学术干货|杀敌于“无形”—吸波材料专题之简介

【内容提要】
电磁波吸收材料不仅可以赋予武器装备雷达隐身性能，提高国防安全水平；还能够吸收周围环境中的电磁波污染，使人们免收电磁波的伤害。因此，无论在军用还是民用领域中，吸波材料均具有极大的应用价值。本文主要介绍了有关隐身吸波材料的基础知识，包括以下五个方面：雷达隐身原理、电磁波吸收原理、吸波材料的发展历程、材料吸波性能的评价和高分子基复合吸波材料。

【1.引文】
1991年1月17日拂晓，重兵把守的伊拉克指控和通信中心等大批重要设施遭到美军的毁灭性打击，海湾战争的走向由此改变。然而在此次行动中，伊军所有的机载和地面雷达均为探测到任何敌方目标。美军的整个行动宛如“鬼魅”一般，打的伊军“丈二的和尚摸不着头脑”，伊军对此困惑不已。原来，美军在此次行动中使用了秘密武器—F117隐身战斗机，这才使得伊军未能及时做出反应，并迅速地扩大战果。

图1 美军F-117夜鹰隐身战斗机

那么，隐身飞机为什么能够隐身呢？飞机的隐身性能又与我们材料人有什么关联呢？

【2.雷达隐身原理】
这就要从飞机隐身的原理讲起。在此之前，我们得确定一下，这里的隐身指的是雷达隐身，而不是小说中写的肉眼看不到的光学隐身。

雷达（Radar）全称radio detection and arranging, 意为“无线电探测和测距”。顾名思义，雷达是通过发射电磁波对目标进行照射并接收器回波，由此获得目标的距离，速度，方位和高度等信息。也就是说，如果目标不反射电磁波，或者反射的电磁波不被雷达接收到，就能使雷达变为“睁眼瞎”。这就是隐身飞机，或者广义地说隐身武器，实现隐身的基本理论基础。美军的F-117外形像一个堆积起来的复杂多面体，大部分表面向后倾斜，具有大后掠机翼和V形垂尾。这种外形能使反射雷达波改变方向，产生散射，敌方雷达很难收到反射信号。除此之外，F-117的机身、机翼和垂尾大量采用了玻璃纤维、碳纤维等雷达隐身材料，能够很好的吸收雷达波从而防止反射。

基于此，科学家们主要通过“外在”与“内在”两种方式来赋予飞机隐身性能。第一种（外在），是让照射到飞机表面的电磁波被散射到四面八方，反正就是不反射到雷达的方向， 来“瞎化”雷达。此方法需要对飞机的外形进行设计并进行大量的模拟计算，这属于搞电子和物理的专业范畴。而第二种（内在）方法是让照射到飞机表面的电磁波不反射，直接进入飞机内部并被消耗掉。这种方法对材料的要求比较高。能够实现雷达隐身的材料首先要不反射电磁波，其次还要能够把电磁波迅速地消耗掉，因此隐身材料也被成为吸波材料。但是吸波材料为什么能够吸收电磁波呢？

【3.吸波材料的电磁波吸收原理】
我们先来看一下吸波材料的定义：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。由此引出了吸波材料的两个基本条件：1)入射电磁波最大限度的进入材料内部，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被衰减掉，即衰减匹配。图2为电磁波在经过吸波材料的路径图。如图所示，入射波在到达材料表面时会有一部分被反射走，而只有进入材料内部的这部分电磁波才有可能被衰减掉。因此，好的吸波材料几乎不反射电磁波，而是将它们吸收到内部并全部衰减掉。要想做到对电磁波的“关门打狗”，材料必须很好的满足上述的两个基本条件。这两个基本条件几乎成为了科学家们设计吸波材料的指导方针。

图2 电磁波在有耗介质中的传播路径图

那么什么样的材料才算好的吸波材料，材料的吸波性能又该如何评价呢？

【4.吸波性能的评价】
对于吸波材料的最基本要求有两点:1.电磁波吸收能力强2.覆盖频率范围宽。首先解释一下电磁波吸收能力：目前学者们采用的最多的评价电磁波吸收能力的指标主要有两个：1）对电磁波的反射损耗 Reflection Loss （RL），单位dB，它表示材料对固定频率电磁波的损耗能力，和2）RL<-10dB 的频率宽度，也叫有效吸收宽度，代表能够吸收90%能量电磁波的频率范围，单位GHz。图3为典型的吸波材料性能曲线，其中纵坐标为RL，横坐标为频率。一般来讲，曲线越靠下（即纵坐标越小），有效吸收宽度（如图3中标示）越宽，材料的吸波性能越好。直观来说，曲线与-10 dB横线（图3中红线）围成的面积（图中阴影部分）越大，吸波性能越好。

图3 电磁波吸收性能曲线

【5.吸波材料的发展历程】
早起的吸波材料主要应用于军事领域中。国外隐身技术及材料研究始于第二次世界大战期间，起源在德国，发展在美国并扩展到英、法、俄罗斯及日本等发达国家。经过半个多世纪的发展，成绩斐然。

图4 美军F-22猛禽隐身战斗机与B-2幽灵隐身轰炸机

从上个世纪50年代起美国开展隐身技术研究，经过20多年的发展，70年代开始研制隐身飞机，80年代隐身飞机装备部队并投入使用。现已装备的F-22猛禽战斗机和B-2战略轰炸机均采用了不同类型的隐身材料。

图5 电磁波不仅会严重干扰电子设备的正常运行，更会损害人类的身心健康

而近几十年来，随着电子信息科技的发展，越来越多的电磁波充斥着人们的生活空间，造成大量的电磁波污染。这些电磁波污染不仅不利于电子设备的正常运行，更会损害人类的身心健康（如图5所示）。因此，无论在军事还是民用领域，吸波材料均具有十分重要的价值。传统的金属基的吸波材料由于质量较重，耐湿、抗腐蚀性能较差等缺点，已不能满足人们的需要。现今吸波材料的研究注要着眼于质轻、耐湿抗腐蚀性能优异的高分子基复合吸波材料。

【6.高分子基复合吸波材料】
高分子基复合吸波材料是有高分子基体和电磁波吸收剂（简称吸波剂）共混而成的。

图6 高分子基复合吸波材料的组成

一般来讲，此类吸波材料中，高分子基体作为透波介质（即能够良好的传递电磁波）对电磁波几乎无损耗能力。真正起到吸波作用的是吸波剂。根据对电磁波的损耗机理不同，吸波剂可分为（1）电阻损耗型（炭黑、石墨、金属粉、碳化硅，碳纤维等）（2）介电损耗型（氮化硅、氮化铁、碳纳米管、石墨烯等）和（3）磁损耗型（铁氧体、羰基铁、铁钡体等）三类。而高分子基体根据原料种类不同可分为以下四类：

表1 高分子基吸波材料的分类及原料

早期的高分子基复合吸波材料只是将吸波剂单纯地与聚合物基体混合，此类吸波材料虽然具有一定的吸波能力，但总体性能还是较差。

于是人们尝试多种吸波剂复配使用来提高材料的电磁波吸收性能。如大连理工大学将Fe纳米粒子（Fe NPs）和碳纤维（CFs）共同加入到环氧树脂基体中（如图7所示），获得了优异的电磁波吸收性能。其最小反射损耗为-26.8 dB，有效吸收宽度达4.9 GHz。

图7 碳纤维（CFs）/Fe纳米粒子（Fe NPs）/环氧树脂吸波复合材料

不同吸波剂间的相互作用也会对吸波性能产生影响：南京航空航天大学将球状羰基铁（SCI）和还原氧化石墨（RGO）利用化学键连接起来，制备出了高效吸波剂（如图8所示）。其有效吸收宽度达4.21GHz，最小的反射损耗低至-52.46dB。

图8 球状羰基铁（SCI）-还原氧化石墨烯（RGO）高效电磁波吸收剂

随着电磁波传输理论的引入，人们对吸波材料的结构开始进行优化设计。其中最常见的就是层状结构。这是由于材料的分层现象会影响电磁波在其中的传输，利用此种影响就有望获得优异的吸波性能。西北工业大学的卿玉长教授等人将片状羰基铁和多壁碳纳米管混入环氧树脂中制备了复合材料。并采用不同含量的样品堆叠成多层结构，获得了优异的吸波性能（如图9所示）。其有效吸收宽度达14.9 GHz。

图9 羰基铁/多壁碳纳米管/环氧树脂多层吸波复合材料及其电磁波吸收性能

除了层状结构外，科学工作者们还将聚合物基体进行发泡，降低吸波材料的密度，以期获得轻量化的吸波材料。材料中的这些泡孔能够增加电磁波在材料内部的反射，提高电磁波的吸收能力。最近，一种全碳的多孔材料展现出了超强的电磁波吸收性能：南开大学利用高温处理制备的石墨烯泡沫（图10），有效吸收宽度达60.5 GHz。真是一款强大的吸波材料！

图10 具有超强电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”。军事探测手段的不断更新换代，使得对隐身吸波材料的要求也与日俱增。现在吸波材料正朝着轻量化、高强化、智能化的方向发展。因此，研究质轻、高强、宽频带吸波材料以展宽有效吸收宽度，实现多频谱隐身材料相兼容是隐身材料未来发展的一个主要方向。吸波材料路漫漫，我们共同来求索。

本文由材料人编辑部高分子组gaoy提供，材料牛编辑整理。欢迎持续关注本专题，我们将由浅入深，讲解吸波材料的的最新进展、盘点领域大牛。

参与高分子话题讨论或了解高分子组招募详情，请加入高分子交流群（298064863）

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业发展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入材料人编辑部。

材料人网尊重所有进行知识传播的媒体，转载请联系tougao@cailiaoren.com