學術干貨|殺敵于“無形”—吸波材料專題之簡介

【內容提要】
電磁波吸收材料不僅可以賦予武器裝備雷達隱身性能，提高國防安全水平；還能夠吸收周圍環境中的電磁波污染，使人們免收電磁波的傷害。因此，無論在軍用還是民用領域中，吸波材料均具有極大的應用價值。本文主要介紹了有關隱身吸波材料的基礎知識，包括以下五個方面：雷達隱身原理、電磁波吸收原理、吸波材料的發展歷程、材料吸波性能的評價和高分子基復合吸波材料。

【1.引文】
1991年1月17日拂曉，重兵把守的伊拉克指控和通信中心等大批重要設施遭到美軍的毀滅性打擊，海灣戰爭的走向由此改變。然而在此次行動中，伊軍所有的機載和地面雷達均為探測到任何敵方目標。美軍的整個行動宛如“鬼魅”一般，打的伊軍“丈二的和尚摸不著頭腦”，伊軍對此困惑不已。原來，美軍在此次行動中使用了秘密武器—F117隱身戰斗機，這才使得伊軍未能及時做出反應，并迅速地擴大戰果。

圖1 美軍F-117夜鷹隱身戰斗機

那么，隱身飛機為什么能夠隱身呢？飛機的隱身性能又與我們材料人有什么關聯呢？

【2.雷達隱身原理】
這就要從飛機隱身的原理講起。在此之前，我們得確定一下，這里的隱身指的是雷達隱身，而不是小說中寫的肉眼看不到的光學隱身。

雷達（Radar）全稱radio detection and arranging, 意為“無線電探測和測距”。顧名思義，雷達是通過發射電磁波對目標進行照射并接收器回波，由此獲得目標的距離，速度，方位和高度等信息。也就是說，如果目標不反射電磁波，或者反射的電磁波不被雷達接收到，就能使雷達變為“睜眼瞎”。這就是隱身飛機，或者廣義地說隱身武器，實現隱身的基本理論基礎。美軍的F-117外形像一個堆積起來的復雜多面體，大部分表面向后傾斜，具有大后掠機翼和V形垂尾。這種外形能使反射雷達波改變方向，產生散射，敵方雷達很難收到反射信號。除此之外，F-117的機身、機翼和垂尾大量采用了玻璃纖維、碳纖維等雷達隱身材料，能夠很好的吸收雷達波從而防止反射。

基于此，科學家們主要通過“外在”與“內在”兩種方式來賦予飛機隱身性能。第一種（外在），是讓照射到飛機表面的電磁波被散射到四面八方，反正就是不反射到雷達的方向， 來“瞎化”雷達。此方法需要對飛機的外形進行設計并進行大量的模擬計算，這屬于搞電子和物理的專業范疇。而第二種（內在）方法是讓照射到飛機表面的電磁波不反射，直接進入飛機內部并被消耗掉。這種方法對材料的要求比較高。能夠實現雷達隱身的材料首先要不反射電磁波，其次還要能夠把電磁波迅速地消耗掉，因此隱身材料也被成為吸波材料。但是吸波材料為什么能夠吸收電磁波呢？

【3.吸波材料的電磁波吸收原理】
我們先來看一下吸波材料的定義：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。由此引出了吸波材料的兩個基本條件：1)入射電磁波最大限度的進入材料內部，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被衰減掉，即衰減匹配。圖2為電磁波在經過吸波材料的路徑圖。如圖所示，入射波在到達材料表面時會有一部分被反射走，而只有進入材料內部的這部分電磁波才有可能被衰減掉。因此，好的吸波材料幾乎不反射電磁波，而是將它們吸收到內部并全部衰減掉。要想做到對電磁波的“關門打狗”，材料必須很好的滿足上述的兩個基本條件。這兩個基本條件幾乎成為了科學家們設計吸波材料的指導方針。

圖2 電磁波在有耗介質中的傳播路徑圖

那么什么樣的材料才算好的吸波材料，材料的吸波性能又該如何評價呢？

【4.吸波性能的評價】
對于吸波材料的最基本要求有兩點:1.電磁波吸收能力強2.覆蓋頻率范圍寬。首先解釋一下電磁波吸收能力：目前學者們采用的最多的評價電磁波吸收能力的指標主要有兩個：1）對電磁波的反射損耗 Reflection Loss （RL），單位dB，它表示材料對固定頻率電磁波的損耗能力，和2）RL<-10dB 的頻率寬度，也叫有效吸收寬度，代表能夠吸收90%能量電磁波的頻率范圍，單位GHz。圖3為典型的吸波材料性能曲線，其中縱坐標為RL，橫坐標為頻率。一般來講，曲線越靠下（即縱坐標越小），有效吸收寬度（如圖3中標示）越寬，材料的吸波性能越好。直觀來說，曲線與-10 dB橫線（圖3中紅線）圍成的面積（圖中陰影部分）越大，吸波性能越好。

圖3 電磁波吸收性能曲線

【5.吸波材料的發展歷程】
早起的吸波材料主要應用于軍事領域中。國外隱身技術及材料研究始于第二次世界大戰期間，起源在德國，發展在美國并擴展到英、法、俄羅斯及日本等發達國家。經過半個多世紀的發展，成績斐然。

圖4 美軍F-22猛禽隱身戰斗機與B-2幽靈隱身轟炸機

從上個世紀50年代起美國開展隱身技術研究，經過20多年的發展，70年代開始研制隱身飛機，80年代隱身飛機裝備部隊并投入使用。現已裝備的F-22猛禽戰斗機和B-2戰略轟炸機均采用了不同類型的隱身材料。

圖5 電磁波不僅會嚴重干擾電子設備的正常運行，更會損害人類的身心健康

而近幾十年來，隨著電子信息科技的發展，越來越多的電磁波充斥著人們的生活空間，造成大量的電磁波污染。這些電磁波污染不僅不利于電子設備的正常運行，更會損害人類的身心健康（如圖5所示）。因此，無論在軍事還是民用領域，吸波材料均具有十分重要的價值。傳統的金屬基的吸波材料由于質量較重，耐濕、抗腐蝕性能較差等缺點，已不能滿足人們的需要。現今吸波材料的研究注要著眼于質輕、耐濕抗腐蝕性能優異的高分子基復合吸波材料。

【6.高分子基復合吸波材料】
高分子基復合吸波材料是有高分子基體和電磁波吸收劑（簡稱吸波劑）共混而成的。

圖6 高分子基復合吸波材料的組成

一般來講，此類吸波材料中，高分子基體作為透波介質（即能夠良好的傳遞電磁波）對電磁波幾乎無損耗能力。真正起到吸波作用的是吸波劑。根據對電磁波的損耗機理不同，吸波劑可分為（1）電阻損耗型（炭黑、石墨、金屬粉、碳化硅，碳纖維等）（2）介電損耗型（氮化硅、氮化鐵、碳納米管、石墨烯等）和（3）磁損耗型（鐵氧體、羰基鐵、鐵鋇體等）三類。而高分子基體根據原料種類不同可分為以下四類：

表1 高分子基吸波材料的分類及原料

早期的高分子基復合吸波材料只是將吸波劑單純地與聚合物基體混合，此類吸波材料雖然具有一定的吸波能力，但總體性能還是較差。

于是人們嘗試多種吸波劑復配使用來提高材料的電磁波吸收性能。如大連理工大學將Fe納米粒子（Fe NPs）和碳纖維（CFs）共同加入到環氧樹脂基體中（如圖7所示），獲得了優異的電磁波吸收性能。其最小反射損耗為-26.8 dB，有效吸收寬度達4.9 GHz。

圖7 碳纖維（CFs）/Fe納米粒子（Fe NPs）/環氧樹脂吸波復合材料

不同吸波劑間的相互作用也會對吸波性能產生影響：南京航空航天大學將球狀羰基鐵（SCI）和還原氧化石墨（RGO）利用化學鍵連接起來，制備出了高效吸波劑（如圖8所示）。其有效吸收寬度達4.21GHz，最小的反射損耗低至-52.46dB。

圖8 球狀羰基鐵（SCI）-還原氧化石墨烯（RGO）高效電磁波吸收劑

隨著電磁波傳輸理論的引入，人們對吸波材料的結構開始進行優化設計。其中最常見的就是層狀結構。這是由于材料的分層現象會影響電磁波在其中的傳輸，利用此種影響就有望獲得優異的吸波性能。西北工業大學的卿玉長教授等人將片狀羰基鐵和多壁碳納米管混入環氧樹脂中制備了復合材料。并采用不同含量的樣品堆疊成多層結構，獲得了優異的吸波性能（如圖9所示）。其有效吸收寬度達14.9 GHz。

圖9 羰基鐵/多壁碳納米管/環氧樹脂多層吸波復合材料及其電磁波吸收性能

除了層狀結構外，科學工作者們還將聚合物基體進行發泡，降低吸波材料的密度，以期獲得輕量化的吸波材料。材料中的這些泡孔能夠增加電磁波在材料內部的反射，提高電磁波的吸收能力。最近，一種全碳的多孔材料展現出了超強的電磁波吸收性能：南開大學利用高溫處理制備的石墨烯泡沫（圖10），有效吸收寬度達60.5 GHz。真是一款強大的吸波材料！

圖10 具有超強電磁波吸收性能的全碳石墨烯泡沫吸波材料

【7.展望】
“道高一尺，魔高一丈”。軍事探測手段的不斷更新換代，使得對隱身吸波材料的要求也與日俱增。現在吸波材料正朝著輕量化、高強化、智能化的方向發展。因此，研究質輕、高強、寬頻帶吸波材料以展寬有效吸收寬度，實現多頻譜隱身材料相兼容是隱身材料未來發展的一個主要方向。吸波材料路漫漫，我們共同來求索。

本文由材料人編輯部高分子組gaoy提供，材料牛編輯整理。歡迎持續關注本專題，我們將由淺入深，講解吸波材料的的最新進展、盤點領域大牛。

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