吸波材料專欄（三）：不過時的傳統吸收劑—羰基鐵粉

第一期講到的雷達吸波材料按材料成型工藝和承載能力，雷達吸波材料可分為涂敷型吸波材料和結構型吸波材料。本期介紹一下傳統的涂覆型吸波材料中應用最為廣泛的吸收劑—羰基鐵粉。

羰基鐵粉由于其溫度穩定性好、磁導率高以及生產成本低的特點，在吸波材料中具有廣泛的應用前景，是國內外研究最深入、應用最廣泛、吸波性能優秀的電磁波吸收劑，并且大量應用于現役的武器裝備上。例如，美國的F/A-18C/D“大黃蜂”飛機，為了降低其雷達反射截面積（RCS），在機身表面及機翼上使用了羰基鐵粉為主的雷達吸波材料，F-15SE“靜默鷹”是F-15重型戰斗機的最后改進型，為了保證其面對三代及三代半戰斗機的空中優勢，對其隱身性能進行了改進，在表面縫隙連接處、機翼、機身的諸多部位使用了大量的羰基鐵粉為主的雷達吸波材料，使其正面的雷達反射截面積降低到了F-35的水平。

羰基鐵粉是由羰基鐵直接分解得到的鐵粉，五羰基鐵化合物Fe（CO）₅倍加熱到70~80℃時開始分解成Fe和CO，在155℃時大量分解，最后形成蔥頭狀結構的羰基鐵粉，所生成的羰基鐵粉主要為鐵。常見的羰基鐵粉有球形和片狀兩種形貌，圖1為兩種形貌羰基鐵粉顆粒在掃描電鏡下的照片。球狀羰基鐵粉的高頻磁性受限于Snoek極限，難以滿足“薄、輕、寬、強”的吸波性能要求，而片狀羰基鐵粉則可以突破極限獲得優異的高頻電磁性能。

圖1. 球狀羰基鐵粉???????

?????? ????????圖2.片狀羰基鐵粉

具有良好吸波性能的材料，一是盡可能大的在吸波材料內部對入射雷達波損耗掉；二是雷達吸波材料的阻抗和入射雷達波的阻抗相互匹配，達到了無反射的條件。要達到條件一，介電常數和磁導率是影響電磁波和介質相互作用的重要參數。其中介電常數：ε=ε'-iε^"?。磁導率為μ=μ'-iμ^"?，ε^"?及μ^"分別表示介電損耗和磁損耗。對于介質材料來說，有著對電磁波耗散和吸收的能力。要達到條件二, 在自由空間中，阻抗為Z₀ 時，雷達波投射到阻抗為Z₀ 的介電層表面，可以發生部分反射，反射系數R =(1 –Z/ Z₀)/(1 + Z/ Z₀)。

實際上盡量要求吸波材料滿足條件二，即在一定頻帶寬度范圍內對電磁波有強烈吸收衰減：

（1）阻抗匹配條件：降低電磁波的反射系數，即當電磁波入射到材料表面時，讓其最大限度地進入材料內部；單層吸波涂層的反射損耗RL（dB）可由復介電常數和復磁導率通過公式計算而得。

式中：Z_o為自由空間的特征阻抗，Z_in為吸收涂層的輸入阻抗，f為電磁波的頻率，d為吸波涂層厚度，c為真空光速。

當微波垂直入射到涂層表面時，其振幅反射率ρ為：

要達到無反射，即，由可知需滿足以下條件：

式中：為自由空間的相對磁導率，為自由空間的相對介電常數，值均為1^[10]；、為材料的相對磁導率、相對介電常數，根據上述條件可得。由此可見，若阻抗完全匹配即微波完全進入涂層無反射，則需涂層的相對磁導率與相對介電常數相等，但是目前這種材料仍未找到。因此若實現好的阻抗匹配，需使材料的相對介電常數與相對磁導率相差越小越好。

衰減條件：電磁波在材料內部傳播時能夠迅速衰減。電磁波在材料內部傳播時，材料對微波的吸收率為：

式中：為涂層的吸收率，a為涂層的衰減系數，d為涂層的厚度。由此可見，若使進入涂層的微波完全衰減，即完全被吸收，則等式左側，因而必須無限接近于0，故a或d需要無限大。實際上沒有a為無限大的涂料，d為無限大也沒有實用意義；a的值與材料的磁導率盡正相關，因而若滿足衰減條件需提高材料的磁導率。但是a值大和阻抗匹配是矛盾的，一般涂料的a值越大，其本征阻抗越小，越難與自由空間的特征阻抗匹配。因此要根據實際需要盡可能滿足阻抗匹配和衰減兩個基本條件進行設計。

同時也可以看出，無論要滿足阻抗匹配，還是滿足衰減條件，吸波材料性能的好壞與材料的介電常數及磁導率密切相關。因而吸波材料的探究從本質上是對其電磁參數的研究，而材料的電磁參數又取決于其組分、結構以及外觀形貌。因而通過探究材料的組織結構以及外觀與材料電磁參數的關系，調整其結構特征，從而獲得優異的吸波性能。因此實現對吸收劑微波電磁參數的自由調控是探究材料吸波性能的關鍵所在。羰基鐵粉因具有高飽和磁化強度和價格低廉等優點是目前吸波劑領域中最主要的研究對象之一。

吸波材料專欄第二篇：吸波材料專欄（二）：三大結構型吸波材料梳理

吸波材料專欄第一篇：提高武器裝備戰場生存能力的‘神器’—雷達吸波材料

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