曾 強(qiáng)，王榮超，張小蘭，彭化南，胡申萍，劉 綺

(上饒師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上饒 334001)

隱身技術(shù)是通過改變武器裝備的可探測(cè)信息特征，使敵方的探測(cè)裝備不易發(fā)現(xiàn)或者發(fā)現(xiàn)距離縮短的一種技術(shù)手段，其主要途徑是降低武器裝備的雷達(dá)散射截面積(RCS)。目前主要有以下兩種方式可以降低武器裝備的雷達(dá)散射截面積：一是通過對(duì)武器裝備的外形進(jìn)行設(shè)計(jì)，在保證性能的前提下，使其具有最小雷達(dá)散射截面積；二是在武器裝備中使用吸波材料，這種材料可以吸收和衰減進(jìn)入其內(nèi)部的電磁波，并且將電磁波的能量以熱能等形式耗散掉。外形設(shè)計(jì)由于存在很多限制條件，發(fā)展的空間有限；而吸波材料沒有任何限制條件，其發(fā)展空間廣闊，因此吸波材料的應(yīng)用成為隱身技術(shù)的主要研究方向。如美國的F-22﹑F-35﹑B-2以及中國的殲-10﹑殲-20等先進(jìn)飛機(jī)都使用了吸波材料，并在航空領(lǐng)域展現(xiàn)強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。此外，5G等通訊技術(shù)的發(fā)展給我們的生產(chǎn)生活帶來便利的同時(shí)，也帶來了電磁污染、電磁干擾等問題。電磁波污染成為繼噪聲污染、水污染、空氣污染之后威脅人類的第四大公害，不僅對(duì)電子通訊設(shè)備和電子系統(tǒng)造成嚴(yán)重干擾，對(duì)信息安全造成嚴(yán)重威脅，而且給人體健康帶來很大危害。由此可見，不管是軍用還是民用，開發(fā)具有高效吸波性能的吸波材料都有巨大的應(yīng)用前景。吸波材料的分類方式有很多，根據(jù)其組成與結(jié)構(gòu)可分為：磁性吸波材料、碳基吸波材料、復(fù)合型吸波材料。

1 磁性吸波材料

磁性吸波材料具有磁損耗強(qiáng)，成本低、制備技術(shù)門檻低等優(yōu)勢(shì)。目前，國內(nèi)外的研究者抓住磁性材料在高頻處仍有較大的磁導(dǎo)率這一特性，制備了一系列特定組分或者特定結(jié)構(gòu)的在高頻處有較強(qiáng)吸收的吸波材料，主要包括鐵氧體[1]、磁性金屬及合金納米顆粒[2]、磁性納米金屬氧化物[3]、羰基鐵[4]以及它們的混合物[5]。通過廣大研究者的努力，磁性吸波材料的吸波性能有很大的提高，但仍存在很多不足，比如磁性納米吸波粒子易團(tuán)聚﹑易氧化，在低頻區(qū)吸收較差，整體吸收頻率范圍窄等。

2 碳基吸波材料

碳基吸波材料具有密度小、導(dǎo)電性好、抗氧化能力強(qiáng)、力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，因此吸引了國內(nèi)外很多研究者的關(guān)注，并進(jìn)行了大量的研究工作。碳基吸波材料主要包括多孔炭[6]、碳?xì)饽z[7]﹑碳纖維[8，9]、碳納米管[10]、石墨烯[11]以及它們的混合物[12]等。碳基吸波材料雖然在密度、化學(xué)穩(wěn)定性方面有較大優(yōu)勢(shì)，但其要達(dá)到較好吸波性能一般需要較大的厚度，并且在高頻處的吸收強(qiáng)度較弱。因此，單一的使用碳基吸波材料已經(jīng)不能滿足對(duì)現(xiàn)代吸波材料“薄、輕、寬、強(qiáng)”的要求。

3 復(fù)合型吸波材料

為了拓寬吸波頻率范圍，增加吸收強(qiáng)度，復(fù)合型吸波材料應(yīng)運(yùn)而生。目前，國內(nèi)外研究者把碳材料﹑磁性材料以及其它類型材料中的兩種或者多種通過不同技術(shù)手段復(fù)合到一起，形成具有多種損耗機(jī)制的復(fù)合吸波材料。這類復(fù)合吸波材料不僅保持各組分的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還克服了單一組分的缺點(diǎn)，甚至產(chǎn)生各單一組分都沒有的新性能。國內(nèi)許多研究團(tuán)隊(duì)對(duì)復(fù)合型吸波劑進(jìn)行了深入研究，并取得了豐碩成果。西北工業(yè)大學(xué)張立同院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了一系列石墨烯基吸波復(fù)合材料，如氧化鋅納米線/還原氧化石墨烯泡沫復(fù)合材料[13]、還原氧化石墨烯/Ti3C2TX泡沫復(fù)合材料[14]、石墨烯/Si3N4多孔復(fù)合材料[15]等。研究發(fā)現(xiàn)，這類復(fù)合材料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)不僅有效地降低了石墨烯的團(tuán)聚和復(fù)合材料的密度，而且對(duì)阻抗匹配、介電損耗和內(nèi)部散射都有很大的貢獻(xiàn)，增強(qiáng)了材料的微波吸收性能。復(fù)旦大學(xué)車仁超團(tuán)隊(duì)在核殼機(jī)結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的研究方面做了大量工作，他們根據(jù)介電損耗材料和磁損耗材料復(fù)合的思路制備了一系列核殼結(jié)構(gòu)吸波材料，如CoNi@SiO2@TiO2[16]、CoNi@Air@TiO2[16]、γ-Fe2O3@C[17]、γ-Fe2O3@C@α-MnO[17]、Fe3O4/PDA[18]等。這些材料既有介電損耗能力又有磁損耗能力，顯著提升了復(fù)合材料吸波性能，其有效吸收頻寬都超過了8 GHz。北京理工大學(xué)的曹茂盛團(tuán)隊(duì)對(duì)高溫吸波材料進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)并制備了如3D結(jié)構(gòu)的Co3O4-rGO復(fù)合材料[19]、鏈狀的鎳納米材料[20]、SiO2/MWCNTs[21]復(fù)合材料等一系列在高溫環(huán)境下依然保持優(yōu)異吸波性能的材料。Co3O4-rGO復(fù)合物在353 K-473 K溫度范圍內(nèi)的吸波性能基本沒有變化，顯示出耐高溫性能。鏈狀的鎳納米材料，在厚度為1.8 mm，溫度為373 K 時(shí)，其有效吸收頻寬覆蓋了整個(gè)X頻段。SiO2/MWCNTs復(fù)合材料在100 ℃-500 ℃溫度范圍內(nèi)，其有效吸收頻寬都覆蓋了整個(gè)X波段。南京航空航天大學(xué)的姬廣斌團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了一系列碳基吸波材料，如Co@納米多孔碳復(fù)合材料[22]、介電常數(shù)和吸波性能可調(diào)控介孔碳空心球[23]、含核殼結(jié)構(gòu)SnS/SnO2@C的復(fù)合薄膜吸波材料[24]等，這些材料都顯示出優(yōu)異的吸波性能。其中含SnS/SnO2@C復(fù)合薄膜在厚度約為5 mm，并施加16 V電壓的情況下，在1.5 GHz-2.0 GHz頻率下的吸收值超過85%，顯示出優(yōu)異的低頻吸波性能。國外也有許多研究者做了大量工作：Yadav等[25]制備了鐵/納米石墨片/聚甲基丙烯酸甲酯(Fe/NG/PMMA)復(fù)合材料。當(dāng)添加2wt%的納米石墨片時(shí)，復(fù)合材料的有效吸收頻寬達(dá)到6.3 GHz，最小反射率值為-38.8 dB。Thi等[26]通過原位預(yù)聚法制備了一種聚苯胺-吡咯共聚物/還原氧化石墨烯包覆SiO2的新型的納米復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料的有效吸收頻寬達(dá)5.5 GHz，其吸波性能明顯優(yōu)于聚苯胺/還原氧化石墨烯包覆SiO2復(fù)合材料和聚吡咯/還原氧化石墨烯包覆SiO2復(fù)合材料。Singh等[27]通過球磨分散的方法將鋅和碳化硅混合制備Zn/SiC復(fù)合物，并研究了其吸波性能。結(jié)果顯示，當(dāng)鋅的含量為6wt%，厚度為1.7 mm時(shí)，復(fù)合物的吸收頻寬為4.2 GHz。

此外，作者在前期研究工作中，從材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，設(shè)計(jì)了具有空心結(jié)構(gòu)的還原氧化石墨烯微球；使用油包水與高溫煅燒兩步法相結(jié)合的自組裝技術(shù)，將磁性納米粒子引入到具有空心結(jié)構(gòu)的石墨烯微球中，成功制備了負(fù)載有不同磁性納米粒子的還原氧化石墨烯復(fù)合微球(Air@rGOCo[28]﹑Air@rGONi[29]和Air@rGOFe3O4[30])。研究發(fā)現(xiàn)：復(fù)合微球具有優(yōu)異的吸波性能，其電磁波吸收強(qiáng)度和有效吸收頻寬都遠(yuǎn)大于純還原氧化石墨烯和純磁性納米粒子。Air@rGOCo復(fù)合微球在匹配厚度僅為2.2 mm達(dá)到最優(yōu)的吸波性能，有效吸收頻寬達(dá)到7.1 GHz；Air@rGONi復(fù)合微球有效吸收頻寬達(dá)到4.8 GHz，匹配厚度為2.7 mm。Air@rGOFe3O4復(fù)合微球在匹配厚度為2.8 mm時(shí)有效吸收頻寬達(dá)到7.2 GHz。

通過對(duì)國內(nèi)外相關(guān)研究成果進(jìn)行系統(tǒng)分析結(jié)合作者前期研究基礎(chǔ)，我們發(fā)現(xiàn)：將納米碳材料和納米磁性材料通過一定復(fù)合技術(shù)制備具有特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)合吸波材料是提升吸波材料吸波性能的有效途徑。常用的碳材料有石墨烯、碳納米管、碳纖維、炭黑等。將上述碳材料與不同的磁性納米材料復(fù)合制備的復(fù)合吸波材料的吸波性能有很大提升。

4 結(jié)構(gòu)吸波材料

雖然碳/磁復(fù)合型吸波材料有很多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在許多亟待解決的問題。首先，這類吸波材料都沒有力學(xué)承載的能力，它們只能做涂覆型吸波材料；然而在實(shí)際服役中發(fā)現(xiàn)，單一涂覆型吸波材料普遍存在增加飛行器自重、與殼體粘結(jié)強(qiáng)度低、容易剝落或開裂、需要頻繁修復(fù)等缺點(diǎn)，因而在實(shí)際應(yīng)用中尤其是在航空航天領(lǐng)域受到越來越多的限制。其次，多組分的復(fù)合型吸波材料，其協(xié)同吸波機(jī)制還不明確，不能對(duì)多組分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)復(fù)合型吸波劑的以上缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)型吸波材料應(yīng)運(yùn)而生。結(jié)構(gòu)型吸波材料是在先進(jìn)復(fù)合材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是將吸波劑分散在基體或增強(qiáng)材料中通過復(fù)合工藝成型的具有承載和吸收雷達(dá)波的結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料。其優(yōu)點(diǎn)是可大量減輕飛行器的質(zhì)量，結(jié)構(gòu)具有可設(shè)計(jì)性，且可成型各種形狀復(fù)雜的部件，因而成為當(dāng)今吸波隱身材料的主要發(fā)展方向之一。目前常見的結(jié)構(gòu)型吸波材料主要有板層結(jié)構(gòu)吸波材料[31-33]﹑夾芯結(jié)構(gòu)吸波材料[34，35]等，而夾芯結(jié)構(gòu)吸波材料吸波性能要優(yōu)于板層結(jié)構(gòu)吸波材料。Shen等[34]制備的一種纖維增強(qiáng)的泡沫夾芯復(fù)合材料，厚度為9.73 mm時(shí)的有效吸收頻寬達(dá)18.4 GHz。進(jìn)一步分析復(fù)合材料的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，在厚度為4.99 mm時(shí)，其彎曲極限載荷達(dá)768.07 N。Wang等[35]以玻璃纖維復(fù)合材料為面板，碳纖維復(fù)合材料為底板，表面涂有碳黑/環(huán)氧混合物的芳綸蜂窩為芯材制備了蜂窩夾層復(fù)合材料，并分析測(cè)試其吸波性能和機(jī)械性能。結(jié)果顯示，復(fù)合材料厚度為30 mm時(shí)，其有效吸收頻寬達(dá)16 GHz，彎曲極限載荷為5 kN。由此可見，夾層復(fù)合材料能滿足武器裝備對(duì)吸波材料耐熱等級(jí)、力學(xué)性能、寬頻吸收的要求。因此，發(fā)展具有更高耐熱等級(jí)、更高力學(xué)性能、更優(yōu)異吸波性能的夾層結(jié)構(gòu)隱身復(fù)合材料將成為研究熱點(diǎn)。夾芯吸波層是構(gòu)成夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的主體，模仿天然蜂巢的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)由于重量輕且具有高強(qiáng)度和高剛度被廣泛地用作夾層結(jié)構(gòu)芯材。

5 總結(jié)與展望

磁性材料和碳材料復(fù)合制備的復(fù)合吸波材料能夠有效提升復(fù)合材料的吸波性能，但是這類吸波材料不能承載承重。于是研究者將吸波劑分散在基體或增強(qiáng)材料中通過復(fù)合工藝成型的具有承載和吸收雷達(dá)波的結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料，這類結(jié)構(gòu)吸波材料雖然能夠達(dá)到“薄、輕、寬、強(qiáng)”的要求，但復(fù)合吸波材料中不同吸波劑對(duì)電磁波的協(xié)同損耗機(jī)理還有待進(jìn)一步研究和闡述。復(fù)合吸波材料的研究有很廣闊的應(yīng)用前景，研究新型結(jié)構(gòu)吸波材料能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)飛行器向高速、輕量、隱身等方向的發(fā)展提供一種新途徑，對(duì)推動(dòng)我國新一代制空型無人作戰(zhàn)飛機(jī)的研制和國防實(shí)力的進(jìn)一步提升具有重要意義。