【科普系列】电磁波的“克星”—介电损耗型吸波材料

吸波材料研发意义

随着现代信息技术特别是微波通信技术领域的飞速发展，环境中存在的电磁（EM）辐射污染已经成为一个不可忽视的问题。在日常生活方面，电磁污染已经给我们造成隐患，例如在机场经常出现航班因电磁波干扰无法起飞而误点；在医院、移动电话常会干扰各种电子诊疗仪器的正常工作。而在军事方面，敌方的雷达、红外、激光、电磁信号等特征信号可以在一定范围内发现我方武器，大大减弱武器的战场生存能力。因此吸波材料不仅在生活中可以解决电磁污染现象，在军事上可以应用于隐身技术中，使得武器难以被探测，起到隐身的作用。因此，电磁波吸收材料的研发具有重要的意义。

吸波材料设计原理

吸波材料的选择与设计尤为重要。将材料设计成为表面阻抗无限接近于自由空间阻抗，确保其阻抗渐变或匹配，可以大大缩减雷达散射截面，避免两种介质阻抗的剧烈变化。这就意味着具有优异特性的吸波材料需满足两个条件: 匹配特性和衰减特性。为实现防热与吸波一体化的新型吸波材料, 要求材料应具备高电导率、多孔/界面以及介电性能可调等特点。

电磁吸收器的原理图

LIU P, HUANG Y, ZHANG X, et al. Superparamagnetic NiFe₂O₄ particles on poly (3,4-ethylenedioxythiophene)-graphene: synthesis, characterization and their excellent microwave absorption properties[J]. Compos Sci Technol, 2014, 95: 107-112.

根据吸波材料的损耗机制可以将吸波材料分为：电阻型损耗、电介质损耗以及磁损耗吸波材料。常用的基体材料有陶瓷、树脂、橡胶、碳材料和磁性吸波材料等。高温下磁性吸收剂会失去磁性使其无法应用于高温部件的雷达吸波隐身。因此, 科研工作者一直致力于研究具有耐高温、低密度、高强度、高韧性等优良性能的吸波材料。这使得介电损耗型吸波材料在电磁波吸收领域飞速发展。

介电损耗性吸波材料有哪些?

介电损耗型吸波材料一般是由高导电性碳质纳米粒子、介电陶瓷纳米粒子和金属半导体氧化物组成各种混合型纳米结构的复合材料，复合后可产生额外的界面相互作用，且氧空位的存在会引起界面极化和缺陷偶极子，从而使材料表现出更大的介电损耗和高效的微波吸收，同时降低了吸波剂的密度。

01碳基吸波材料

碳基吸波材料因其具有表面性能可调﹑高强度质量比、超强耐腐蚀性能、超薄结构特性、超高载流子迁移率(～200000 cm²∙ v^-1∙ s^-1  )、高的导热系数(～5300 W∙m^-1∙ K^-1)等优势, 使其备受国内外科研人员的关注。碳材料通过结构设计和构造界面层次来提高材料的吸波性能 (例如:碳纳米管从单壁到多壁甚至于可垂直排列的阵列) 进而满足部分设备需求, 但是材料本身存在一定的缺陷和不足, 以至于应用受到限制。因此，多与其他磁性材料﹑半导体﹑硫化物、 稀土元素等复合, 进而提高吸波性能。

CeO₂-rGO混合物微波机理衰减示意图

WANG ZQ, ZHAO PF, HE D N, et al. Cerium oxide immobilized reduced graphene oxide hybrids with excellent microwave absorbing performance [J]. Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, 20: 14155-14165.

02 陶瓷基吸波材料

理想的电磁吸收体应具有质量轻热稳定性好、能吸收较宽的电磁频率、经济有效等特征。陶瓷作为一种潜在的电磁波吸收材料,也越来越受到人们的关注。科研人员对陶瓷进行了大量的研究，例如: SiC，SiC_f，Al₂O₃， SiO₂， SiOC，SiBCN等。Al₂O₃和 SiO₂作为传统的陶瓷材料，具有很高的耐磨性、耐高温、耐腐蚀、硬度且高温中化学稳定性强等优势,使其广泛应用于航空航天领域。但其作为吸波材料有着不可忽视的缺点，纯的陶瓷材料在高温下的吸波性能并不乐观 (反射损耗值较高)。为此, 研究者通过引入碳材料、金属氧化物 (Li₂O) 等物质来调节其介电常数、热膨胀系数以及阻抗匹配等特性，用以提高陶瓷材料在高温下的吸波性能。

目前, 对于高温下的吸波性能的测试手段并不健全，材料的电性能随温度的变化程度不可控且规律复杂。此外，陶瓷材料的元素种类较多、内部结构和机理也较为复杂。这些弊端均限制了陶瓷基吸波材料的发展。为此, 后续的工作将集中于更好地控制其形貌、物相和结构，调节其介电常数，改变其导电网络，从而增强其电磁波吸收性能。同时，对陶瓷基材料的电磁波吸收机理进行更深入的探索,并且设计出可在高温下测试材料吸波性能的平台，以满足复杂的电性能和机理分析。

LAS/RGO-KH-550的电磁波吸收机理

LUS R, XIA L, XU J M, et al. Permittivity-regulating strategy enabling superior electromagnetic wave absorption of lithium aluminum silicate/rGO nanocomposites[J]. ACS Appl Mater Interfaces, 2019, 11:18626-18636

结束语

介电损耗型和电导损耗型复合材料主要以电损耗为主, 其中介电损耗型可满足苛刻的热环境要求, 广泛应用于航空材料领域。因此, 电磁波吸收材料未来的发展方向将会以结构型复材、介电损耗型机理为主, 碳基和陶瓷基复合材料仍会是强有力的候选者。伴随着人们对健康和生活环境的日益关注, 或许未来的吸波剂会更倾向于和柔性材料进行复合,设计成可穿戴的微波吸收布料也不无可能。

原文出处：

介电损耗型微波吸收材料的研究进展

李天天，夏 龙，黄小萧，钟博，王春雨，张涛

2021, 49 (6):1-13.   

DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000275