李雅茹, 衛(wèi)海鵬， 高學(xué)斌, 葉 云

(中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院，山西 晉中 030600)

引 言

復(fù)合材料由于具有強度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、性能可設(shè)計性強等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于國防、航空航天[1]以及民用工業(yè)的各個領(lǐng)域。特別是在先進的武器裝備和航空航天器材中復(fù)合材料所占的比重越來越大。然而，近年來隨著雷達探測技術(shù)的迅猛發(fā)展，武器裝備在戰(zhàn)場上的生存能力和防御能力受到了嚴重的威脅。因此，雷達隱身技術(shù)成為武器裝備在戰(zhàn)場上提高生存能力的關(guān)鍵技術(shù)保障[2]?？梢酝ㄟ^改變武器裝備的形狀來達到隱身的目的，但是此種方法會給生產(chǎn)過程帶來許多的麻煩，并且會影響到武器裝備的結(jié)構(gòu)性能。此外，也可以通過使用雷達波吸收材料來達到隱身的目的，而且使用吸波材料可以有效地降低設(shè)計難度和生產(chǎn)成本，并且可以保證裝備的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不被破壞。因此，微波吸收材料成為了隱身技術(shù)的中心環(huán)節(jié)[3-7]。

1 微波吸收材料的分類

微波吸收材料(microwave absorbing materials)簡稱吸波材料(MAMs)，根據(jù)其制備方法和使用方式可以分為吸波涂層和結(jié)構(gòu)型吸波材料[2]。

1.1 涂覆型吸波材料

吸波涂層是指將吸波性能優(yōu)異的功能填料加入到涂層材料中，然后涂敷在目標物體上進而達到隱身的目的。吸波涂層具有制備和成型工藝簡單、成本低廉以及吸收效率高等優(yōu)點[8]，已經(jīng)在許多領(lǐng)域內(nèi)達到了廣泛的應(yīng)用[9]。吸波涂層材料目前的主要研究熱點集中在高性能吸波粒子的制備[10]。然而，涂覆型吸波材料的吸收頻寬有限，難以實現(xiàn)寬頻段內(nèi)的高吸收。此外，為獲得高吸收往往需要在涂層中加入高含量的功能粒子，這樣就會使得涂層密度較大。這些都難以滿足目前對吸波材料“寬、薄、輕、強”的要求。

1.2 結(jié)構(gòu)型吸波材料

結(jié)構(gòu)型吸波材料是指通過一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計在保證材料承載能力的同時賦予材料良好的吸波性能[2]，因此，結(jié)構(gòu)型吸波材料的綜合性能更為優(yōu)異，同時性能可設(shè)計性更強，也可稱之為吸波/承載結(jié)構(gòu)功能一體化材料，已經(jīng)成為近年來隱身材料研究的熱點。吸波/承載結(jié)構(gòu)功能一體化材料可以分為多層板吸波材料、夾芯結(jié)構(gòu)吸波材料以及電路模擬吸波材料[11]。

2 結(jié)構(gòu)型吸波材料設(shè)計理論基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)型吸波材料的主要理論依據(jù)是傳輸線理論。主要的結(jié)構(gòu)模型包括兩種：單層板吸波材料和多層板吸波材料[2,12-15]。

2.1 單層吸波材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計

單層吸波材料的模型如第23頁圖1所示。假設(shè)電磁波沿x軸方向垂直入射單板吸波材料，材料對雷達波的吸收性能常采用對電磁波的反射系數(shù)R來表示。單層板的反射系數(shù)與其阻抗之間存在如第23頁式(1)的數(shù)學(xué)關(guān)系。

圖1 單層吸波材料結(jié)構(gòu)示意圖

(1)

式中：Z0為自由空間阻抗，約為377 Ω；Zi為單層吸波材料的輸入阻抗， Ω，可由式(2)計算得出。

(2)

式中，μr和εr分別指材料的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)；d為單層吸波材料的厚度,mm。

理想吸波材料要求電磁波在入射表面不發(fā)生反射，即:

2.2 多層吸波材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計

從結(jié)論可看出，材料的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率以及材料的厚度等均對材料的吸波性能有著明顯的影響，因此，對于介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和厚度都是單一均勻的單層吸波材料來說很難達到在寬頻范圍內(nèi)對電磁波有效吸收，因此，目前研究更多的是多層板吸波材料，多層板吸波材料的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多層吸波材料結(jié)構(gòu)示意圖

假設(shè)多層吸波材料由n層組成，其輸入阻抗計算公式如式(3)。

(3)

將反射系數(shù)R的絕對值取對數(shù)后稱為反射率或者反射損耗RL[如式(4)]，可以用來表征材料的吸波性能。

RL=201g∣R∣

(4)

3 結(jié)構(gòu)型吸波材料的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)型吸波材料的吸波功能是通過微波吸收劑對電磁波進行損耗而實現(xiàn)的。微波吸收劑按照吸收機理可以分為電阻型、電介質(zhì)型和磁介質(zhì)型。電阻型吸收劑主要通過與電場的相互作用來吸收電磁波，將入射的電磁波能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能進而損耗電磁波。常見的電阻型吸收劑有炭黑、金屬粉、碳化硅、石墨等。電阻型吸收材料的吸收效率取決于材料的電導(dǎo)率以及其介電常數(shù)。電介質(zhì)型吸波劑主要是通過介質(zhì)極化馳豫來吸收電磁波，主要以鈦酸鋇鐵電陶瓷為代表。磁介質(zhì)吸波劑對電磁波的衰減主要來自共振和磁滯損耗，常見的磁介質(zhì)型吸波劑有鐵氧體和羰基鐵[16]。采用這些吸收劑可以顯著提高復(fù)合材料的吸波性能，然而只一種吸波劑僅可以為復(fù)合材料提供單一的吸收機制，這樣就大大限制了復(fù)合材料對微波的吸收強度以及吸收帶寬。因此，目前國內(nèi)外學(xué)者大都采用多種損耗機制復(fù)合使用的方式提高復(fù)合材料的吸波性能。

西北工業(yè)大學(xué)卿玉長等[17]選用介電性能優(yōu)異的多壁碳納米管和磁性能優(yōu)異的片狀羰基鐵作為混合吸波劑對環(huán)氧有機硅樹脂進行填充，制得的吸波復(fù)合材料可以在2.0 GHz～16.9 GHz的頻段內(nèi)實現(xiàn)RL<-10 dB的高效吸收。

四川大學(xué)李姜教授團隊[18]選用羰基鐵和碳納米管作為復(fù)合吸收劑，制備了multi-layer的結(jié)構(gòu)型吸波材料，最強的吸收強度可以達到-48.1 dB，并且具有5.0 GHz的帶寬。

Liu X等[19]在聚對苯撐苯并二噁唑加入了功能粒子γ-Fe2O3-MWNT，在聚合物基體中引入核磁損耗和電阻損耗兩種損耗機制，顯著改善了聚合物基體的微波吸收性能，吸收強度可達-32.7 dB。

欲使復(fù)合材料對電磁波具有更多的吸收，需要使材料滿足以下兩點基本要求：首先，是要使電磁波盡可能多地進入到材料的內(nèi)部；其次，要將進入到材料內(nèi)部的電磁波能量盡可能多地轉(zhuǎn)化為其他形式的能量衰減掉。與此同時，還應(yīng)減少電磁波的穿透。因此，多層型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是由具有不同電磁參數(shù)和不同厚度的功能層復(fù)合層疊加而成的，較為常見的結(jié)構(gòu)形式是透波層+吸波層+反射層。每個功能層的電磁特性以及厚度都是復(fù)合材料吸波性能的主要影響因素。對于吸收層而言，常見的結(jié)構(gòu)形式有梯度結(jié)構(gòu)、multi-layer結(jié)構(gòu)以及蜂窩結(jié)構(gòu)。

Gao X Y等[20]選用碳納米管作為吸收劑并采用multi-layer的結(jié)構(gòu)制備了CNT/PVC多層結(jié)構(gòu)吸波材料，制得的復(fù)合材料的具有良好的微波吸收性能和力學(xué)性能。

韓國科學(xué)研究院Jae-Hun Choi等[21]的相關(guān)研究中利用了半導(dǎo)體碳化硅纖維對電磁波的損耗作用，制備了SiC/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。在此研究中設(shè)計了multi-layer交替鋪層的結(jié)構(gòu)，最終得到的復(fù)合材料的最大吸收強度可以達到-31.0 dB，并且吸收強度在-10 dB以下的帶寬為3.4 GHz。雖然吸波性能并不算特別優(yōu)異，但是本研究所設(shè)計的結(jié)構(gòu)可以保證復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能和方便的加工特性，于此同時微波吸收性能也得到了大幅度的改善，為結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合技術(shù)提供了可靠的思路。

He Y F等[22]設(shè)計了一種聚氨酯泡沫三明治結(jié)構(gòu)，在聚氨酯泡沫中加入適量的糖基鐵/Ni纖維和磁性金屬超細粉填料，提高芯材的損耗性能。同時，這種三明治結(jié)構(gòu)的表層采用介電常數(shù)較低的纖維增強樹脂基復(fù)合材料，這樣可以使電磁波可以更多地進入材料內(nèi)部并完成衰減。這種結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能并且可以實現(xiàn)輕量化，同時吸波性能優(yōu)異，有效吸收范圍為3 GHz～18 GHz，實現(xiàn)了寬頻高吸收。

4 結(jié)語

結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，已經(jīng)在多方面取得了顯著的成績。在武器裝備、航空航天以及民用等領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，然而目前結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料也有其明顯的不足，如，有效吸收頻段窄、吸收強度低以及材料質(zhì)量難以實現(xiàn)輕量化等。因此，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的寬頻高吸收、多頻譜兼容、耐惡劣環(huán)境等是未來結(jié)構(gòu)吸波材料發(fā)展的主要趨勢。