吸波材料吸波原理及其研究进展

吸波材料的吸波原理及其研究进展

张开庆

（山东科技大学应用物理学2010-01 201001090134）

摘要：介绍了吸波材料的重要性，阐述了吸波材料的吸波原理，综述了铁氧体吸波材料、金属微粉吸波材料、纳米吸波材料及光学透明吸波材料近几年来的国内外研究进展及应用，最后指出，多频谱隐身材料和智能隐身材料是吸波材料中两个最主要的发展方向。

关键词：吸波材料；吸波原理；进展

Absorbing Mechanism and Progress of Wave-absorbing

Materials

Zhang Kai-qing

(Shandong university of science and technology college of science, Applied physics class level 2010-01) Abstract:The sign if icance of wave-absorbing materials was explained. The absorbing mechanism indifferent conditions, the species and the characteristics of general wave-absorbing materials were introduced. The recent progress and application of ferrite material, surperfine metal powders, nanam eter absorbing material and optics transparent absorbing materials were reviewed. Finally points out that the multiple spectra and intelligent stealth materials are tow most essential developing trends for radar wave absorbing materials.

Key words: wave-absorbing materials; wave-absorbing mechanism; progress

随着现代科技技术尤其是电子工业技术的高速发展，不同频率的电磁辐射充斥着人们的生活空间，破坏了人类良好的生态环境，造成了严重的电磁污染。不少科学家预言，在二十一世纪，电磁污染将成为生态环境首屈一指的物理污染[1]。电磁场以电磁波的形式传递能量，只有使用电磁波吸波材料。使电磁波能转化为热能或其他形式的能，才能有效清除电磁污染。因此解决电磁污染的吸波材料的研究和应用成为人们研究.

隐身技术也称为目标特征信号控制技术，是一种通过控制和降低武器系统的特征信号，使其难以被发现、识别、跟踪和攻击的技术。由于隐身技术能极大地提高武器的生存能力和作战效果，受到许多国家的高度重视，成为集陆、海、空、天四位一体的立体化现代战争中最重要、最有效的突防战术手段，成为现代军事研究的关键技术[2]。在现代战争中，雷达是探测目标的最可靠手段，因此雷达隐身技术是隐身技术的重点。

雷达隐身技术的核心是降低目标的雷达散射截面（RCS）。其技术主要途径有两条：一是通过目标的外形设计降低RCS，简称为外形技术。二是目标应用能吸收雷达波的材料，即利用雷达吸波材料（RAM）降低目标的RCS，简称为雷达吸波材料技术[3]。

雷达吸波材料简称吸波材料。吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量，并通过材料的介质损耗使电磁波能量转化为热能或其他形式的能量而消散掉的一类材料。它的工作原理与材料的电磁特性有关。良好的吸波材料具备两个条件，一是雷达波射入的吸波材料内，其能量损耗尽可能大；二是吸波材料的阻抗与雷达波的阻抗相匹配，此时满足无反射。实际上常要求吸波材料在一定频宽范围内对电磁波强烈的吸收，理想的情况是全吸收，即反射系数为零[2]。

由于各类材料的化学成分和微观结构不同，吸波机理也不尽相同。尽管如此，吸波材料的吸波性能还是可以用宏观的电磁理论进行分析，工程上也常常使用材料宏观的介电常数和磁导率来评价吸波材料的反射和传输特性材料吸收电磁波的基本条件是：一是电磁波入射到材料上时，它能尽可能不反射而最大限度地进入材料内部，即要求材料满足阻抗匹配；二

是进入材料内部的电磁波能迅速地几乎全部衰减掉，即要求材料满足衰减匹配。

吸波材料在隐身技术、保温节能以及人体防护方面有着广泛应用。尤其在军事隐身技术领域，随着美国U-2高空侦察机、B-2隐形轰炸机、F-117隐形战斗机和“海影”号试验船的出现，吸波材料开始显示出实际应用中无法取代的巨大优势[4]。

目前吸波材料的分类较多，现大致分成下面的四种：第一种按材料的成型工艺和承载能力，可分成涂覆型吸波材料和结构型吸波材料；第二种按吸波原理，吸波材料可分成吸收型吸波材料和干涉型吸波材料；第三种按材料的损耗机理，吸波材料可分成电阻型吸波材料、电介质型吸波材料和磁介质型吸波材料三大类；第四种按研究时期，吸波材料可分成传统型吸波材料和新型吸波材料[5-6]。

目前研究比较多的有铁氧体吸波材料、金属微粉吸波材料、纳米吸波材料、多晶铁纤维吸波材料、导电高聚物吸波材料、手性吸波材料、等离子型吸波材料以及光学透明吸波材料等。下面做部分介绍。

1. 铁氧体吸波材料

自然共振是铁氧体吸收电磁波的主要机制。所谓自然共振是指铁氧体在不加外恒磁场的情况下，由入射的交变磁场和晶体的磁性各向异性等效场共同作用产生的进动共振。当交变磁场的角频率和晶体的磁性各向异性等效场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。

按微观结构不同，铁氧体可分成磁铅石型、尖晶石型和石榴石刑三个主要系列。目前对前两者的研究较多，对石榴石刑研究较少。

六角晶系磁铅石型因其较高的磁性各向异性等效场而具有较高的自热共振频率，通常用作厘米波段和毫米波段的吸收剂，或通过掺杂以进一步展开频带。

尖晶石型铁氧体研究与应用的历史较长，但由于其电磁参数很难满足相对介电常数和相对磁导率尽可能接近的原则，因此单一材料难以满足频带宽、厚度薄和面密度小的要求，常把其粉末分散到磁性微粒中制成复合铁氧体材料，可以通过铁氧体的粒径、组成等来调整其电磁参数以改善铁氧体的吸波性能。

铁氧体吸波材料已经广泛应用于隐身技术，如B-2隐身轰炸机的机身和机翼蒙皮最外层涂覆有镍钴铁氧体吸波材料，TR-1高空侦察机上也使用了铁氧体吸波材料涂层。

铁氧体吸波材料的研究最近又有新进展。研究表明，在较低温度下，通过硬脂酸凝胶法可制成六角晶系铁氧体纳米晶，其电磁参数易于调节、介电常数较低、粒度均匀，吸波性能优于铁氧体微粉[3]。

2. 金属微粉吸波材料

金属微粉吸波材料主要是通过磁致损耗、涡流损耗衰减电磁波，一般由超细磁性金属粉末与高分子粘接复合而成，可以通过多相超细磁性金属粉末的混合比例来调节电磁参数使其达到较理想的吸波效果。

金属微粉吸波材料具有微波磁导率较高、温度稳定性较好（居里温度高达770K）等特点。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”隐身飞机使用了羰基铁微粉吸波材料。

金属微粉吸波材料主要有两类，一类是羰基金属微粉吸波材料。羰基金属微粉包括羰基铁、羰基镍和羰基钴，其中羰基铁微粉是最为常用的一种。羰基铁粉是由羰基铁化合物在预热的氮气氛围中热分解后由分离器将不同粒径的粉末分离并收集，或者通过激光束直接照射高纯的Fe(CO)5，在反应室中通过光敏剂引发其分解得到粉体。另一类是通过蒸发、还原、有机醇盐等工艺得到的磁性金属粉吸波材料，它们的电磁参数与组分、粒度密切相关[4]。

金属微粉吸波材料的缺点在于：抗氧化、耐酸碱能量差，远不如铁氧体；介电常数较大且频谱特性差，低频段吸收性能差；密度较大，其吸收剂体积占空间比一般大于50%[3]。