吸波材料研究新进展_胡小赛

CARBON TECHNIQUES

炭

素

技

术2016年第2期

第35卷

2016№2Vol．35

吸波材料研究新进展

胡小赛，沈勇，王黎明，郑景景，程洋，邢亚均

(上海工程技术大学服装学院，上海201620)

摘要：吸波材料是实现雷达隐身的关键材料，其研究对军用和民用都具有非常重要的意义。由于传统吸波材料存在吸收频带窄、吸收强度弱及密度大等问题，“薄、宽、轻、强”的新型吸波材料成为当前研究的热点。本文综述了炭系吸波材料、导电高聚物、手性吸波材料及超材料等吸波材料的最新研究应用现状，并展望了吸波材料未来发展趋势。关键词：炭系吸波材料；导电高聚物；手性吸波材料；超材料中图分类号：TB34；TN972

文献标识码：A

文章编号：1001-3741(2016)02-11-07

DOI:10.14078/ki.1001-3741.2016.02.003

Research progress of novel microwave absorbing materials

Hu Xiao -sai ，Shen Yong ，Wang Li -ming ，Zheng Jing -jing ，Cheng Yang ，Xing Ya -jun

(College of Fashion,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)

Abstract:Microwave absorbing materials play an important role in the radar stealth.Research on microwave absorbing materials is significant for both military and pared with the traditional microwave absorbing materials,novel microwave absorbing materials with broad absorption frequency band,strong absorption capacity,low density and light weight have drawn considerable in -terests due to their unique electric properties.In this paper,microwave absorbing materials including carbon-based materials,con -ductive polymers,chiral materials and meta-materials were reviewed in detail and the future developments of the microwave absorb -ing materials were prospected.

Key words :Carbon-based material ；conducting polymer ；chiral materials ；meta-materials

基金项目：上海市教委科研创新（重点）项目(12zz180)作者简介：胡小赛（1988-），男，在读硕士研究生，从事电磁屏蔽及吸波材料的研究。

通讯作者：沈勇，E -mail ：shenyong@ 。收稿日期：2015-09-15

随着新型雷达、先进探测器探测技术的相继问世，未来战场上的各种武器系统和战略目标面临着更加严重的威胁，现代军事隐身技术作为提高武器系统生存能力有效手段，受到世界各国的高度重视[1-2]。通过隐身技术可以减小目标的雷达散射截面，衰减雷达回波强度，进而提高武器装备在战场上的生存和突防攻击能力[3-4]。因此，吸波材料技术的发展和应用成为现代军事研究的关键。

除了在军事隐身领域，吸波材料也是微波暗室、电磁信息泄漏防护、电磁辐射防护、建筑吸波材料等国防军工与民用技术领域中的关键材料[5]。本文结合国内外学者的研究情况，综述了炭系吸波材料、导电高聚物、手性吸波材料、超材料的最新研究进展，并指出了目前吸波材料存在的问题以及今后的主要研究方向。

1

吸波材料的研究现状

1.1

炭系吸波材料

炭系吸波材料主要包括碳纳米管、石墨烯等，

具有原料来源广泛、制备工艺简单、电导率高、温度稳定性好等优点。

碳纳米管（CNTs)是由石墨平面绕着中心轴按一定的螺旋度卷曲而成的管状物，管壁是由接近完美的六边形排列的碳原子组成，特殊的结构和介电性能使其作为吸波材料具有质量轻、兼容性好、吸波频带宽等优点。但是CNTs 不易与空气达到阻抗匹配，而CNTs 复合磁性材料可以减小其复介电常数的实部和虚部，从而实现介质与空气的阻抗匹配，有利于微波在材料中的损耗[6-7]。Gan Jet Hong Melvin 等[8]研究了纳米Ag 包覆CNTs （Ag@CNTs ）复合材料及CNTs 在0.5~14GHz 吸波性能，当涂层厚度为1

mm 时，复合材料的反射损失小于-10dB 的频带为11.7~14.0GHz ，最大反射损失为12.9GHz 的-21.9

dB ；而CNTs 的反射损失小于-10dB 的频带为12.1~14.0GHz ，最大反射损失为13.5GHz 的-14.1dB ，见图1。Ag 包覆CNTs 使得吸波介质的阻抗更

加接近自由空间的阻抗，从而使得电磁波能实现在

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炭素技术介质表面几乎零反射，因此Ag@CNTs 的吸波性能优于CNTs 。

Xiaosi Qi 等[9]通过化学气相沉积法使Fe 沉积在CNTs 表面制得核-壳结构的Fe/CNTs 复合材料，在1~18GHz 复合材料的厚度为1.5mm 时，吸收损耗小于-10dB 带宽为3.1GHz ，在17.15GHz 出现

最大吸收损耗为-40.15dB 。更进一步，Jun Qiu 等[10]以树状结构的Fe 3O 4-CNTs-HPCFs 为吸收剂，石蜡为基体制备微波吸收复合材料，并测试了其在2~18

GHz 的电磁性能。由于碳纳米管的缺陷、多孔结构

及悬空键的存在以及Fe 3O 4和CNTs-HPCFs 之间的协同作用，材料表现出优异的吸波性能。涂层厚度为1.5~3.0mm 时，反射率在10.2~18GHz 波段内小于-15dB ；当涂层厚度为2.5mm 时，在14.03GHz 出现最优反射率峰值可以达到-50.9dB 。然而，涂层中过量的CNTs 会导致辐射到介质表面的电磁波出现明显的趋肤效应，产生界面反射从而降低吸波性能。目前研究的主要方向是碳纳米管/聚合物复合吸波材料，但CNTs 之间存在较强的范德华力作用，极易发生缠绕和团聚，在聚合物中均匀分散是一个难点。研究表明：改变碳纳米管的表面处理工艺能改善其在介质中的分散性进而增强碳纳米管类吸波材料的吸波性能。Junye Cheng 等

[11]

用等离子对

CNTs 进行前处理然后在其表面原位聚合生成PANI 复合体，研究了其导电性能和吸波性能。结果显示：与纯CNTs 相比，PANI 包覆的CNTs 表面粗糙

且交织现象变弱，说明采用此法能很好地解决

CNTs 的分散问题，而良好的分散性是提高材料吸

波性能的有效途径。其中经前处理的复合材料的直径达150nm ，而未经前处理的直径小至80nm ，表明等离子前处理有利于PANI 在CNTs 表面原位聚合，使复合材料兼具良好的磁性能和电性能。另外，由于CNTs 和PANI 的相互作用增强了电子离域，

有利于复合材料提高导电性能，所以前处理的复合材料的导电率可达4.542S/cm ，未经前处理的复合材料的导电率仅有0.443S/cm 。在2~18GHz 测试了吸波性能，前处理的复合材料的最大吸收损耗为

14.24GHz 的-34.3dB ，反射损耗小于-20dB 的带宽达6GHz ，显示出良好的宽频吸收特性。

石墨烯具有介电损耗高和低密度等优点，在微波吸收方面具有良好的研究应用前景。但高的介电损耗很难获得良好的电磁参数，导致石墨烯的阻抗

匹配性能较差，采用其他材料修饰石墨烯改变介电常数能明显改善材料的吸波性能[12]。Meng Zong 等[12]采用水热法合成了还原氧化石墨烯（RGO ）/CoFe 2O 4复合材料。TEM 和SEM-EDS 显示CoFe 2O 4纳米片直径为15~20nm ，均匀地分散在纳米RGO 的表面。室温下CoFe 2O 4、RGO-CoFe 2O 4的饱和磁化强度、矫顽力及剩余磁化强度分别为63.7emu/g 、792Oe 、

25.6emu/g 和53.6emu/g 、768Oe 、25.3emu/g ，可见由于无磁性的RGO 的存在，使得RGO-CoFe 2O 4的饱和磁化强度低于CoFe 2O 4的饱和磁化强度。在2~18GHz 内，RGO-CoFe 2O 4的介电损耗角正切值均大于0.3，从而使得复合材料具有明显的介电损耗。复

合材料在15.6GHz 、1.6mm 厚度处有最大反射损失-44.1dB ，在厚度1.5mm 处的吸收损耗小于-10

dB 的带宽达6.4GHz(10.8~17.2GHz)；而CoFe 2O 4吸收损耗在测设频率内仅达-4dB 。引入CoFe 2O 4，一

方面使得RGO 的复介电常数降低，有利于阻抗匹配；另一方面，高的损耗角正切利于微波衰减损耗，从而能显著提高介质的吸波性能。Zetao Zhu 等[13]使用镍修饰石墨烯，当镍的质量分数为54%时而涂层厚度是2.5mm 时，吸收损耗优于-10dB 的频带在

11.3~17.5GHz ，最大吸收损耗是14.1GHz 的-21.6dB 。这说明在石墨烯表面修饰导电颗粒，可以明显改善材料的电磁波吸收性能。Lei Wang 等[14]用NH 4HCO 3改性石墨烯制得N-石墨烯，然后利用原位聚合法制得N-石墨烯@聚苯胺核-壳结构的复

合材料，接着利用共沉淀法制得N-石墨烯@聚苯胺/Fe 3O 4复合材料。当N-石墨烯@聚苯胺涂层厚度是3mm 时，最大吸收损耗值是-24.6dB ，吸收损耗小于-10dB 的带宽为1.2GHz （6.5~7.7GHz)；当

N-石墨烯@聚苯胺/Fe 3O 4涂层厚度是2.7mm 时，最大吸收损耗值是14.8GHz 的-40.8dB ，吸收损耗小于-10dB 的带宽达5.1GHz （10.4~15.5GHz)。Meng Zong 等[15]通过水热法制备了还原氧化石墨烯（RGO ）/Ni 0.5Zn 0.5Fe 2O 4复合材料，并研究了其在2～18GHz 的微波吸收性能。由于纳米Ni 0.5Zn 0.5Fe 2O 4粒子的作用，RGO/Ni 0.5Zn 0.5Fe 2O 4复合材料不仅具有较大的介电

图1

碳纳米管和银包覆碳纳米管的吸波损耗

Fig.1Reflection loss of the modified CNT composite (d =1mm)

and Ag/CNT hybrid nanocomposite (d =1mm)in the range of 0.5~14GHz

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