胡 悅, 黃大慶, 史有強(qiáng), 張 昳, 何 山, 丁鶴雁

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 隱身材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

雷達(dá)隱身技術(shù)對(duì)于武器裝備的戰(zhàn)場(chǎng)生存、突防及作戰(zhàn)能力的提升有著重要意義，自二戰(zhàn)以來(lái)得到了各軍事強(qiáng)國(guó)的廣泛關(guān)注，也是先進(jìn)武器裝備的重要戰(zhàn)技指標(biāo)之一[1-3]。隨著近年來(lái)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)攻防轉(zhuǎn)換加快，各類空間探測(cè)技術(shù)及戰(zhàn)略防御系統(tǒng)的協(xié)同打擊能力顯著提升，武器裝備的多角度、全方位隱身技術(shù)成為當(dāng)前隱身技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。采用吸波材料是實(shí)現(xiàn)武器裝備雷達(dá)隱身功能的重要途徑之一，然而，傳統(tǒng)的磁性粒子填充高分子吸波材料在高溫下會(huì)發(fā)生性能下降和化學(xué)分解，無(wú)法滿足巡航導(dǎo)彈冒頭端、發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口、超高音速飛行器表面等武器裝備高溫部位的隱身需求，嚴(yán)重限制了全方位隱身技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)耐高溫、耐腐蝕、抗氧化的耐高溫吸波材料勢(shì)在必行[4-6]。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口等高溫部位而言，其服役溫度可高達(dá)900 ℃甚至1000 ℃以上，同時(shí)面臨著高速氣流沖刷、氧化及燃?xì)飧g等惡劣的環(huán)境威脅，對(duì)耐高溫吸波材料的研發(fā)提出了嚴(yán)峻的要求與挑戰(zhàn)?？紤]到武器裝備對(duì)推力、質(zhì)量、可靠性的要求，結(jié)構(gòu)功能一體化的耐高溫結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料更具先進(jìn)性優(yōu)勢(shì)[6]。陶瓷基耐高溫結(jié)構(gòu)隱身復(fù)合材料是以先進(jìn)陶瓷基復(fù)合材料為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的結(jié)構(gòu)-功能一體化復(fù)合材料，具備結(jié)構(gòu)承載和雷達(dá)吸波雙重功能，而且保留了陶瓷材料耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，適用于發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口等超過(guò)1000 ℃的使用環(huán)境，是未來(lái)武器裝備實(shí)現(xiàn)包括高溫部位在內(nèi)的全方位隱身技術(shù)指標(biāo)的重要材料，具有廣泛應(yīng)用前景和戰(zhàn)略意義。本文對(duì)近年來(lái)陶瓷基結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行系統(tǒng)梳理，總結(jié)陶瓷基結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的隱身性能設(shè)計(jì)方法，為該材料未來(lái)的研究與應(yīng)用提供參考。

1 結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料設(shè)計(jì)方法

1.1 材料性能設(shè)計(jì)

根據(jù)傳輸線理論和阻抗傳遞計(jì)算方法，自由空間中帶反射背襯的單層吸波材料反射率（R）可表示為：

式中：ΓRC為材料的反射系數(shù)（reflection coefficient），Zin為材料的等效輸入阻抗，可用下列公式表示：

可以看出，平板材料的反射率與材料的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率密切相關(guān)。Duan等[7]計(jì)算了2.86 mm電損耗型（μ= 1）吸波材料的R＜ -10 dB所需的材料復(fù)介電常數(shù)范圍（圖1）。由圖1可以看出，吸波材料的ε應(yīng)該處于一個(gè)適中的范圍（ε′ =3～15；ε′′ = 2～10），過(guò)大的ε會(huì)使材料呈現(xiàn)電磁屏蔽特性，過(guò)小的ε會(huì)使材料呈現(xiàn)透波特性[5]。

圖 1 不同頻率時(shí)反射率R ＜ -10 dB對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)范圍（厚度2.86 mm）[7]Fig. 1 Range of dielectric constant corresponding to reflectivity R＜ -10 dB at different frequencies when the thickness is 2.86 mm[7]

1.2 微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單一材料的吸波性能較為有限，因此研究者往往通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善材料的吸波性能。Yin等[8]將吸波材料的微觀結(jié)構(gòu)總結(jié)為兩類：A/B型和A/B/C型。A/B型吸波材料由一個(gè)與自由空間阻抗接近的材料A和作為介電損耗相B組成，如圖2（a，b）所示。其中A相往往是一類低介電透波基體材料，例如 Si3N4、SiO2、莫來(lái)石（mullite）等，也可以是多孔陶瓷中的氣孔相，起到與自由空間阻抗匹配的作用，使入射電磁波進(jìn)入到材料內(nèi)部。B相一般是高介電的電磁波吸收材料，例如SiC、Ti3SiC2、碳納米管（CNT）、石墨烯（graphene）等等，將入射的電磁波通過(guò)電損耗或磁損耗吸收掉。A/B/C型吸波材料是在A/B型基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，在A/B型材料的基礎(chǔ)上引入一個(gè)介電性能位于A相、B相之間的C相（圖2（c）），可以進(jìn)一步提高復(fù)合材料整體的阻抗匹配特性和電磁損耗能力。通過(guò)調(diào)整微觀摻雜相（B相/C相）形貌、結(jié)構(gòu)、濃度、分散方式等，可以對(duì)復(fù)合材料的吸波性能進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到目標(biāo)頻段內(nèi)的理想吸波性能。

圖 2 吸波復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[8] （a）A/B型；（b）梯度A/B型；（c）A/B/C型Fig. 2 Microstructure models of electromagnetic（EM） absorbing materials[8] （a） A/B type；（ b） gradient A/B type；（c）A/B/C type

1.3 宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陶瓷基結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[9]和超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[10]兩類。通過(guò)宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步提升陶瓷基結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的吸波性能，特別是在拓寬吸收帶寬方面有著很大優(yōu)勢(shì)[10]。圖3所示的幾種多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，通過(guò)改變材料厚度和沿厚度方向的阻抗特性，可以有效提高某一頻帶內(nèi)的吸波性能。

2 陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷材料具有耐磨、耐高溫、質(zhì)量輕、硬度高、抗化學(xué)侵蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)高速軸承、活塞、密封環(huán)、閥門導(dǎo)軌等高匹配精度部件及高溫結(jié)構(gòu)件上有重要應(yīng)用前景。然而，陶瓷材料本質(zhì)上的脆性卻嚴(yán)重影響了其在發(fā)動(dòng)機(jī)熱結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域的應(yīng)用。為了克服單相陶瓷材料韌性低、缺陷容忍度差等缺點(diǎn)，研究者開(kāi)展了大量的陶瓷材料增韌方法研究。目前主流增韌手段主要包括相變?cè)鲰g、細(xì)化增韌、彌散（顆粒、晶須等）增韌、連續(xù)纖維增韌、仿生結(jié)構(gòu)增韌等等。不同增韌手段在制備難度、材料成本和增韌效果上各有優(yōu)劣，例如，相變?cè)鲰g是一類有效的氧化鋯陶瓷增韌途徑，能大幅提高其常溫?cái)嗔秧g性，但在高溫條件下容易失效，影響材料可靠性。彌散增韌將非連續(xù)的顆粒、晶須等分散至陶瓷基體材料中，使裂紋擴(kuò)展時(shí)發(fā)生釘扎、偏轉(zhuǎn)、拉脫或橋聯(lián)而吸收能量，從而提高材料斷裂韌性，具有制備周期短、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但增韌效果較為有限。與其他增韌方式相比，連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料（continuous fiber reinforced ceramic matrix composites，CFCMC）增韌效果好、可靠性高，是目前最有前景的陶瓷增韌方法之一，在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)熱結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域有著顯著應(yīng)用前景。

CFCMC是一種全新類型的復(fù)合材料，其基體和增強(qiáng)纖維為陶瓷材料，能耐高溫，而且通過(guò)纖維增韌及界面層制備使得材料在斷裂時(shí)發(fā)生纖維/基體脫粘，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷增韌，被認(rèn)為是可應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)高溫及超高溫部件領(lǐng)域替代高溫合金的首選材料（圖 4）[11]。CFCMC的研究始于 1973年，Levitt等[12]使用高強(qiáng)度的碳纖維（Cf）制備了Cf增韌玻璃基材料。20世紀(jì)70年代中期，日本Nippon Carbon公司研制成功高性能SiC纖維（SiC-Nicalon），使純陶瓷質(zhì)連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料成為可能。40余年來(lái)，美國(guó)、日本、歐洲各國(guó)對(duì)陶瓷基復(fù)合材料CFCMC的制備、加工、連接工藝開(kāi)展了大量研究工作，形成了以SiCf/SiC為主的一系列CFCMC材料體系，取得了從理論到實(shí)驗(yàn)，再到產(chǎn)業(yè)化的里程碑式跨越，在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上已經(jīng)取得一定應(yīng)用。

圖 3 結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （a）Dallenbach吸收體；（b）Salisbury屏吸收體；（c）阻抗匹配型吸收體[9]Fig. 3 Multilayer structure of electromagnetic（EM）absorbing materials （a）Dallenbach layer absorber；（b）Salisbury layer absorber；（c）impedance matching absorber[9]

圖 4 發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)件材料發(fā)展趨勢(shì)[11]Fig. 4 Development trends of high temperature materials for turbine components[11]

3 陶瓷基結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料

3.1 均相陶瓷基吸波材料

SiC陶瓷強(qiáng)度高、硬度高、密度小、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕，是一類很好的陶瓷基吸波材料。SiC作為一種寬帶隙半導(dǎo)體材料（3C-SiC的帶隙寬度為2.3 eV，6H-SiC的帶隙為3.03 eV），其電阻率介于金屬和半導(dǎo)體之間。一般純相SiC的電阻率為 109～1010Ω·m（α-SiC）或 ＞ 106Ω·m（β-SiC），不適合直接作為吸波材料使用[13]。因此，研究者往往通過(guò)元素?fù)诫s改性，對(duì)SiC陶瓷的電阻率進(jìn)行調(diào)控，使其具有理想的吸波性能，涉及的摻雜元素包括 B、N、Fe、Al、Ni等。李權(quán)等[14]對(duì)摻雜改性的SiC吸收劑介電性能進(jìn)行了總結(jié)，如圖5所示。結(jié)果表明，Al、Fe、Ni、N等元素的摻雜往往會(huì)提高SiC的介電常數(shù)，而B(niǎo)元素的摻雜會(huì)降低SiC的介電常數(shù)，這對(duì)于后期繼續(xù)開(kāi)展SiC陶瓷介電性能調(diào)控與阻抗匹配研究有著一定的指導(dǎo)意義。此外，改變微觀結(jié)構(gòu)也是調(diào)控SiC陶瓷吸波性能的一種有效途徑。減小SiC顆粒或SiC晶須的尺寸，有利于提升其介電常數(shù)虛部，從而增加介電損耗性能[14-15]。Zhang等[16]利用碳納米管、Si粉和SiO2粉合成了SiC納米線吸波材料，材料整體厚度為4 mm時(shí)，反射率R最低可達(dá)-30 dB，R小于-10 dB的有效吸收帶寬（effective absorption bandwidth，EAB）可達(dá)3.7 GHz；Wang 等[17]利用靜電紡絲法制備了SiCN納米線，厚度為1.8 mm時(shí)，材料R最低可達(dá)-53.1 dB，有效吸收帶寬為5.6 GHz。由此可見(jiàn)，對(duì)純相陶瓷進(jìn)行摻雜改性或者納米化，有利于提高其吸波性能。

圖 5 摻雜改性SiC陶瓷粉體的介電性能[14]Fig. 5 Reported dielectric properties of SiC powder doped by trace elements[14]

除摻雜改性SiC基陶瓷外，摻雜改性鋇鐵氧體（BaFe12O19，BFO）陶瓷也是近年來(lái)研究較多的吸波陶瓷體系之一。與電損耗型的SiC陶瓷不同，BFO陶瓷是鐵磁性材料，對(duì)電磁波有磁損耗作用。BFO陶瓷具有高居里溫度、高飽和磁化強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛應(yīng)用前景，引起了國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。近年來(lái)，有研究者利用Ti、Co、La、Ni、Zr等元素對(duì)BFO陶瓷進(jìn)行摻雜改性，取得了較好吸波效果，如表1所示。Rana等[18]利用共沉淀法制備了 Co 摻雜的 BaCoxFe12-xO19（x= 0.4、0.8、1.0）材料，12.4～18 GHz頻段內(nèi)的反射率R最低可達(dá)-45 dB。Feng等[19]利用固相反應(yīng)法制備了BaCoxFe12-xO19（x= 0.1、0.2、0.3、0.4），并對(duì)其在2.6～18 GHz范圍內(nèi)的吸波性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明當(dāng)x=0.4時(shí)，BaCoxFe12-xO19可達(dá)到最優(yōu)的吸波性能，R最低可達(dá)-32.1 dB。Shi等[20]利用Ni2+-Zr4+兩種元素進(jìn)行共摻雜制備了BaNixZrxFe12-2xO19（x= 0.2～0.8）吸波材料（簡(jiǎn)稱BNZFO-x）。磁性金屬元素Ni與高價(jià)態(tài)元素Zr的共摻雜使材料產(chǎn)生了雙共振峰，R最低可達(dá)-60.6 dB，有效吸收帶寬達(dá)到7.68 GHz，是一種性能優(yōu)異的吸波材料（如圖6所示）。

表 1 文獻(xiàn)報(bào)道的摻雜改性鋇鐵氧體陶瓷吸波性能Table 1 Microwave-absorbing properties of doped BFO ceramics in literature

3.2 彌散相增強(qiáng)型陶瓷基吸波材料

彌散相增強(qiáng)型陶瓷基吸波材料指的是含兩相或兩相以上的復(fù)相陶瓷吸波材料，而且至少有一種增強(qiáng)相為非連續(xù)相。常見(jiàn)的彌散相增強(qiáng)陶瓷基吸波材料按彌散相的類型分類，可分為顆粒增強(qiáng)、晶須增強(qiáng)、二維材料增強(qiáng)、復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)等幾類。材料中的彌散相一般起到兩種作用：（1）材料增韌，彌散相增韌是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)陶瓷增韌的最簡(jiǎn)單的一種方式，在氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、碳化硅陶瓷等多個(gè)材料體系都有廣泛的研究與應(yīng)用；（2）吸波性能增強(qiáng)，在陶瓷基吸波材料中，復(fù)相陶瓷中的增強(qiáng)相往往起到吸收劑的作用，增強(qiáng)電磁波在材料中的衰減。

聚合物前驅(qū)體裂解轉(zhuǎn)化陶瓷（polymer-derived ceramics，PDCs）是重要的陶瓷吸波復(fù)合材料制備方法之一。圖7總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道的彌散相增強(qiáng)型PDCs吸波材料吸波性能。目前廣泛研究的吸波 PDCs體系包括SiOC[29-30]、SiCN[31-32]、SiBCN[33-38]等等。通過(guò)聚合物前驅(qū)體的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、摻雜元素引入、高介電彌散相引入以及裂解工藝調(diào)控等方式，可以調(diào)控PDCs中的相結(jié)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)控其反射率。主要涉及的彌散相包括各類納米碳結(jié)構(gòu)（碳納米管、碳納米線、石墨烯等）、SiC（納米顆粒、納米線）和導(dǎo)電金屬及其化合物（Ni、Co、Fe3O4、ZIF-67 等）。例如，Luo等[26]合成了一種富碳聚（二乙炔）二甲基硅烷（PDSDA），通過(guò) Co2（CO）8與炔基的絡(luò)合作用引入Co元素，制得Co-PDSDA。Co-PDSDA高溫裂解得到的陶瓷材料中含有大量的彌散相納米晶體，包括SiC、CoSi、Co2Si和納米碳結(jié)構(gòu)，從而提高了整個(gè)材料的吸波性能，R最低可達(dá)-42.43 dB，有效吸波范圍達(dá) 3.94 GHz（8.46～12.4 GHz），遠(yuǎn)超過(guò)通常的PDC-SiC材料（如圖8所示）。由聚硼硅氮烷裂解轉(zhuǎn)換得到的SiBCN陶瓷是近年來(lái)研究較多的一類PDC陶瓷材料，其內(nèi)部富含豐富的納米碳結(jié)構(gòu)[37]。改變SiBCN陶瓷的退火溫度可以調(diào)整其內(nèi)部納米碳的結(jié)構(gòu)及含量，進(jìn)而調(diào)節(jié)材料的吸波性能，目前報(bào)道的X波段R最低可達(dá)-71.8 dB，有效吸波范圍為 3.65 GHz（8.2～11.85 GHz）[37]。

圖 6 BNZFO-x陶瓷在2～18 GHz范圍內(nèi)的反射損耗曲線[20]Fig. 6 RL curves of BNZFO-x ceramics in frequency ranges of 2-18 GHz （a）x = 0.2；（b）x = 0.4；（c）x = 0.6；（d）x =0.8[20]

圖 7 文獻(xiàn)報(bào)道的彌散相增強(qiáng)PDCs最低反射率R及有效吸波頻帶（EAB，R ＜ -10 dB）[24-38]Fig. 7 Reported reflectivity（R）and effective absorb bandwidth（EAB, R ＜ -10 dB）of PDCs[24-38]

3.3 多孔陶瓷及陶瓷蜂窩吸波材料

多孔陶瓷是一類含有大量氣孔的新型陶瓷材料，具有密度低、隔熱性能好、吸音性能優(yōu)異等特點(diǎn)，在輕質(zhì)隔熱、保溫、水處理、新能源等領(lǐng)域有大量應(yīng)用。對(duì)于結(jié)構(gòu)吸波材料而言，多孔結(jié)構(gòu)也有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以顯著改善基體材料的阻抗匹配特性。多孔陶瓷可以看作是由陶瓷基體和氣孔相組成的兩相復(fù)合材料，因此與致密陶瓷材料相比，多孔材料與自由空間的阻抗匹配性能更好，電磁波更容易進(jìn)入吸波材料的內(nèi)部[39]。而且在多孔材料中，電磁波可以在氣孔腔體及氣孔之間產(chǎn)生多次散射、折射作用，提高電磁波在材料內(nèi)部的震蕩損耗，有利于電磁波在材料內(nèi)部的迅速耗散[40]。

圖 8 厚度2.65 mm的含鈷陶瓷（a）TEM照片；（b）電子衍射圖樣；（c）1100 ℃下2.65 mm不同鈷含量的含鈷陶瓷反射率（C1：0%，C2：1.24%，C5：2.25%，C7：3.84%，C8：4.98%）[26]Fig. 8 Co-containing ceramic with thickness of 2.65 mm（a）TEM image；（b）electron diffraction pattern；（c）reflectivity of Co-containing ceramics pyrolyzed at 1100 ℃ with different contents of cobalt（C1：0%, C2：1.24%, C5：2.25%,C7：3.84%, C8：4.98%）[26]

多孔陶瓷材料可分為開(kāi)孔型和閉孔型，一般采用模板法、造孔劑法、發(fā)泡法、冷凍干燥法等方法制備[41]。Zhang等[42]利用傳輸線理論和有限元方法，計(jì)算了不同類型SiC陶瓷的吸波性能，發(fā)現(xiàn)富含氣孔的SiC泡沫陶瓷在X波段的反射率顯著優(yōu)于致密SiC陶瓷或SiC粉體，這是由于多孔結(jié)構(gòu)有利于材料與自由空間的阻抗匹配，同時(shí)可以產(chǎn)生感生電流增加材料內(nèi)部的電磁波損耗。朱新文等[43]對(duì)模板法制備的SiC陶瓷吸波性能進(jìn)行的研究也發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)眼型多孔結(jié)構(gòu)有利于提高材料的吸波特性，而且網(wǎng)眼尺寸對(duì)材料的吸波性能有明顯影響，一定程度上減小網(wǎng)眼尺寸有利于電磁波在材料內(nèi)部的衰減。

近年來(lái)，快速發(fā)展的3D打印工藝，也為多孔陶瓷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精確制造成型提供了新的思路。Meng等[44]利用3D打印的方法制備了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的PLA模板，進(jìn)而通過(guò)模板法和漿料浸漬法制得含有SiC網(wǎng)格的石英陶瓷材料（ISCS/SO），并分別測(cè)試了該材料在 800 ℃、900 ℃、1000 ℃、1100 ℃ 下熱處理100 h后的吸波性能，證實(shí)該材料在800 ℃以下具有較好的吸波性能穩(wěn)定性，同時(shí)在900 ℃以上短時(shí)熱處理后也可保持較好的吸波性能（圖9）。Mei等[45]利用陶瓷3D打印結(jié)合化學(xué)氣相沉積法制備了具有特定結(jié)構(gòu)的多孔Al2O3/SiC陶瓷蜂窩（圖10），通過(guò)蜂窩內(nèi)部角度的設(shè)計(jì)可以優(yōu)化材料的吸波性能，當(dāng)孔道角度為30°時(shí)，材料的最低反射率可達(dá)到-63.65 dB，有效吸收帶寬覆蓋整個(gè)X波段（8.2～12.4 GHz）。

圖 9 ISCS/SO樣品 （a）照片；（b）不同熱處理?xiàng)l件下8.0～18.0 GHz范圍內(nèi)的平均反射率[44]Fig. 9 ISCS/SO sample （a）picture of the polished side face；（b）mean reflectivity in the frequency ranges of 8.0-18.0 GHz under different heat treatments[44]

3.4 連續(xù)纖維增強(qiáng)型陶瓷基結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料

雖然彌散相增強(qiáng)和多孔型陶瓷基復(fù)合材料具有良好的吸波效果，但在力學(xué)性能方面提升有限，一定程度上限制了它的應(yīng)用范圍和使用壽命。CFCMC是通過(guò)引入連續(xù)纖維及界面層的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)陶瓷增韌，是目前改進(jìn)陶瓷材料力學(xué)性能最可靠的手段之一。因此連續(xù)纖維增強(qiáng)型陶瓷基結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料也被認(rèn)為是高溫結(jié)構(gòu)隱身領(lǐng)域的重要材料。由于涉及軍事應(yīng)用，目前相關(guān)材料的公開(kāi)報(bào)道很少，主要集中于不同纖維類型、不同界面相組成、不同基體材質(zhì)和不同制備工藝對(duì)材料的吸波性能影響機(jī)理研究。

圖 10 3D打印Al2O3/SiC復(fù)合材料 （a）實(shí)物照片；（b）SEM照片；（c）示意圖；（d）不同孔道角度對(duì)應(yīng)的反射率（R）和有效吸收帶寬[45]Fig. 10 3D printed Al2O3/SiC whiskers composites （a）sample photo；（b）SEM image；（c）schematic diagram；（d）EAB and R at optimal thickness between 3D printed Al2O3/SiC whiskers composites with varying angles[45]

表 2 文獻(xiàn)報(bào)道的連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料吸波性能及力學(xué)性能Table 2 Microwave-absorbing properties and mechanical properties of CFCMCs in literature

CFCMC的制備工藝主要有三種：化學(xué)氣相滲透法（CVI）、前驅(qū)體浸漬裂解法（PIP）和反應(yīng)溶體滲透法（RMI）。其中RMI工藝由于會(huì)殘留一定量的金屬，造成材料反射率過(guò)高，一般不用于結(jié)構(gòu)隱身陶瓷材料的制備。CVI工藝和PIP工藝在陶瓷基結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的研究中均有應(yīng)用，CVI工藝周期較長(zhǎng)，但產(chǎn)物純度高、微觀結(jié)構(gòu)易于控制；PIP工藝難度相對(duì)較低、方便引入填料，但基體中易產(chǎn)生裂紋，影響復(fù)合材料強(qiáng)度。

表2總結(jié)了目前公開(kāi)報(bào)道的連續(xù)纖維增韌結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的吸波性能和力學(xué)性能。由表2可以看到，目前文獻(xiàn)報(bào)道的主要還是以SiC纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為主。目前主流的商品化SiC纖維為先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備的SiC纖維，具有一定的電損耗特性，不僅可以作為復(fù)合材料的增韌相，還可以起到電磁波吸收劑的作用。通過(guò)調(diào)節(jié)纖維燒成工藝，可以調(diào)節(jié)SiC纖維中的C含量，進(jìn)而調(diào)節(jié)纖維的電導(dǎo)率，增強(qiáng)材料的阻抗匹配特性。此外，在材料中進(jìn)行B、N、Ti等元素的摻雜，也可以起到調(diào)節(jié)纖維電性能的效果[46-47]。界面層方面，由于陶瓷基復(fù)合材料的界面層對(duì)于材料力學(xué)性能有著關(guān)鍵性影響，目前仍以技術(shù)較為成熟的熱解碳（PyC）和氮化硼（BN）界面層為主。在基體材料方面，SiC、Si3N4、氧化物（莫來(lái)石、SiO2、AlPO4）等多種陶瓷基體都有相關(guān)報(bào)道[48-52]，利用低介電陶瓷粉體、金屬微粉、低維納米材料作為填料可進(jìn)一步調(diào)節(jié)復(fù)合材料吸波性能[51,53-55]。Han等[55]利用 CVI方法在 KD-ⅡSiC纖維表面生長(zhǎng)SiC納米線（SiCnw），再通過(guò)PIP方法制成SiCf/SiC-SiCnw復(fù)合材料，可達(dá)到力學(xué)性能和吸波性能的雙重提升，常溫下R最低可達(dá)-16.5 dB（EAB=1.3 GHz），600 ℃ 時(shí)R最低可達(dá)-47.5 dB（EAB = 2.8 GHz）。

此外，通過(guò)陶瓷基復(fù)合材料的宏觀/微觀結(jié)構(gòu)多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以協(xié)同增強(qiáng)材料在多個(gè)電磁波頻段內(nèi)的吸波效果。Tian等[56]利用PIP工藝設(shè)計(jì)制備了基于Salisbury屏吸收體的三明治結(jié)構(gòu)SiCf/SiC復(fù)合材料，具有良好的常溫/高溫吸波性能；Zhou等[10]利用CVI法制備了SiCf/Si3N4復(fù)合材料，并利用高精度機(jī)床在復(fù)合材料表面加工出具有交叉溝槽的超材料結(jié)構(gòu)，通過(guò)“纖維微觀結(jié)構(gòu)-氣孔結(jié)構(gòu)-表面超材料結(jié)構(gòu)”三者協(xié)同作用（如圖11所示），提高復(fù)合材料在不同頻率的協(xié)同吸波性能，在 8 GHz和 18 GHz的反射率分別可達(dá)-15.3 dB和-14.8 dB。

圖 11 SiCf/Si3N4結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[10]Fig. 11 Multiscale structure design of SiCf/Si3N4 structure wave absorbing composite material[10]

4 總結(jié)與展望

耐高溫陶瓷基結(jié)構(gòu)隱身復(fù)合材料是解決高溫隱身問(wèn)題的關(guān)鍵材料，是未來(lái)武器裝備實(shí)現(xiàn)包括高溫部位在內(nèi)的全方位隱身技術(shù)指標(biāo)的重要材料，具有廣泛應(yīng)用前景和戰(zhàn)略意義。相關(guān)領(lǐng)域近年來(lái)的不斷發(fā)展，逐漸形成了以元素?fù)诫s改性、彌散相增強(qiáng)、多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方式為主的陶瓷材料吸波性能調(diào)控手段，取得了顯著進(jìn)展。

（1）材料體系方面，目前主流研究的陶瓷基結(jié)構(gòu)吸波材料體系分為摻雜改性的碳化物（SiC、SiCN、SiBCN等）和氧化物（鋇鐵氧體系列、莫來(lái)石系列等）兩類。通過(guò)金屬微粒（Ni、Co）、納米碳材料（碳納米管、石墨烯）、Ti3SiC2等填料對(duì)其改性，可以大范圍調(diào)控材料電磁特性，從而得到理想的吸波性能。

（2）吸波特性方面，目前報(bào)道的陶瓷基復(fù)合材料吸波性能主要仍集中于X波段。而就實(shí)際應(yīng)用而言，低頻波段（S波段、L波段）的吸波性能也非常重要，未來(lái)應(yīng)在陶瓷基復(fù)合材料低頻吸波性能方面開(kāi)展更多研究工作。此外，目前文獻(xiàn)報(bào)道的陶瓷材料吸波性能多為常溫吸波性能，對(duì)高溫下吸波性能及其長(zhǎng)時(shí)演化規(guī)律研究報(bào)道較少，應(yīng)在后續(xù)研究工作中進(jìn)一步加強(qiáng)。

（3）未來(lái)發(fā)展方面，連續(xù)纖維增韌陶瓷吸波材料由于其內(nèi)部長(zhǎng)纖維在陶瓷基體內(nèi)的出色增韌效果，在結(jié)構(gòu)承載和吸波功能的綜合性能上更具優(yōu)勢(shì)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)等熱端部位具有重要應(yīng)用前景。在未來(lái)的工作中，可以從纖維電性能調(diào)控和基體結(jié)構(gòu)/性能調(diào)控兩方面入手，結(jié)合材料的微觀-宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和3D打印等新型陶瓷制備工藝，進(jìn)一步提升材料性能。