氮化铁等。磁介质型主要通过趋肤效应和涡流损耗、磁滞损耗和剩余损耗等吸收电磁波，如铁氧体和羧基铁等。

(2)按照成型工艺和承载能力分为涂覆型和结构型。涂覆型吸波材料也称为吸波涂层，一般由吸波剂和黏结剂组成。黏结剂使涂层牢固附着于被涂层材料表面形成连续薄膜，采用具有良好透波性能的黏结剂可使涂层的吸收效率最大化。结构型吸波材料不但具有吸波作用，而且承担着承载作用，具备质轻高强等优点。

(3)按照吸收原理分为干涉型和吸收型。干涉型是利用波的干涉原理，使入射的电磁波与反射的电磁波能够相互干涉抵消，达到吸收电磁波的目的，即从光程差可以发现当材料的厚度为入射电磁波在材料体内传播波长的1/4时，可以发生干涉现象[1]。也可以从相位差出发，当在入射表面第一反射波和第二反射波在同一偏振面上，相位差为180°时会发生干涉现象[2]。如Salisbury吸收屏的设计。吸收型吸波材料是利用材料本身的特性把电磁能转换为热能消耗掉，如Dallenbach涂层的设计。

(4)按研究时期分为传统型吸波材料和新型吸波材料。传统吸波材料以强吸收为主，如炭黑、铁氧体、羰基铁；新型吸波材料具有“薄、轻、宽、强”等特点，如手性材料、石墨烯、席夫碱盐等。

3　吸波材料的最新研究进展

3.1铁氧体

铁氧体是指铁族和其他一种或多种适当的金属元素复合而成的具有一定磁性的氧化物[3]。铁氧体具有微波吸收强、吸收频带宽、来源广泛且低廉等很多优点，但其密度大、温度稳定性差。因此为了使铁氧体满足质轻、宽频、涂层薄等要求，常用的方法是铁氧体与其他吸收剂复合使用[4]。

冯涛等[5]用陶瓷工艺制备Ni1-zCozFe2O4(0≤z≤0.04)铁氧体材料。在Co2+含量z=0.02时，ΔH 出现最小值；考虑到微波材料的低损耗和高功率特性，应使z≤0.2。

华杰等[6]运用溶胶—凝胶法制备了不同含量Co2 +的CoxFe3-xO4/SiO2(x=0.8，1.0，1.2)纳米复合材料。用X射线衍射仪( XRD)测试表明，经700 ℃热处理后复合材料中形成尖晶石结构的CoxFe3-xO4铁氧体。当x=0.8时，复合材料的磁性能较好。

Reza Shams Alam等[7]采用共同沉淀法制备了不同Co2 +的BaMgx/2mnx/2coxti2xfe12-4xo19纳米复合材料。研究表明，饱和磁化强度在0～0.2范围内，随着Co2+的增加而增加，当大于0.2时，急剧下降。矫顽力从3669 Oe下降到708 Oe。当x=0.5，适当吸收带宽为10，即16 GBZ～6 GBZ的频率范围，作为一种有效的微波吸收材料。

刘勇等[8]采用溶胶-凝胶自蔓延法，在1000℃下煅烧2h，制备La3 +掺杂Ni0．35Co0．15Zn0．5Fe2O4铁氧体。研究表明，掺杂La3 +能够提高Ni0．35Co0．15Zn0．5Fe2O4铁氧体的吸波性能，并使吸收频带向高频移动。3种不同厚度(3mm、5mm、8mm) 材料，在1GBZ～12GBZ 电磁波段，厚度为3 mm时，最低反射损耗为-16.49dB，小于-10dB；厚度为5mm 时，最小反射损耗为-28.4dB，小于-10dB，带宽为3．7GBZ。

俞梁等[9]制备出的铁氧体双层空心微珠( Ni-Co/W-Ba) 。研究表明: Ni-Co合金颗粒首先沉积在晶体的间隙和沟壑中，填充完后开始在基体表面沉积直至完全包覆；完全包覆后的Ni-Co/W-Ba的电磁吸波性能明显增强，介电损耗和磁损耗都得到了增强；单一金属(Ni、Co)镀覆的有效吸波频带宽为9.4GBZ,吸收峰值为-20 dB ，合金(Ni-Co)镀覆的有效吸波频带宽为5GBZ，吸收峰值为-33dB。Ni-Co/W-Ba吸波材料具有质轻，稳定性好，吸收性能强，成本低等优点。

陈明东等[10]采用柠檬酸络合物形成的溶胶凝胶制备镍铁氧体与碳纳米管混合均匀，得到不同碳纳米管质量分数的复合材料。复合材料的吸波性能比单纯的镍铁氧体的吸波性能得到明显的提高。碳纳米管的质量分数为20%时，厚度为1mm的薄涂层的吸波效果最佳，小于-10dB的有效带宽达3GBZ。

刘元臣等[11]研究铁氧体含量对涂层织物介电常数的影响中发现，改善涂层织物的吸波效能有两种方法：一种是当织物涂层厚度不变时，增加铁氧体吸收剂的含量来提高吸波效能。另一种是当铁氧体吸收剂含量不变时，通过增加涂层的厚度来提高涂层织物的吸波性能。

冯辉红等[3]研究铁氧体通过与其他性能优异的材料进行复合来弥补其比重大、热稳定性差和低频吸收效率低等缺点，另外改善铁氧体热稳定性差，开发其能够耐高温、保温和抗冻等在建筑领域的应用。

Yao-Feng Zhu[12]采用静电自组装法制备Fe3O4-聚苯胺纳米复合材料，与聚苯胺空心球相比，Fe3O4-聚苯胺纳米复合材料有着更好的反射损耗能力和广泛的宽带。

Sun Chang等[13]采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备化学成分为BaCe0.05Fe11.95O19的铈取代M型钡铁氧体。由x射线粉末衍射(XRD)分析BaCe0.05Fe11.95O19的相成分。被用传输/反射同轴线测量方法，在8GBZ至13GBZ范围内测量其粉末的复介电常数和复磁导率、微波吸收特性。结果表明,由此产生的粉末厚度为3.5mm时的最小反射损失值为在频率为12.8 GBZ时的- 37.4 dB。

3.2羰基铁

羰基铁为磁损耗吸收剂，具有磁损耗角大、吸波能力强、饱和磁化强度高和居里温度较高等优点。与其他类型的吸波剂共混或复合可实现宽频带吸收。

朱云斌等[14]用羰基铁和硅溶胶作为原料，得到SiO2包覆羰基铁吸收剂, 与未包覆羰基铁相比, SiO2包覆羰基铁的抗氧化性能显著提高。当涂层厚度为1.8mm 时,质量分数为70%， 在8.2GBZ～12.4GBZ频率范围内反射率均小于-10dB。

周长等[15]采用高能球磨法制备的氧化锌-羰基铁复合体吸波剂，吸波剂的颗粒得尺寸随着球磨时间的增长而减小。氧化锌包覆在羰基铁颗粒上，吸波效果显著增强，整体的吸收谱向低频方向扩展。张琰卿等[16]用球磨机制备出了片状羰基铁，当羰基铁片状结构出现在球料比25∶1， 球磨时间为12 h ，样品对应的最大反射率在2GBZ～18GBZ范围内达到了-62 dB，小于-10 dB 的有效吸收频段达到9.2 GBZ。

Longgang Yan等[17]采用简单的球磨法制备了镍锌铁氧体/羰基铁复合体吸波剂。球磨2h后得到的片状颗粒状锌铁氧体/羰基铁具有最高的磁导率，磁导率和介电常数与球磨时间的延长而逐渐减小。研磨6h的镍锌铁氧体/羰基铁厚度为1.6mm～3.3mm，在5.4GBZ～14.8GBZ范围内反射率小于-20dB。研磨8h的镍锌铁氧体/羰基铁厚度为1.7mm～3.6mm，在5.0GBZ～13.3GBZ范围内反射率小于-20dB。

景红霞等[18]制备的羰基铁/钛酸钡复合材料与较纯羰基铁相比，在0-6 GBZ范围内羰基铁/钛酸钡复合材料的吸波性能有了明显的提高；当钛酸钡质量比为4%时，复合材料的吸波性能最佳，最大吸收峰值为-22.96dB,小于-10dB,频宽为2.196GBZ。羰基铁以磁损耗为主，钛酸钡以介电损耗为主，通过调解两者的质量比可制备出吸波性能优异的复合材料。

3.3石墨烯

石墨烯物理结构独特，力学、电磁学和吸波性能优异。石墨烯与磁性纳米粒子复合使其兼具电损耗和磁损耗双重功能。只有深入研究石墨烯与其他材料的复合方法以及石墨烯与其他材料的相互作用，才能制备出比重低、吸收频带宽、吸收强度高的新型吸波材料。

关晓辉等[19]制备了石墨烯/CoFe2O4纳米复合材料，单一的CoFe2O4虽然吸收频带宽，但不能有效吸收电磁波；石墨烯/CoFe2O4，不同比例的混合吸收效能均优于单一的CoFe2O4，而且石墨烯/CoFe2O4复合比例为7:10时，在11GBZ～12.5GBZ频率范围内最低反射损耗为-9.2dB。

霍小平等[20]采用共混法制备的石墨烯/环氧树脂改性氰酸酯，石墨烯含量越大，复合材料的复介电常数也随之增大。当石墨烯质量分数为3%时，复合材料在5.8GBZ～6.6GBZ频率范围内最大吸收峰绝对值为15.7dB。

张会云等[21]设计出了可调谐频率的石墨烯吸波体，通过改变石墨烯的费米能级实现频率的可调谐性。在一定条件下，吸波体费米能级为0.6eV时，吸波体在1.865TBZ能实现99%的吸收；当费米能级改变时，其吸波体共振频率也随之改变。

姜彦南等[22]基于石墨烯设计了一个S/C波段的超宽吸波器。该吸波器包含一个石墨烯材料的圆形双环周期结构，可以调节石墨烯表面阻抗，使得吸波器在2.1GBZ～9.0GBZ频带范围内吸收率超过90%。在相同模型结构情况下，调节石墨烯的静态偏置电场，使得吸波器在2.0GBZ～9.0GBZ频带范围内吸收率超过99%。

Panbo Liu等[23]研究CuS纳米片与石墨烯混合纳米复合材料，由于特殊的纳米结构和协同效应,当CuS含量为20 wt %表现出增强的微波吸收性能，最大的反射损失为：在11.4 GBZ下可达-54.5dB。厚度2.5毫米下，超过-10分贝吸收带宽4.5 GBZ。

3.4手性吸波材料

手性材料拥有电磁波交叉极化的特点，还具有吸波频率高，吸波频带宽等优点。

赵东林等[24]用化学气相沉积制备了螺旋形手性碳纤维。螺旋形手性碳纤维在2GBZ-18GBZ频率范围内有较高的介电损耗。当螺旋形手性碳纤维制备成蜂窝夹芯结构时，吸波性能明显提高。

戴银所[25]在水泥基建筑材料中掺入螺旋形钢纤维，可以适度提高吸收电磁波的性能，而且螺旋形钢纤维的排列方式、数量、式样厚度等对水泥基吸波性能都有影响。

Jihai Tang等[26]通过原位聚合的方法，在一个恒定的磁场(0.4 T)下合成掺杂右旋樟脑磺酸的手性聚苯胺。使用扫描电镜、电化学工作站,四探针电导率测量,和一个矢量网络分析仪手性聚苯胺的微观形态学,导电性和电磁特性。结果表明,相比在没有磁场的情况下合成的，与聚苯胺合成PANI-(D-CSA)-O 相比，在有磁场情况下合成的PANI-(D-CSA)-M长径比较大、高导电性和较好的电磁损失性能。PANI-(D-CSA)-M的最小反射率减少21.78%,PANI-(D-CSA)-M微波吸收(反射损失的带宽<-10dB)增加了4.7倍。

Fenfang Xu等[27]使用左旋樟脑磺酸作为手性掺杂剂，通过原位聚合的方法合成手性聚苯胺(PANI)/钡钡六角铁氧体(BF)复合材料。通过红外光谱,x射线衍射和FESEM电场发射扫描电子显微镜技术对复合材料的结构特点进行分析。开路电位测定D /L-丙氨酸电解液,以确定合成材料的手性。研究了通过-40到26.5 GBZ频率范围内测量复介电常数和复磁导率来研究其微波吸收性能。研究表明，手性聚苯胺/ BF复合材料表现出优异的微波吸收特性，材料厚度只有0.9毫米，其最小反射损失在33.25 GBZ频率下达到-30.5dB。反射损失低于-10dB的吸收带宽为12.8GBZ(从26.5GBZ到39.3GBZ),几乎覆盖整个Ka频段(26.5GBZ～40GBZ)。

另外，手性碳纳米管由于其特殊结构使其具有更好的吸波特性。但是手性材料与非手性材料在吸波方面的差距还不清楚，而且手性参数的影响因素还需进一步研究。

3.5席夫碱类吸波材料

导电席夫碱是由一种醛类化合物和伯胺在碱性条件下反应生成的亚胺衍生物，可通过掺杂或制备席夫碱盐来改善其吸波性能。

刘辉林等[28]用合成的长链共轭席夫碱与过渡金属复合为长链共轭席夫碱盐，然后再和导电材料与磁性材料进行掺杂形成的新型复合材料，具有优异的吸波性能。

林云等[29]在二茂铁高分子金属配合物磁体中引入有机基团来合成二茂铁高分子Schiff碱-Mn吸波剂。研究表明，在2GBZ～12GBZ频率范围内，吸波剂的微波吸收峰随着取代基共轭程度的增大而增大；用紫外激光对吸波剂进行照射，当照射时间为30min时，吸波剂微波吸收达到最大值。

4　展望

目前，对吸波材料的研究取得了较快的发展，但随着电子环境的恶化，电磁辐射日益严峻。人们更加追求吸波材料“薄、轻、宽、强”的优异性能，未来吸波材料的研究发展趋势主要为：

(1)对传统吸波材料的改性。对吸收剂进行掺杂、微结构调整、表面处理等改性过程，以提高材料的吸波性能。

(2)吸波材料的复合。将吸波性能互补的材料进行复合，充分发挥各自的优点，从而增加吸收宽带。

(3)研究手性材料的吸波原理，利用其与非手性材料的不同充分挖掘其独特的优异性能。

(4)研究开发新型材料。积极研发吸波性能好，吸波频段高的新型吸波材料。

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1008-5580(2016)03-0120-05

2016-05-06

国家自然科学基金项目(51206122)

赵晓明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生导师，研究方向：吸波材料的制备与性能研究。

TB34

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