周 倩，師甜甜

(1.西安郵電大學(xué) 理學(xué)院,陜西 西安 710121;2.西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

隨著5G和智能電磁設(shè)備技術(shù)的快速發(fā)展，以電磁波為信息載體的各類電子設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用。電磁波在給人們生活和工作提供方便的同時(shí)，也帶來(lái)了電磁污染，信息安全等問(wèn)題。高性能吸波材料可以將電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式能量消耗掉，是電磁防護(hù)的首選。開發(fā)高性能微波吸收器具有重要的科技和社會(huì)價(jià)值，已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1-3]。

通常吸波材料要滿足“薄、輕、寬、強(qiáng)”的綜合性能要求，其中寬頻吸波是設(shè)計(jì)難點(diǎn)[4-6]。傳統(tǒng)吸波材料是將損耗相均勻彌散于透波基體中，形成均質(zhì)的復(fù)合材料，通過(guò)材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控電磁參數(shù)的頻散效應(yīng)，從而拓展吸波帶寬，但也僅能夠?qū)崿F(xiàn)單頻段(如X波段)的強(qiáng)吸收。開發(fā)更寬頻的吸波材料需要結(jié)合其他設(shè)計(jì)方法。

在吸波材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行宏觀的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是拓寬吸波材料有效吸收帶寬的方法之一。多層吸波材料主要包括Salisbury屏型[7]、Jaumann型[8]和阻抗?jié)u變型[9-10]等3種類型。Salisbury屏吸波材料僅能實(shí)現(xiàn)特定頻率處的電磁波強(qiáng)吸收，屬于窄頻吸波材料。Jaumann吸波材料是Salisbury屏的多層拓展，能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻吸波但材料厚度較大，限制了其實(shí)際應(yīng)用。阻抗?jié)u變吸波材料將不同電磁參數(shù)的材料進(jìn)行多層組合，通過(guò)優(yōu)化阻抗匹配性能和引入多重電磁干涉作用，能夠在較小厚度下實(shí)現(xiàn)寬頻吸波性能[11]，但其對(duì)吸波帶寬的拓展作用有限，仍然難以實(shí)現(xiàn)更寬頻，如2 GHz～18 GHz的電磁波強(qiáng)吸收。

超材料是一系列可通過(guò)亞波長(zhǎng)的周期性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控電磁波的新型人工材料，全新的電磁性能設(shè)計(jì)理念為高性能吸波材料的研制提供了新的思路[12-14]。常見吸波超材料包括二維周期性表面，即頻率選擇表面(Frequency Selective Surface,FSS)型和三維周期性結(jié)構(gòu)型兩大類，均在寬頻吸波領(lǐng)域表現(xiàn)出了極大優(yōu)勢(shì)。該研究將在介紹電磁吸波超材料的原理和設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要綜述寬頻電磁吸波超材料的研究進(jìn)展，重點(diǎn)對(duì)二維FSS型和三維結(jié)構(gòu)型兩類吸波超材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 電磁吸波超材料

1.1 吸波原理

吸波材料是指能夠吸收和衰減入射電磁波，并將電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能或其它形式能量耗散掉，或是將電磁波干涉相消掉的一類材料。電磁波與吸波材料的相互作用包括反射、吸收和透射等3個(gè)物理過(guò)程。通常采用反射損耗(Reflection Loss,RL)即反射電磁波與入射電磁波能量的比值來(lái)描述和衡量材料的吸波性能[15]，反射損耗的計(jì)算表達(dá)式為

式中，PR和PI分別表示反射電磁波能量和入射電磁波能量。RL值越小表示反射電磁波越少，吸收電磁波越多，吸波材料的性能越好，當(dāng)RL<-10 dB時(shí)，大于90%的電磁波能量被衰減和吸收。因此，將RL<-10 dB對(duì)應(yīng)的頻率寬度稱為有效吸收帶寬。

理想的吸波材料需同時(shí)滿足阻抗匹配和衰減兩個(gè)基本原則[16]。材料表層和空氣的阻抗匹配，能夠減少電磁波反射，此時(shí)，進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波迅速被損耗，以增加電磁波吸收。

1.2 設(shè)計(jì)方法

電磁吸波超材料的設(shè)計(jì)方法是一種多尺度問(wèn)題。吸波超材料的各組元由不同電磁性能的材料組成，可以通過(guò)微結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)控。吸波超材料的周期性結(jié)構(gòu)屬于宏觀尺度，可以通過(guò)調(diào)整幾何結(jié)構(gòu)單元的尺寸來(lái)優(yōu)化寬頻吸波性能。采用從微觀到宏觀的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法才能實(shí)現(xiàn)吸波材料的超寬頻吸收性能。

2 二維FSS型電磁吸波超材料

二維FSS型吸波超材料是由介質(zhì)基板和附著于介質(zhì)基板上的周期性表面復(fù)合而成，包括多層FSS表面和多層介質(zhì)基板的復(fù)合。其結(jié)構(gòu)形式可以簡(jiǎn)單理解為將Salisbury屏和Jaumann吸波材料中的電阻層替換成周期性FSS表面。按照FSS組元的材料類型可將FSS型吸波超材料分為金屬型[17-20]、電阻膜型[21-26]和纖維型[27-29]等3種類型。不同F(xiàn)SS型吸波超材料的分類及特征如表1所示。

表1 FSS型吸波超材料的分類及特征

金屬型是研究最早的FSS型吸波超材料，具有諧振式的窄頻吸波特點(diǎn)，通常不具有寬頻吸波性能。目前，電阻膜型吸波超材料中電阻膜所采用的的材料主要有由導(dǎo)電油墨[26,30]和石墨烯[25,31]等碳材料組成的薄膜、以聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate,PET)為基材的半導(dǎo)體氧化銦錫(Indium Tin Oxid,ITO)薄膜[21,32-33]以及導(dǎo)電聚合物薄膜[23,34]等。電阻膜型是目前研究最多的一類寬頻超材料，也是發(fā)展“薄、輕、寬、強(qiáng)”高性能吸波材料最具潛力的類型之一。雖然金屬型和碳纖維型周期表面吸波超材料一般表現(xiàn)為窄頻吸波特性，但是將其與傳統(tǒng)均質(zhì)吸波材料相結(jié)合，可獲得寬頻吸波性能優(yōu)異的吸波超材料。將分形結(jié)構(gòu)的金屬周期性表面嵌入兩層磁性吸波材料中間形成三明治吸波結(jié)構(gòu)，使得大于90%的電磁波有效吸收帶寬從9.0 GHz～12.4 GHz拓寬到8.2 GHz～12.4 GHz[35]。將頻率選擇纖維織物復(fù)合材料(Frequency Selective Fabric Composites,FSFC)與多壁碳納米管(Multi-walled Carbon Nanotubes,MWCNT)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相結(jié)合，獲得三明治結(jié)構(gòu)吸波超材料，當(dāng)厚度為3.5 mm時(shí)，實(shí)現(xiàn)了X和Ku波段，即8.2 GHz～18.0 GHz范圍大于90%電磁波有效吸收[28]。文獻(xiàn)[36]優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種由周期性電阻膜和玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料組成的吸波超材料，并制備了相應(yīng)的機(jī)翼形狀結(jié)構(gòu)。電阻膜采用碳基導(dǎo)電材料，其面電阻為73 Ω/sq，電導(dǎo)率約為676 S/m所設(shè)計(jì)的平板吸波材料厚度為2.67 mm，在整個(gè)X波段能夠?qū)崿F(xiàn)大于90%的電磁波吸收。在微波暗室中測(cè)試了機(jī)翼形狀材料的雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section,RCS)、在兩種極化方式下X波段的RCS減小了約10 dB，證明所設(shè)計(jì)的吸波材料在隱身機(jī)上具有很大的應(yīng)用潛力。文獻(xiàn)[23]制備了導(dǎo)電聚合物型周期性表面，將其嵌入到兩層透波泡沫中，形成厚度為3.9 mm三明治吸波超材料，制備的復(fù)合材料有效吸收帶寬覆蓋整個(gè)X波段。文獻(xiàn)[37]將周期性金屬諧振環(huán)嵌入到以羰基鐵為吸波劑的磁性吸波材料中，形成三明治吸波結(jié)構(gòu)，使大于90%電磁波有效吸收帶寬從6 GHz～12 GHz拓寬到5 GHz～18 GHz，該新型吸波材料的厚度僅為1.7 mm。文獻(xiàn)[38]對(duì)于含有活性碳纖維氈周期表面結(jié)構(gòu)和垂直分布碳纖維的復(fù)合材料的吸波性能分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，含有碳纖維氈周期結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料吸波性能較高，在條幅間距和條幅寬度分別為7 mm和5 mm的時(shí)，復(fù)合材料在8 GHz～18 GHz頻率范圍的能夠?qū)崿F(xiàn)大于90%的電磁波吸收。文獻(xiàn)[39]采用導(dǎo)電油墨作為周期性表面的電阻膜型吸波材料，由于周期性結(jié)構(gòu)單元之間強(qiáng)烈的耦合作用，使得復(fù)合材料的有效吸收帶寬大幅提高。吸波材料厚度分別為3 mm和4 mm時(shí)，分別在6.6 GHz～18.0 GHz和5.27 GHz～18.00 GHz頻率范圍能夠?qū)崿F(xiàn)大于90%的電磁波吸收。

電阻膜型吸波超材料具有設(shè)計(jì)參數(shù)多，寬頻吸波性能優(yōu)化空間大，制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是制造寬頻吸波材料的重要方向之一。此外，由于電阻膜型吸波材料可兼具寬頻吸波和透明柔性等多功能特性，能夠用于隱身飛機(jī)窗口材料，有效改善吸波材料功能單一的問(wèn)題。文獻(xiàn)[21]設(shè)計(jì)并制備的透明柔性ITO-聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC)吸波超材料，表現(xiàn)出了優(yōu)異的寬頻吸波特性和透光性。文獻(xiàn)[40]采用周期形狀鋁網(wǎng)格、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate,PET)設(shè)計(jì)了一種透明吸波超材料，其在5.8 GHz～12.2 GHz頻率范圍能夠?qū)崿F(xiàn)有效吸收，其平均透光率大于62%。文獻(xiàn)[41]研制了一種以ITO、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)和PET為組元的透明吸波超材料，實(shí)現(xiàn)了8.3 GHz～17.4 GHz范圍大于90%的電磁波吸收，透光率為77%。實(shí)際應(yīng)用中通常要求材料的透光率能夠大于80%。為了提高材料的透明度，文獻(xiàn)[42]將ITO閉環(huán)諧振單元直立嵌入有機(jī)玻璃的吸波超材料，平均透光率達(dá)到82%。

需要注意的是，電阻膜型超材料中起主要吸波作用的碳材料和聚合物在高溫下會(huì)發(fā)生分解，不能應(yīng)用于高溫環(huán)境，ITO膜因附著于PET基板上也不能應(yīng)用于高溫環(huán)境。因此，需要開發(fā)具有耐高溫特性的材料應(yīng)用于FSS型吸波超材料設(shè)計(jì)。

纖維型吸波超材料主要包括基于碳纖維和SiC纖維的超材料。目前，僅有關(guān)于碳纖維吸波超材料的研究，碳纖維與金屬相似，具有高的電導(dǎo)率，從而使得其也具有窄頻吸波特征，與金屬相比其優(yōu)點(diǎn)是能夠耐高溫。而SiC纖維具有電導(dǎo)率可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，可用于制備耐高溫吸波性能優(yōu)異的復(fù)合材料。目前僅有基于連續(xù)SiC纖維的三明治結(jié)構(gòu)SiCf/SiC復(fù)合材料的研究[43]。在寬頻強(qiáng)吸波方面，與連續(xù)型表面吸波材料相比，不連續(xù)的周期性超表面設(shè)計(jì)表現(xiàn)出了極大優(yōu)勢(shì)，而基于SiC的周期性超表面吸波材料目前未見有相關(guān)研究報(bào)道。纖維織物復(fù)合超材料的研究主要以碳纖維為研究對(duì)象，因?yàn)樘祭w維電導(dǎo)率太高，所以需要對(duì)碳纖維進(jìn)行改性或者以碳纖維為吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的組元之一，從而優(yōu)化吸波性能。文獻(xiàn)[44-46]創(chuàng)新性地將碳纖維置于Si3N4陶瓷中，研究了多層夾心結(jié)構(gòu)Cf/Si3N4復(fù)合材料的室溫/高溫介電特性及吸波性能。

另外，按照FSS型吸波超材料中介質(zhì)基板的材料類型還可將其分為聚合物及其復(fù)合材料型、陶瓷及其復(fù)合材料型兩類。目前研究報(bào)道中采用的介質(zhì)基板大多為聚合物及其復(fù)合材料，以商業(yè)化的環(huán)氧玻璃纖維板和聚四氟乙烯(Teflon)系列基板居多。這類材料雖然能夠獲得較寬頻的吸波特性，但是由于材料本征性能限制，大都無(wú)法實(shí)現(xiàn)高溫條件下的吸波，而針對(duì)高溫應(yīng)用的陶瓷類研究較少，陶瓷基復(fù)合材料型尚未見研究報(bào)道。因此，如何充分發(fā)揮FSS型吸波超材料的優(yōu)異特性，開發(fā)具有寬溫域特征的吸波超材料仍然需要更加深入地探索。

3 三維電磁吸波超材料

在表面周期性結(jié)構(gòu)吸波材料的基礎(chǔ)上增加設(shè)計(jì)維度，在3個(gè)維度上設(shè)計(jì)吸波超材料，可以增加寬頻吸波材料的性能優(yōu)化空間，極大地拓寬應(yīng)用。文獻(xiàn)[47]將窄頻的金屬型超表面進(jìn)行三維多層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了7.8 GHz～14.7 GHz寬頻范圍內(nèi)大于90%電磁波吸收。文獻(xiàn)[30]將電阻膜型碳漿薄膜直立起來(lái)形成三維超材料，其在3.9 GHz～26.2 GHz極寬頻范圍內(nèi)RL均小于-10 dB，并且吸波材料的密度只有0.062 g/cm3。將傳統(tǒng)吸波材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與超材料的宏觀尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，利用這種多尺度效應(yīng)能夠極大提高傳統(tǒng)吸波材料的有效吸收帶寬。文獻(xiàn)[48-50]采用傳統(tǒng)磁性吸波材料，通過(guò)將傳統(tǒng)磁性吸波材料設(shè)計(jì)成三維周期臺(tái)階結(jié)構(gòu)，材料在2 GHz～40 GHz的極寬頻范圍內(nèi)表現(xiàn)出了優(yōu)異的吸波性能。文獻(xiàn)[51]將SiCf/Si3N4復(fù)合材料設(shè)計(jì)成雙層周期臺(tái)階結(jié)構(gòu)，有效提高了材料在8 GHz～18 GHz頻率范圍的吸波效率，并實(shí)現(xiàn)了低-高頻電磁波協(xié)同強(qiáng)吸收，能夠吸收大于90%的電磁波。將電損耗型材料設(shè)計(jì)成亞波長(zhǎng)突起的周期陣列，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的調(diào)控，能夠在不增加材料厚度的情況下，在不同頻段產(chǎn)生多個(gè)吸收峰，從而有效拓展吸波帶寬?？梢姡ㄟ^(guò)三維周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以極大拓寬吸波超材料的有效吸收帶寬，是寬頻超材料設(shè)計(jì)的有效手段。

需要注意的是，雖然三維電磁吸波超材料相對(duì)于二維FSS型吸波超材料具有更好的寬頻吸波特性，但其吸波結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，且部分結(jié)構(gòu)的加工難度較大，三維結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)可能引起其力學(xué)性能的衰減，降低其使役性能。因此，如何設(shè)計(jì)出綜合性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)-功能一體化寬頻吸波材料仍需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)語(yǔ)

寬頻電磁吸波超材料和結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究已經(jīng)取得諸多成果，但當(dāng)應(yīng)用于復(fù)雜的環(huán)境中時(shí)，其性能仍需進(jìn)一步的提高。在未來(lái)的發(fā)展中，寬頻吸波超材料及其結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)方面。

1)吸波超材料通常具有不同成分的組元，具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其吸波性能對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)較為敏感，不同組元的界面對(duì)吸波超材料的承載性能會(huì)產(chǎn)生不利影響。采用高精度技術(shù)制備吸波超材料，以及獲得結(jié)構(gòu)功能一體化的吸波材料，在實(shí)現(xiàn)寬頻吸波的同時(shí)兼顧其力學(xué)性能，是未來(lái)重要的研究方向之一。

2)武器裝備中高溫部件能否隱身是限制其隱身特性的重要因素。開發(fā)耐高溫、高性能的寬頻吸波超材料，特別是能夠應(yīng)用于1 000℃以上環(huán)境的耐高溫寬頻吸波超材料，將是未來(lái)重要的研究課題。

3)現(xiàn)代武器裝備和電子設(shè)備對(duì)材料的多功能化提出了更高的要求，設(shè)計(jì)并發(fā)展能夠應(yīng)用于微波、紅外、激光頻和光頻等多頻譜兼容隱身的吸波超材料是重要的研究方向。