吸波材料的发展及应用
2004-09-02 12:28:36
来源：国际电子变压器2004年9月刊
摘要：本文主要综述吸波材料的进展和最新发展情况，指出吸波材料研究不仅在军事上有着重大意义，而且对民用电子行业如抗干扰器件开发也起着推进作用。目前，吸波材料已向产品化方向发展，且应用范围不断扩大，有着极大的潜在市场。
关键词：隐身技术 隐身材料 吸波材料 抗干扰 纳米
1引言
隐身技术是上世纪末发展起来的一门新兴边缘科学，涉及多种技术领域，应用十分广泛，从各种武器的装备、飞行器的隐身到通信设备的抗干扰，隐身技术已成为现代战争中的"秘密武器"，在实战中发挥了巨大作战效能。许多发达国家拨巨款开展隐身技术和隐身武器的研制，并将此列为高度机密的研究项目。隐身技术已成为现代武器系统最为关注的课题之一。
从广义上说隐身技术是通过降低电器、武器或飞行器的光、电、热可探性而达到隐身目的的一种技术。也就是采用多种技术措施，降低对外来信号（光、电、磁波、红外线等）的反射，使反射信号与它所处的背景信号难以区别，尽量地减弱自身的特征信号，达到自身隐蔽的效果。隐身技术可分为有源隐身技术和无源隐身技术，所谓有源是利用计算机分析外来探测信号，并及时主动发射相应的干扰信号，以达到自身的隐蔽。而无源隐身技术是一种被动隐身技术，它包括隐身结构技术和隐身材料技术，隐身结构技术是在尽量不影响功能的条件下降低自身特征信号，并设法减少雷达反射截面积，这在军事上显得特别重要。最为典型的是美国洛克布德公司研制的F-117型战斗轰炸机，把飞机设计成与翼身融合一体的多面外形，形状奇特，整架飞机几乎全由直线构成，机翼和V型尾翼都采用菱形翼，表面与转折处设计成能使入射的电磁波偏转而避开发射源。为了降低发射机的辐射热，在发动机进气口采用网状格栅，而尾气口做成“口琴”式喷口，并与进气出口相近，进一步降低喷口温度，尽可能降低红外线的辐射强度。隐身材料技术就是在完成隐身结构设计后，仍不能得到满意效果，还要在机体表面喷涂隐身材料来吸收电磁波，如F-117飞机的雷达反射截面（RCS）值只有0.02～0.025m2，比一个飞行员头盔的RCS值还小。对于一架总体隐身效果为20dB的飞行器，其结构隐身效果为5～6dB，吸波材料隐身效果则为7～8dB。可见隐身结构技术和隐身材料技术是隐身技术不可分割的两部分，而隐身材料在实现隐身中起了重要作用，也是隐身技术中研究的主要内容之一。
隐身材料又称之为吸波材料，其作用把外来的电磁波能量转换为热能，降低反射波的强度，达到隐身效果。按吸波材料损耗机理可分为：电阻型、电介型和磁介质型。为了得到最佳的隐身效果，常常把多种吸波材料结合起来，构成复合型吸波材料，广泛用于雷达、航天、微波通讯及电子对抗、电子兼容的吸收屏蔽等领域。
2吸波材料的研究进展
当波阻抗为ZO的平面电磁波由自由空间（μo、εo）垂直入射到磁导率为μr、介电常数为εr的吸收媒质时，界面上就会发生反射和透射。吸收媒质对电磁波的反射损耗用R来表示，单位是分贝：
（1）
式中Zo是自由空间波阻抗
，Zin为输入波阻抗。要获得反射损耗最小，吸收媒质的波阻抗必须与自由空间的波阻抗相匹配Zin=ZO，这时反射损耗最小，说明电磁波能量被媒质所吸收。
对于有限厚度的吸收媒质，输入波阻抗可表示为
（2）
式中f为电磁波频率，d为吸收媒质的厚度，c为光速。将该式代入（1）式，反射损耗等式就变成一个复数超越函数，它表示反射损耗与媒质的电磁参数存在着复杂的函数关系，只有特定的边界条件才能得到有效解。
对于吸收媒质厚度d为无限大时，输入波阻抗
，要满足反射损耗最小则要求
（3）
实际上一般媒质的εr和μr值相差甚远，只有采用特定的媒质和特殊的工艺设计来调节εr和μr，才能达到吸收媒质的波阻抗与自由空间的波阻抗相匹配。如铁氧体粉末要提高它的吸收性能就采用与导电聚合物复合来降低铁氧体的介电常数，而金属磁性粉末则加绝缘树脂来提高介电常数，或改变粉末的外形、尺寸来调节εr和μr以满足（3）式要求，从而降低反射损耗提高吸收性能。实际操作相当复杂，但对于一般通讯设备，只要反射损耗小于20dB，电磁波即被媒质99％吸收。
3目前国外吸波材料研制进展
3.1铁氧体吸收材料
铁氧体吸收材料是利用磁性材料在高频下磁损耗和磁导率的频散来吸收电磁波能量的，从磁导率的频散曲线（图一）可以看出曲线分为5个区域，这五个区域出现的吸收机理各不相同。图中μ′为磁导率的实数部分，μ″为磁导率的虚数部分，在低频区域If < 104Hz时，μ′几乎不随频率而改变，μ″的变化也很小；区域Ⅱ频率为104～106Hz时，μ′和μ″的变化也很小，但μ″出现峰值，这峰值是样品的尺寸共振所引起的吸收。由于样品的几何尺寸与传播的电磁波的半波长相近产生驻波所引起的共振吸收与材料特性无关；当频率为106～108Hz区域Ⅲ时，μ′急剧下降，μ″迅速增加，此时磁损耗迅速增大出现共振吸收，这主要是畴壁位移引起的共振吸收; 当频率为108～1011Hz的区域Ⅳ时，μ′继续下降，而μ″在此区域又出现峰值。这是由于磁畴内磁矩转动所引起的自然共振吸收;区域Ⅴ为极高频 f > 1010Hz，属于自然交换共振，实验观察并不多见。对于铁氧体粉末材料来说吸波机理主要是自然共振，不同结构的铁氧体其自然共振频率不同。传统的立方晶系尖晶石型的铁氧体（Zn-Ni， Li-Zn，Mn-Mg等铁氧体）其共振频率可表达为：
（4）
从公式中可见其自然共振频率与材料的MS成正比，与磁导率成反比，即磁化强度高的材料fc高，磁导率高的材料fc低，对于尖晶石型铁氧体一般只能在小于3GHz频段使用。共振频率还与磁各向异性有关，如对于平面六方晶系铁氧体，有强的单轴各向异性，如Co2Z型的Ba3Co2Fe24O41铁氧体，其共振频率可表达为：
（5）
其中Hθk 为与轴向夹角θ的磁各向异性场； 为与轴向夹角Φ的磁各向异性场，Hθk比HΦk大二个数量级。表一是两种晶系比较，可以看出磁导率高的共振频率低，六角晶系共振频率比立方晶系高2～3数量级，适合于做超高频吸波材料。
3.2金属超微粉吸波材料
新型吸波材料要求“薄、轻、宽、强”，即要求密度小，重量轻，吸收频率宽，吸收能力强。材料的吸收损耗表示为：
（6）
式中A是材料的吸收损耗，σr是导电常数，μr是磁导率。由于铁氧体材料的σr、μr要比金属材料低，所以提高铁氧体材料吸收损耗只有增加材料的厚度d，显然这将影响它的应用。从理论上讲，金属材料居里点高（770K）耐高温，Ms高是铁氧体3～4倍，从公式（4）看出，金属自然共振频率比铁氧体高得多，有更好的吸收性能，但块状金属吸波材料会受到金属趋肤效应的限制。随着金属或合金的粒径减小，材料对电磁波的吸收性能逐步增加，反射性能逐渐减弱。法国巴黎大学研究指出，微米级 Ni，Co磁粉在1～8GHz有强的吸收性能。金属超细粉吸波材料，又称为磁介质吸波材料。国内外对金属微粉研究认为磁性金属粉的吸波能力优于普通金属，这是因为除了有电子吸收外，还存在磁损和频散，而且棒状、片状、纤维状等形状各向异性的磁性粉末优于颗粒状的磁性粉末，可见金属超微粉是及其重要的吸收材料，可以弥补铁氧体的重量重、高频特性不理想的缺点。
3.3多晶铁纤维吸波材料
多晶铁纤维吸波材料包括Fe、Ni、Co及其合金纤维，具有较高的磁导率μr和导电率σr，而且多晶铁纤维具有独特的形状各向异性，其轴向的磁导率μ1和导电率均大于径向，层状取向排列呈现出很强的介电损耗吸收，涡流损耗和磁滞损耗能在很宽的频带内实现高吸收率，且质量比传统金属微粉吸波材料减轻40％～60％，涂层质量仅为1.5～2.5Kg/m2，因此多晶铁纤维材料是一种轻质雷达吸波材料。
3.4纳米吸波材料
当颗粒尺寸减小到10～100nm时，粒子的物理和化学性能发生巨大的变化。随粒子尺寸的减小，粒子表面积增大，表面原子所占的比例变大，所受内部原子约束变小，晶体缺陷增加，化学性极为活泼。金属原子导电电子能带从连续变为分裂的能级。不同能级跃迁就可以吸收不同波段的能量。如果纳米粒子的粒径按大小分布，与聚氨乙烯混合组成复合吸收体，就可以对毫米波、远红外、近红外有很强的吸收，其吸波频带比上述吸波材料宽得多，可谓是宽频带吸波材料。而且兼容性好、质量小、厚度薄。如纳米γ-FeNi金属粉末尺寸小于10nm，对厘米和毫米波的最高吸收率高达99.95％。最近人们开展了铁氧体纳米化研究，将纳米铁氧体与导电聚合物复合成新颖的纳米复合微波吸收材料，从理论上来说具有磁损和介电损耗的吸收功能又有纳米微粒本身的吸波性能。合成材料是一种质轻、频宽、性能优良的吸波材料。国内外对纳米吸波材料给予高度重视，美国已研制出第四代纳米吸波材料，对雷达波吸收率可达99％，而其厚度只有微米级。
3.5吸波结构复合材料
上述的各种吸波材料只考虑吸波性能，忽略了材料的刚性。吸波结构复合材料是把吸波材料与树脂泡沫胶纤维混合成刚性结构材料， 最常用的碳纤维和碳化硅纤维复合材料，原都是一种结构材料，虽然有良好的刚性，但吸波性差，碳纤维的电阻率较低10-2Ω·cm，是强的反射体，而碳化硅电阻率介于金属和半导体之间，属于杂质半导体，要使此类材料具备吸波性能就要对其表面进行改性或改变其结构，有人把碳纤维截面设计成异形截面（三角形、方形等），并将它涂上金属磁性材料进行表面处理，成为高吸波性能的刚性材料。通过对碳化硅（SiC）纯度或掺杂的控制，可制成β－SiC纤维，电阻率控制在10～107Ω·cm范围。一种称为掺混型磁性碳化硅就是用超声波将平均粒径30nm超细钴粉均匀分散在聚碳硅烷中，通过熔融、纺丝、烧结等处理而制得的，它具有最佳的吸波能力，并且有耐高温、重量轻、韧性好、强度大等特点，可用在飞行器的翼面前沿进气通道和机身边条等重要部位，它把雷达吸收层集成在飞机结构内部，而不是涂覆在飞机外表面。与吸波涂料相比，克服了涂料易腐蚀损坏、脱落的缺点，并具有更高的吸波效率和更宽的频率范围以及高比强度、刚度、质量轻的优点，这种复合材料融承载和吸波为一体，可作为飞机结构材料，美国成功地应用于第三代飞机雷达隐身改造和第四代军事飞机研制。这种新型的高效、宽频吸收、高强度、高刚性结构材料是国外发展最快的吸波材料之一。
3.6等离子体吸波材料
以上的隐身技术主要依靠外形设计和吸波材料，以牺牲飞机的飞行和战斗能力为代价，但等离子体吸波材料是最大限度地保留飞机性能，它是利用具有放射性同位素涂料发射的α粒子，将周围空气电离形成等离子体，当物质处于离子状态时，会截止某一频率电磁波。等离子截止频率：
（7）
式中e为电子电量，mo电子质量，εo真空介电常数，ne自由电子密度。高于这频率的电磁波可以穿过等离子体，而低于该频率的电磁波就会被反射或吸收。从等离子体折射公式：
（8）
可以看出，当入射电磁波频率fo
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（1）
式中Zo是自由空间波阻抗，Zin为输入波阻抗。要获得反射损耗最小，吸收媒质的波阻抗必须与自由空间的波阻抗相匹配Zin=ZO，这时反射损耗最小，说明电磁波能量被媒质所吸收。
对于有限厚度的吸收媒质，输入波阻抗可表示为
（2）
式中f为电磁波频率，d为吸收媒质的厚度，c为光速。将该式代入（1）式，反射损耗等式就变成一个复数超越函数，它表示反射损耗与媒质的电磁参数存在着复杂的函数关系，只有特定的边界条件才能得到有效解。
对于吸收媒质厚度d为无限大时，输入波阻抗，要满足反射损耗最小则要求 （3）
实际上一般媒质的εr和μr值相差甚远，只有采用特定的媒质和特殊的工艺设计来调节εr和μr，才能达到吸收媒质的波阻抗与自由空间的波阻抗相匹配。如铁氧体粉末要提高它的吸收性能就采用与导电聚合物复合来降低铁氧体的介电常数，而金属磁性粉末则加绝缘树脂来提高介电常数，或改变粉末的外形、尺寸来调节εr和μr以满足（3）式要求，从而降低反射损耗提高吸收性能。实际操作相当复杂，但对于一般通讯设备，只要反射损耗小于20dB，电磁波即被媒质99％吸收。
3目前国外吸波材料研制进展
3.1铁氧体吸收材料
铁氧体吸收材料是利用磁性材料在高频下磁损耗和磁导率的频散来吸收电磁波能量的，从磁导率的频散曲线（图一）可以看出曲线分为5个区域，这五个区域出现的吸收机理各不相同。图中μ′为磁导率的实数部分，μ″为磁导率的虚数部分，在低频区域If < 104Hz时，μ′几乎不随频率而改变，μ″的变化也很小；区域Ⅱ频率为104～106Hz时，μ′和μ″的变化也很小，但μ″出现峰值，这峰值是样品的尺寸共振所引起的吸收。由于样品的几何尺寸与传播的电磁波的半波长相近产生驻波所引起的共振吸收与材料特性无关；当频率为106～108Hz区域Ⅲ时，μ′急剧下降，μ″迅速增加，此时磁损耗迅速增大出现共振吸收，这主要是畴壁位移引起的共振吸收; 当频率为108～1011Hz的区域Ⅳ时，μ′继续下降，而μ″在此区域又出现峰值。这是由于磁畴内磁矩转动所引起的自然共振吸收;区域Ⅴ为极高频 f > 1010Hz，属于自然交换共振，实验观察并不多见。对于铁氧体粉末材料来说吸波机理主要是自然共振，不同结构的铁氧体其自然共振频率不同。传统的立方晶系尖晶石型的铁氧体（Zn-Ni， Li-Zn，Mn-Mg等铁氧体）其共振频率可表达为：
（4）
从公式中可见其自然共振频率与材料的MS成正比，与磁导率成反比，即磁化强度高的材料fc高，磁导率高的材料fc低，对于尖晶石型铁氧体一般只能在小于3GHz频段使用。共振频率还与磁各向异性有关，如对于平面六方晶系铁氧体，有强的单轴各向异性，如Co2Z型的Ba3Co2Fe24O41铁氧体，其共振频率可表达为：
（5）
其中Hθk 为与轴向夹角θ的磁各向异性场； 为与轴向夹角Φ的磁各向异性场，Hθk比HΦk大二个数量级。表一是两种晶系比较，可以看出磁导率高的共振频率低，六角晶系共振频率比立方晶系高2～3数量级，适合于做超高频吸波材料。
3.2金属超微粉吸波材料
新型吸波材料要求“薄、轻、宽、强”，即要求密度小，重量轻，吸收频率宽，吸收能力强。材料的吸收损耗表示为：
（6）
式中A是材料的吸收损耗，σr是导电常数，μr是磁导率。由于铁氧体材料的σr、μr要比金属材料低，所以提高铁氧体材料吸收损耗只有增加材料的厚度d，显然这将影响它的应用。从理论上讲，金属材料居里点高（770K）耐高温，Ms高是铁氧体3～4倍，从公式（4）看出，金属自然共振频率比铁氧体高得多，有更好的吸收性能，但块状金属吸波材料会受到金属趋肤效应的限制。随着金属或合金的粒径减小，材料对电磁波的吸收性能逐步增加，反射性能逐渐减弱。法国巴黎大学研究指出，微米级 Ni，Co磁粉在1～8GHz有强的吸收性能。金属超细粉吸波材料，又称为磁介质吸波材料。国内外对金属微粉研究认为磁性金属粉的吸波能力优于普通金属，这是因为除了有电子吸收外，还存在磁损和频散，而且棒状、片状、纤维状等形状各向异性的磁性粉末优于颗粒状的磁性粉末，可见金属超微粉是及其重要的吸收材料，可以弥补铁氧体的重量重、高频特性不理想的缺点。
3.3多晶铁纤维吸波材料
多晶铁纤维吸波材料包括Fe、Ni、Co及其合金纤维，具有较高的磁导率μr和导电率σr，而且多晶铁纤维具有独特的形状各向异性，其轴向的磁导率μ1和导电率均大于径向，层状取向排列呈现出很强的介电损耗吸收，涡流损耗和磁滞损耗能在很宽的频带内实现高吸收率，且质量比传统金属微粉吸波材料减轻40％～60％，涂层质量仅为1.5～2.5Kg/m2，因此多晶铁纤维材料是一种轻质雷达吸波材料。
3.4纳米吸波材料
当颗粒尺寸减小到10～100nm时，粒子的物理和化学性能发生巨大的变化。随粒子尺寸的减小，粒子表面积增大，表面原子所占的比例变大，所受内部原子约束变小，晶体缺陷增加，化学性极为活泼。金属原子导电电子能带从连续变为分裂的能级。不同能级跃迁就可以吸收不同波段的能量。如果纳米粒子的粒径按大小分布，与聚氨乙烯混合组成复合吸收体，就可以对毫米波、远红外、近红外有很强的吸收，其吸波频带比上述吸波材料宽得多，可谓是宽频带吸波材料。而且兼容性好、质量小、厚度薄。如纳米γ-FeNi金属粉末尺寸小于10nm，对厘米和毫米波的最高吸收率高达99.95％。最近人们开展了铁氧体纳米化研究，将纳米铁氧体与导电聚合物复合成新颖的纳米复合微波吸收材料，从理论上来说具有磁损和介电损耗的吸收功能又有纳米微粒本身的吸波性能。合成材料是一种质轻、频宽、性能优良的吸波材料。国内外对纳米吸波材料给予高度重视，美国已研制出第四代纳米吸波材料，对雷达波吸收率可达99％，而其厚度只有微米级。
3.5吸波结构复合材料
上述的各种吸波材料只考虑吸波性能，忽略了材料的刚性。吸波结构复合材料是把吸波材料与树脂泡沫胶纤维混合成刚性结构材料， 最常用的碳纤维和碳化硅纤维复合材料，原都是一种结构材料，虽然有良好的刚性，但吸波性差，碳纤维的电阻率较低10-2Ω·cm，是强的反射体，而碳化硅电阻率介于金属和半导体之间，属于杂质半导体，要使此类材料具备吸波性能就要对其表面进行改性或改变其结构，有人把碳纤维截面设计成异形截面（三角形、方形等），并将它涂上金属磁性材料进行表面处理，成为高吸波性能的刚性材料。通过对碳化硅（SiC）纯度或掺杂的控制，可制成β－SiC纤维，电阻率控制在10～107Ω·cm范围。一种称为掺混型磁性碳化硅就是用超声波将平均粒径30nm超细钴粉均匀分散在聚碳硅烷中，通过熔融、纺丝、烧结等处理而制得的，它具有最佳的吸波能力，并且有耐高温、重量轻、韧性好、强度大等特点，可用在飞行器的翼面前沿进气通道和机身边条等重要部位，它把雷达吸收层集成在飞机结构内部，而不是涂覆在飞机外表面。与吸波涂料相比，克服了涂料易腐蚀损坏、脱落的缺点，并具有更高的吸波效率和更宽的频率范围以及高比强度、刚度、质量轻的优点，这种复合材料融承载和吸波为一体，可作为飞机结构材料，美国成功地应用于第三代飞机雷达隐身改造和第四代军事飞机研制。这种新型的高效、宽频吸收、高强度、高刚性结构材料是国外发展最快的吸波材料之一。
3.6等离子体吸波材料
以上的隐身技术主要依靠外形设计和吸波材料，以牺牲飞机的飞行和战斗能力为代价，但等离子体吸波材料是最大限度地保留飞机性能，它是利用具有放射性同位素涂料发射的α粒子，将周围空气电离形成等离子体，当物质处于离子状态时，会截止某一频率电磁波。等离子截止频率：
（7）
式中e为电子电量，mo电子质量，εo真空介电常数，ne自由电子密度。高于这频率的电磁波可以穿过等离子体，而低于该频率的电磁波就会被反射或吸收。从等离子体折射公式：
（8）
可以看出，当入射电磁波频率fo
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