吸波材料的研究现状与进展

～
S/cm 范围内呈半导体状态时吸波效果较好。 美国已研制出一种由导电高聚物与氰酸盐晶须复合而
成的吸波材料， 具有光学透过性能， 可以喷涂在飞机座舱盖、 精确制导武器和巡航导弹的光学透明窗口上，所使用的导电 聚合物为聚苯胺混合物。 国内已研制出在 X 波段吸收－10dB 带宽达 1GHz 左右的导电高分子吸波材料，但从频宽和吸收 率上还显不足。
高分子聚合物的线性或平面形构型与高分子电荷转移络合 物的作用设计其导电结构，实现阻抗匹配和电磁损耗，从而 吸收电磁波。导电高聚物具有 π 电子共轭体系，导电高分子 经掺杂后，其链结构上存在自由基，这类偶极子的存在和跃 迁使其具有导电性，其电导率在绝缘体、半导体和金属范围 内变化。不同的电导率呈现不同的吸波性能，其机理类似于 电损耗型，吸波效率对频率的依赖比较大。其电导率的大小
2.2
金属微粉吸波材料
金属微粉吸波材料具有吸波磁导率高、温度稳定性好
（居里温度高达 770K）等优点。它主要包括羟基铁粉、羟 基镍粉、坡莫合金及钴镍合金等。这类吸波材料一般是由金 属超细粉末或金属氧化物磁性超细粉末与高分子粘结剂复 合而成。由于作为吸收剂的金属超细粉末或金属氧化物磁性 超细粉末的细化， 使其组成的粒子的原子数目大大减少， 磁、 电、光等物理性能发生质的变化，磁损耗较大。磁滞损耗、 涡流损耗等是其主要吸波机理。这种吸波材料可以通过调节 粉末的粒径、 含量、 混合比例等来调节吸波材料的电磁参数， 以使其达到较为理想的吸波效果。法国巴黎大学研究了微米 级 Ni、Co 粉末吸波性能，发现在 1～8GHz 内有最大值，如 1.4 µ m 的 Ni 粉，f=1.4GHz 时， µ ′ =8， µ ′′ =5。目前金属 微粉吸波材料已经广泛应用于隐身技术，如美国 F/A-18C/D “大黄蜂”隐身飞机使用了羟基铁微粉吸波材料。 金属微粉吸波材料的缺点在于：抗老化、抗氧化、耐酸 碱能力差，远不如铁氧体；介电常数较大且频谱特性差，低 频段吸收性能较差；密度较大，其吸收剂体积占空比一般大 于 50%。
3
高温吸波材料
许多武器装备需要隐身的部位常常工作在高温环境下
（例如高速飞行器的表面） ，因为绝大部分磁性吸波材料居
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材料导报网刊
2006 年 4 月第 2 期
里温度较低，在高温下失去磁性，从而失去吸波能力，因此 磁性吸波材料一般只能用于武器常温部位的隐身。武器高温 部位的隐身必须采用高温吸波材料，一般为陶瓷吸波材料， 其吸收剂为陶瓷吸收剂。由于高温吸波材料仅仅依靠材料的 电损耗来吸收电磁波，故其吸波效率远低于磁性吸波材料， 这就要求高温吸波材料具有较大的厚度。与磁性吸收剂相 比，介电常数控制是高温吸收剂研究的重点和难点，而介电 常数的频散效应的控制则是宽频带吸收所必须追求的目标。 国内外研究的高温吸收剂主要有以下几种类型。
0
前言
随着技术的发展，武器装备面临着探测与反探测的严峻 式中:
γ
=
z 2 − z1 z 2 + z1
挑战，提高军事装备的战术技能，隐身技术已经成为未来高 技术战争的重要研究课题。吸波材料是隐身技术中的关键环 节。本文主要从吸波材料在军事领域的应用出发，对各种吸 波材料，特别是对飞行器在高温条件下所应用的吸波材料进 行了论述。
z1 、z 2 分别表示自由空间波阻抗和介质表面波阻抗，
zw = E = H
波阻抗：
µ ε
z1 = z 2 时，称波
1
吸波材料工作基本原理
对于一般材料，材料的介电常数 ε 与磁导率 µ 可写成以
式中：E 为电场强度，Ｈ为磁场强度，当 件为：
阻抗匹配，γ=0，接近于全吸收。铁氧体吸波材料的匹配条
下复数形式：
The Research Actuality and Development of Microwave Absorption Materials
DENG Libo, LONG Nidong
(Engineering College, Air Force Engineering University, Xi’an 710038)
2.5
纳米吸波材料
纳米材料具有极好的吸波特性，同时具有宽频带、兼容
性好、质量好和厚度薄等特点。磁性纳米颗粒、纳米颗粒膜 和多层膜是纳米材料用作隐身材料的主要形式。由于纳米材 料的特殊结构引起的量子尺寸效应和隧道效应，导致它产生 许多不同于常规材料的特异性能。一方面，由于纳米微粒尺 寸为 1~100nm，远小于雷达发射的电磁波波长，因此纳米微 粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减 少了波的反射率，使得雷达接受到的反射信号变的很微弱， 从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的表面积比 常规材料大 3~4 个数量级，对电磁波和红外光波的吸收率也 比常规材料大得多，探测物发射的红外光和雷达发射的电磁 波被纳米粒子吸收，使得红外探测器和雷达很难探测到被探 测目标。此外，随着颗粒的细化，颗粒的表面效应和量子尺 寸效应变的突出，颗粒的界面极化和多重散射可成为重要的 吸波机制，量子尺寸效应使纳米颗粒的电子能级发生分裂，
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吸波材料的研究现状与进展/邓理博等 率ωK 由ωK = γ
·7· 取决于导电高分子的分子链长度及分子结构对偶极子的约 束力， 通常高分子链越长， 结构规整性越高， 导电性就越好， 另外， 其电导参量还与掺杂剂性质等因素有关。 电导率在 10 10
－１ －３
－ － ， 从而导致新的 其间隔正处于微波能量范围 （10 2～10 5eV）
2.3
导电高聚物吸波材料
这类吸波材料的吸波机理是：利用某些具有共轭电子的
吸波通道。 美国研制出的“超黑粉”纳米吸波材料，对雷达波的吸 收率大于 99%。法国最新研制出纳米 CoNi 超微吸波材料， 在 1~8GHz 频率范围内磁导率的实部 µ ′ 和虚部 µ ′′ 均大于 6，大大超过金属微粉磁导率理论极值 3 的限制。
2πd εµ µ tanh j →1 ε λ
式中：λ 为自由空间中电磁波长；d 为吸收体的厚度。 由此可见，要获得性能优良的吸波材料必须满足以下要 求：(1)入射波最大限度地进入材料内部，而不在其前表面上 反射，即材料的匹配特性；(2)进入材料内部的电磁波能迅速 地被材料吸收衰减掉，即材料的衰减特性。但正如许多工程 问题一样，这两个要求经常是互相矛盾的。
Abstract Microwave absorption materials is an important military stealth material. This article introduces the working theory of microwave absorption material in military affairs and dissertates some conventional absorbing materials, including ferrite absorbing materials, metal micropowder absorbing materials, conductive polymer absorbing materials, ploycrystal ferrum fiber absorbing materials, and nano absorbing materials. It especially introduces high-temperature absorbing materials and discusses some new absorbing materials. It prospects the application perspective of absorbing materials in the end. Key word microwave absorption materials, Hertzian waves, stealth
tan δ
=
tan δ E + tan δ M = ε ′′ / ε ′ + µ ′′ / µ ′
可见， tan δ 随 ε ″和 µ ″的增大而增大。 设计吸波材料除了尽可能提高损耗外，还要考虑另一关 键因素，即波阻抗匹配问题，使介质表面对波的反射系数为 0，电磁波入射到介质进而被吸收。由电磁理论可知，垂直 入射介质时的反射系数 γ 为：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2.4
多晶铁纤维吸波材料
多晶铁纤维吸波材料的研究始于 20 世纪 80 年代中期，
它包括铁、镍、钴及其他合金纤维。它的吸波机理主要是涡 流损耗和磁滞损耗，此外，它是良导体，具有较强的介电损 耗吸收性能，在外界交变电场的作用下，纤维内的自由电子 发生震荡运动，产生震荡电流，将电磁波的能量部分的转化 成热能。多晶铁纤维具有独特的各向异性，粘结剂中多晶铁 纤维层状取向排列所形成的多晶铁纤维涂层可在很宽的频 带范围内实现高吸收率，质量比传统的金属粉吸波材料减轻 40%~60%， 涂层质量仅为 1.5~2.0kg/m2 ,是一种理想的轻质磁 性吸波材料 1992 年美国 3M 公司研制出亚米级多晶铁纤维吸波涂 层，多晶铁纤维的体积占空比为 25%时，在 5~16GHz 频段 内可衰减 30dB。
H K 确定，为旋磁比交变磁场和各向异性
等效磁场共同作用产生的。自然共振是铁氧体吸收电磁波的 主要机制。铁氧体吸波材料是研究较多且较成熟的吸波材 料，即使在低频、厚度薄的情况下仍有良好的吸波性能。在 米波至厘米波范围内，可使反射能量衰减 17~20DdB，从 50 年代至今仍被广泛使用。按微观结构的不同，可分为六角晶 系、尖晶石型、石榴石型和磁铅石型铁氧体。作为吸波材料 应用最广泛的是六角晶系和尖晶石晶系，因为六角晶系具有 片状结构，而片状结构是吸收剂的最佳形状。尖晶石型铁氧 用纯铁氧体粉末分散 体的介电常数 ε ′ 和磁导率 µ ′ 比较低， 在非磁性体中而制成的复合铁氧体，则可通过铁氧体粉末的 粒径、铁氧体粉末与非磁性体的混合比例及铁氧体组成来控 制其电磁参数。目前已研制并广泛应用的有 Ni-Zn、Li-Zn、 Ni-Mg-Zn、Li-Cd、Ni-Cd、Co-Ni-Zn、Mg-Cu-Zn 等铁氧体。 铁氧体吸波材料已广泛应用于隐身技术，具有吸收强、频带 较宽及成本低的特点，但它也具有大密度、高温特性较差的 缺点。试验研究表明，当温度由 25℃变化至 100℃时，铁氧 体的吸波特性呈下降趋势，而高速飞行器（如“米格”25） 要求吸波材料在 600℃以上工作。为克服铁氧体吸波材料的 先天不足，各国开始大力研究高温吸波材料，对此，本文随 后有详细论述。
ε = ε ′ − iε ′′ ； µ = µ ′ − iµ ′′ 式中：ε ′ 和 µ ′ 分别为吸波材料在电场或磁场作用下产生的 极化和磁化强度的变量，而 ε ′′ 为在外加磁场作用下，材料 电偶矩产生重排引起损耗的度量，µ ′′ 为在外加磁场作用下，
材料磁偶矩产生重排引起损耗的度量。对介质而言，承担着 对电磁波吸波功能的是 ε ′′ 和 µ ′′ ，它们引起能量的损耗， 损耗因子为 tan δ ,可由下式表示：
2
2.1
吸波材料的发展现状
铁氧体吸波材料
在不加外恒磁场的情况下，当入射的交变磁场的角频率
ω 和晶体的磁各向异性等效场 H K 所决定的本征角频率
相等时，铁氧体吸波材料将大量吸收电磁波能量。本征角频 E-mail:deathmask0626@163.com
邓理博:男,1983 年生,硕士研究生,研究方向：航空装备失效分析与预防
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材料导报网刊
2006 年 4 月第 2 期
吸波材料的研究现状与进展
邓理博,龙霓东
（空军工程大学工程学院，西安 710038）
摘要 吸波材料是一种重要的军用隐身材料， 本文从主要吸波材料在军事领域应用出发， 介绍了吸波材料的工作原理，
分别论述了铁氧体吸波材料、金属微粉吸波材料、导电高聚物吸波材料、多晶铁纤维吸波材料及纳米吸波材料的研究现状和 发展趋势， 较为详细的介绍了高温吸波材料的性质和在吸波方面的机理、 应用， 并对其他新型吸波材料的研究现状也有论述。 最后对吸波材料的应用前景进行了展望。 关键词 吸波材料 电磁波 隐身 文献标识码：A 中图分类号：TB34