吸波材料吸波原理及其研究进展

吸波材料的吸波原理及其研究进展张开庆（山东科技大学应用物理学2010-01201001090134）摘要：介绍了吸波材料的重要性，阐述了吸波材料的吸波原理，综述了铁氧体吸波材料、金属微粉吸波材料、纳米吸波材料及光学透明吸波材料近几年来的国内外研究进展及应用，最后指出，多频谱隐身材料和智能隐身材料是吸波材料中两个最主要的发展方向。关键词：吸波材料；吸波原理；进展AbsorbingMechanismandProgressofWave-absorbingMaterialsZhangKai-qing(Shandonguniversityofscienceandtechnologycollegeofscience,Appliedphysicsclasslevel2010-01)Abstract:Thesignificanceofwave-absorbingmaterialswasexplained.Theabsorbingmechanismindifferentconditions,thespeciesandthecharacteristicsofgeneralwave-absorbingmaterialswereintroduced.Therecentprogressandapplicationofferritematerial,surperfinemetalpowders,nanameterabsorbingmaterialandopticstransparentabsorbingmaterialswerereviewed.Finallypointsoutthatthemultiplespectraandintelligentstealthmaterialsaretowmostessentialdevelopingtrendsforradarwaveabsorbingmaterials.Keywords:wave-absorbingmaterials;wave-absorbingmechanism;progress随着现代科技技术尤其是电子工业技术的高速发展，不同频率的电磁辐射充斥着人们的生活空间，破坏了人类良好的生态环境，造成了严重的电磁污染。不少科学家预言，在二十一世纪，电磁污染将成为生态环境首屈一指的物理污染[1]。电磁场以电磁波的形式传递能量，只有使用电磁波吸波材料。使电磁波能转化为热能或其他形式的能，才能有效清除电磁污染。因此解决电磁污染的吸波材料的研究和应用成为人们研究.隐身技术也称为目标特征信号控制技术，是一种通过控制和降低武器系统的特征信号，使其难以被发现、识别、跟踪和攻击的技术。由于隐身技术能极大地提高武器的生存能力和作战效果，受到许多国家的高度重视，成为集陆、海、空、天四位一体的立体化现代战争中最重要、最有效的突防战术手段，成为现代军事研究的关键技术[2]。在现代战争中，雷达是探测目标的最可靠手段，因此雷达隐身技术是隐身技术的重点。雷达隐身技术的核心是降低目标的雷达散射截面（RCS）。其技术主要途径有两条：一是通过目标的外形设计降低RCS，简称为外形技术。二是目标应用能吸收雷达波的材料，即利用雷达吸波材料（RAM）降低目标的RCS，简称为雷达吸波材料技术[3]。雷达吸波材料简称吸波材料。吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量，并通过材料的介质损耗使电磁波能量转化为热能或其他形式的能量而消散掉的一类材料。它的工作原理与材料的电磁特性有关。良好的吸波材料具备两个条件，一是雷达波射入的吸波材料内，其能量损耗尽可能大；二是吸波材料的阻抗与雷达波的阻抗相匹配，此时满足无反射。实际上常要求吸波材料在一定频宽范围内对电磁波强烈的吸收，理想的情况是全吸收，即反射系数为零[2]。由于各类材料的化学成分和微观结构不同，吸波机理也不尽相同。尽管如此，吸波材料的吸波性能还是可以用宏观的电磁理论进行分析，工程上也常常使用材料宏观的介电常数和磁导率来评价吸波材料的反射和传输特性材料吸收电磁波的基本条件是：一是电磁波入射到材料上时，它能尽可能不反射而最大限度地进入材料内部，即要求材料满足阻抗匹配；二是进入材料内部的电磁波能迅速地几乎全部衰减掉，即要求材料满足衰减匹配。吸波材料在隐身技术、保温节能以及人体防护方面有着广泛应用。尤其在军事隐身技术领域，随着美国U-2高空侦察机、B-2隐形轰炸机、F-117隐形战斗机和“海影”号试验船的出现，吸波材料开始显示出实际应用中无法取代的巨大优势[4]。目前吸波材料的分类较多，现大致分成下面的四种：第一种按材料的成型工艺和承载能力，可分成涂覆型吸波材料和结构型吸波材料；第二种按吸波原理，吸波材料可分成吸收型吸波材料和干涉型吸波材料；第三种按材料的损耗机理，吸波材料可分成电阻型吸波材料、电介质型吸波材料和磁介质型吸波材料三大类；第四种按研究时期，吸波材料可分成传统型吸波材料和新型吸波材料[5-6]。目前研究比较多的有铁氧体吸波材料、金属微粉吸波材料、纳米吸波材料、多晶铁纤维吸波材料、导电高聚物吸波材料、手性吸波材料、等离子型吸波材料以及光学透明吸波材料等。下面做部分介绍。1.铁氧体吸波材料自然共振是铁氧体吸收电磁波的主要机制。所谓自然共振是指铁氧体在不加外恒磁场的情况下，由入射的交变磁场和晶体的磁性各向异性等效场共同作用产生的进动共振。当交变磁场的角频率和晶体的磁性各向异性等效场所决定的本征角频率相等时，铁氧体吸波材料将大量吸收电磁波能量。按微观结构不同，铁氧体可分成磁铅石型、尖晶石型和石榴石刑三个主要系列。目前对前两者的研究较多，对石榴石刑研究较少。六角晶系磁铅石型因其较高的磁性各向异性等效场而具有较高的自热共振频率，通常用作厘米波段和毫米波段的吸收剂，或通过掺杂以进一步展开频带。尖晶石型铁氧体研究与应用的历史较长，但由于其电磁参数很难满足相对介电常数和相对磁导率尽可能接近的原则，因此单一材料难以满足频带宽、厚度薄和面密度小的要求，常把其粉末分散到磁性微粒中制成复合铁氧体材料，可以通过铁氧体的粒径、组成等来调整其电磁参数以改善铁氧体的吸波性能。铁氧体吸波材料已经广泛应用于隐身技术，如B-2隐身轰炸机的机身和机翼蒙皮最外层涂覆有镍钴铁氧体吸波材料，TR-1高空侦察机上也使用了铁氧体吸波材料涂层。铁氧体吸波材料的研究最近又有新进展。研究表明，在较低温度下，通过硬脂酸凝胶法可制成六角晶系铁氧体纳米晶，其电磁参数易于调节、介电常数较低、粒度均匀，吸波性能优于铁氧体微粉[3]。2.金属微粉吸波材料金属微粉吸波材料主要是通过磁致损耗、涡流损耗衰减电磁波，一般由超细磁性金属粉末与高分子粘接复合而成，可以通过多相超细磁性金属粉末的混合比例来调节电磁参数使其达到较理想的吸波效果。金属微粉吸波材料具有微波磁导率较高、温度稳定性较好（居里温度高达770K）等特点。金属微粉吸波材料已经广泛应用于隐身技术，如美国F/A-18C/D“大黄蜂”隐身飞机使用了羰基铁微粉吸波材料。金属微粉吸波材料主要有两类，一类是羰基金属微粉吸波材料。羰基金属微粉包括羰基铁、羰基镍和羰基钴，其中羰基铁微粉是最为常用的一种。羰基铁粉是由羰基铁化合物在预热的氮气氛围中热分解后由分离器将不同粒径的粉末分离并收集，或者通过激光束直接照射高纯的Fe(CO)5，在反应室中通过光敏剂引发其分解得到粉体。另一类是通过蒸发、还原、有机醇盐等工艺得到的磁性金属粉吸波材料，它们的电磁参数与组分、粒度密切相关[4]。金属微粉吸波材料的缺点在于：抗氧化、耐酸碱能量差，远不如铁氧体；介电常数较大且频谱特性差，低频段吸收性能差；密度较大，其吸收剂体积占空间比一般大于50%[3]。3.纳米吸波材料纳米材料是材料组分特征指尺寸在（0.1~100）nm的材料。它具有极好的吸波特性，具有频带宽、兼容性好、质量小和厚度薄等特点，是一种有发展前途的雷达吸波材料。美、饿、法、德、日等国都把纳米吸波材料作为新一代雷达吸波材料进行探索与研究[7]。4.光学透明吸波材料光学透明吸波材料可分为吸收型和反射型两大类。吸收型光学透明吸波材料要求雷达波完全损耗在透明薄膜之中，目前主要有透明导电高聚物和电路模拟型吸波材料两种。反射型光学透明吸波材料要求较好的透光性和发射特性，可分为金属良导体薄膜和金属氧化物薄膜。传统吸波材料以强吸收为主要目标，新型吸波材料则要求满足“薄、轻、宽、强”，而未来吸波材料则应满足多频谱隐身、环境自适应、耐高温、耐海洋气候、抗辐射等更高要求，以适应日趋恶劣的未来战场。其中多频谱隐身材料和智能隐身材料将成为雷达吸波材料的两个主要方向。迄今为止的吸波材料都是针对厘米波雷达，而先进红外探测器、毫米波雷达等先进探测器的相继问世，要求吸波材料在不久的将来发展成为能够兼容米波、厘米波、毫米波、红外、激光等多波段电磁波隐身材料的多频谱隐身材料。智能型材料是一种具有感知功能、信息处理功能、自我指令并对信号做出最佳响应的功能的材料系统或结构。目前这种新兴的智能材料和结构已经在军事和航空航天领域得到了越来越广泛的应用。同时，这种根据环境变化调节自身结构和性能，并对环境做出最佳响应的概念，也为隐身材料和结构的设计提供了一个崭新的思路，使得智能隐身目标的实现成为可能[3]。目前，国内外在吸波材料的研制方面还存在频带窄、密度大、性能低等缺点，应用范围受到一定的限制，因而当务之急是探索质轻、宽频、无污染、耐环境性的多功能高效吸波材料，开展研究兼容型吸波材料即能兼容米波、厘米波、毫米波、红外、激光等多波段的吸收波材料，拓宽吸波波段是未来发展方向之一。研发既能隐身又能承载的多功能结构型吸波材料，以及能自动对外界做出最适响应功能的智能型材料也是未来隐身材料的主要发展方向。材料技术的发展和应用是隐身技术发展的关键因素之一。具有前瞻性和创新性的新一代隐身吸波材料是我国国防现代化的急需的关键材料。我们必须密切注视国外该领域研究发展动态，同时积极开展我国隐身材料研究，对提高我国的国防实力具有十分重要的意义。参考文献：[1]LiMaoqiong,HuYongmao,FangJinghua,etal.CurrentStatusandFutureTrendsofElectromagneticWaveAbsorbentwithNanStructure[J].MaterialsReview,2002,169(9):15-17(Ch)[2]张建,张文彦,奚正平.隐身吸波材料的研究进展.稀有金属材料与工程,2008,37(4):504-508[3]王海.雷达吸波材料的研究现状和发展方向.上海航天,1999,(1):55-59[4]赵灵智,胡杜军,李伟善,等.吸波材料的吸波原理及其研究进展.现代防御技术,2007,35(1):27-31[5]刘顺华,郭辉进.电磁屏蔽与吸波材料[J].功能材料与器件学报,1996,27(3):19-23[6]王磊,张玉军,张伟儒,等.吸波材料的研究现状与发展趋势[J].现代技术陶瓷,2004,(4):23-26[7]秦嵘,陈雷.国外新型隐身材料研究动态.宇航材料工艺,1997,(4)