【內(nèi)容提要】

    電磁波吸收材料不僅可以賦予武器裝備雷達(dá)隱身性能，提高國防安全水平；還能夠吸收周圍環(huán)境中的電磁波污染，使人們免收電磁波的傷害。因此，無論在軍用還是民用領(lǐng)域中，吸波材料均具有極大的應(yīng)用價(jià)值。本文主要介紹了有關(guān)隱身吸波材料的基礎(chǔ)知識(shí)，包括以下五個(gè)方面：雷達(dá)隱身原理、電磁波吸收原理、吸波材料的發(fā)展歷程、材料吸波性能的評(píng)價(jià)和高分子基復(fù)合吸波材料。

    【1.引文】

    1991年1月17日拂曉，重兵把守的伊拉克指控和通信中心等大批重要設(shè)施遭到美軍的毀滅性打擊，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)的走向由此改變。然而在此次行動(dòng)中，伊軍所有的機(jī)載和地面雷達(dá)均為探測(cè)到任何敵方目標(biāo)。美軍的整個(gè)行動(dòng)宛如“鬼魅”一般，打的伊軍“丈二的和尚摸不著頭腦”，伊軍對(duì)此困惑不已。原來，美軍在此次行動(dòng)中使用了秘密武器—F117隱身戰(zhàn)斗機(jī)，這才使得伊軍未能及時(shí)做出反應(yīng)，并迅速地?cái)U(kuò)大戰(zhàn)果。

    圖1 美軍F-117夜鷹隱身戰(zhàn)斗機(jī)

    那么，隱身飛機(jī)為什么能夠隱身呢？飛機(jī)的隱身性能又與材料有什么關(guān)聯(lián)呢？

    【2.雷達(dá)隱身原理】

    這就要從飛機(jī)隱身的原理講起。在此之前，我們得確定一下，這里的隱身指的是雷達(dá)隱身，而不是小說中寫的肉眼看不到的光學(xué)隱身。

    雷達(dá)（Radar）全稱radio detection and arranging, 意為“無線電探測(cè)和測(cè)距”。顧名思義，雷達(dá)是通過發(fā)射電磁波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射并接收器回波，由此獲得目標(biāo)的距離，速度，方位和高度等信息。也就是說，如果目標(biāo)不反射電磁波，或者反射的電磁波不被雷達(dá)接收到，就能使雷達(dá)變?yōu)?ldquo;睜眼瞎”。這就是隱身飛機(jī)，或者廣義地說隱身武器，實(shí)現(xiàn)隱身的基本理論基礎(chǔ)。美軍的F-117外形像一個(gè)堆積起來的復(fù)雜多面體，大部分表面向后傾斜，具有大后掠機(jī)翼和V形垂尾。這種外形能使反射雷達(dá)波改變方向，產(chǎn)生散射，敵方雷達(dá)很難收到反射信號(hào)。除此之外，F(xiàn)-117的機(jī)身、機(jī)翼和垂尾大量采用了玻璃纖維、碳纖維等雷達(dá)隱身材料，能夠很好的吸收雷達(dá)波從而防止反射。

    基于此，科學(xué)家們主要通過“外在”與“內(nèi)在”兩種方式來賦予飛機(jī)隱身性能。第一種（外在），是讓照射到飛機(jī)表面的電磁波被散射到四面八方，反正就是不反射到雷達(dá)的方向， 來“瞎化”雷達(dá)。此方法需要對(duì)飛機(jī)的外形進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行大量的模擬計(jì)算，這屬于搞電子和物理的專業(yè)范疇。而第二種（內(nèi)在）方法是讓照射到飛機(jī)表面的電磁波不反射，直接進(jìn)入飛機(jī)內(nèi)部并被消耗掉。這種方法對(duì)材料的要求比較高。能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)隱身的材料首先要不反射電磁波，其次還要能夠把電磁波迅速地消耗掉，因此隱身材料也被成為吸波材料。但是吸波材料為什么能夠吸收電磁波呢？

    【3.吸波材料的電磁波吸收原理】

    我們先來看一下吸波材料的定義：吸波材料是指能把投射到它表面的電磁波，通過介質(zhì)損耗把電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式的能量。由此引出了吸波材料的兩個(gè)基本條件：1）入射電磁波最大限度的進(jìn)入材料內(nèi)部，而不是在其表面就被反射，即要滿足材料的阻抗匹配；2）進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波能幾乎全部被衰減掉，即衰減匹配。圖2為電磁波在經(jīng)過吸波材料的路徑圖。如圖所示，入射波在到達(dá)材料表面時(shí)會(huì)有一部分被反射走，而只有進(jìn)入材料內(nèi)部的這部分電磁波才有可能被衰減掉。因此，好的吸波材料幾乎不反射電磁波，而是將它們吸收到內(nèi)部并全部衰減掉。要想做到對(duì)電磁波的“關(guān)門打狗”，材料必須很好的滿足上述的兩個(gè)基本條件。這兩個(gè)基本條件幾乎成為了科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)吸波材料的指導(dǎo)方針。

    
    圖2 電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播路徑圖

    那么什么樣的材料才算好的吸波材料，材料的吸波性能又該如何評(píng)價(jià)呢？

    【4.吸波性能的評(píng)價(jià)】

    對(duì)于吸波材料的最基本要求有兩點(diǎn)：1.電磁波吸收能力強(qiáng)2.覆蓋頻率范圍寬。首先解釋一下電磁波吸收能力：目前學(xué)者們采用的最多的評(píng)價(jià)電磁波吸收能力的指標(biāo)主要有兩個(gè)：1）對(duì)電磁波的反射損耗 Reflection Loss （RL），單位dB，它表示材料對(duì)固定頻率電磁波的損耗能力，和2）RL<-10dB 的頻率寬度，也叫有效吸收寬度，代表能夠吸收90%能量電磁波的頻率范圍，單位GHz。圖3為典型的吸波材料性能曲線，其中縱坐標(biāo)為RL，橫坐標(biāo)為頻率。一般來講，曲線越靠下（即縱坐標(biāo)越小），有效吸收寬度（如圖3中標(biāo)示）越寬，材料的吸波性能越好。直觀來說，曲線與-10 dB橫線（圖3中紅線）圍成的面積（圖中陰影部分）越大，吸波性能越好。

   
    圖3 電磁波吸收性能曲線

    【5.吸波材料的發(fā)展歷程】

    早起的吸波材料主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域中。國外隱身技術(shù)及材料研究始于第二次世界大戰(zhàn)期間，起源在德國，發(fā)展在美國并擴(kuò)展到英、法、俄羅斯及日本等發(fā)達(dá)國家。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，成績斐然。

    圖4 美軍F-22猛禽隱身戰(zhàn)斗機(jī)與B-2幽靈隱身轟炸機(jī)

    從上個(gè)世紀(jì)50年代起美國開展隱身技術(shù)研究，經(jīng)過20多年的發(fā)展，70年代開始研制隱身飛機(jī)，80年代隱身飛機(jī)裝備部隊(duì)并投入使用。現(xiàn)已裝備的F-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)和B-2戰(zhàn)略轟炸機(jī)均采用了不同類型的隱身材料。

    圖5 電磁波不僅會(huì)嚴(yán)重干擾電子設(shè)備的正常運(yùn)行，更會(huì)損害人類的身心健康

    而近幾十年來，隨著電子信息科技的發(fā)展，越來越多的電磁波充斥著人們的生活空間，造成大量的電磁波污染。這些電磁波污染不僅不利于電子設(shè)備的正常運(yùn)行，更會(huì)損害人類的身心健康（如圖5所示）。因此，無論在軍事還是民用領(lǐng)域，吸波材料均具有十分重要的價(jià)值。傳統(tǒng)的金屬基的吸波材料由于質(zhì)量較重，耐濕、抗腐蝕性能較差等缺點(diǎn)，已不能滿足人們的需要。現(xiàn)今吸波材料的研究注要著眼于質(zhì)輕、耐濕抗腐蝕性能優(yōu)異的高分子基復(fù)合吸波材料。

    【6.高分子基復(fù)合吸波材料】

    高分子基復(fù)合吸波材料是有高分子基體和電磁波吸收劑（簡稱吸波劑）共混而成的。

    圖6 高分子基復(fù)合吸波材料的組成

    一般來講，此類吸波材料中，高分子基體作為透波介質(zhì)（即能夠良好的傳遞電磁波）對(duì)電磁波幾乎無損耗能力。真正起到吸波作用的是吸波劑。根據(jù)對(duì)電磁波的損耗機(jī)理不同，吸波劑可分為（1）電阻損耗型（炭黑、石墨、金屬粉、碳化硅，碳纖維等）（2）介電損耗型（氮化硅、氮化鐵、碳納米管、石墨烯等）和（3）磁損耗型（鐵氧體、羰基鐵、鐵鋇體等）三類。而高分子基體根據(jù)原料種類不同可分為以下四類：

    表1 高分子基吸波材料的分類及原料

    早期的高分子基復(fù)合吸波材料只是將吸波劑單純地與聚合物基體混合，此類吸波材料雖然具有一定的吸波能力，但總體性能還是較差。

    于是人們嘗試多種吸波劑復(fù)配使用來提高材料的電磁波吸收性能。如大連理工大學(xué)將Fe納米粒子（Fe NPs）和碳纖維（CFs）共同加入到環(huán)氧樹脂基體中（如圖7所示），獲得了優(yōu)異的電磁波吸收性能。其最小反射損耗為-26.8 dB，有效吸收寬度達(dá)4.9 GHz。

    
    圖7 碳纖維（CFs）/Fe納米粒子（Fe NPs）/環(huán)氧樹脂吸波復(fù)合材料

    不同吸波劑間的相互作用也會(huì)對(duì)吸波性能產(chǎn)生影響：南京航空航天大學(xué)將球狀羰基鐵（SCI）和還原氧化石墨（RGO）利用化學(xué)鍵連接起來，制備出了高效吸波劑（如圖8所示）。其有效吸收寬度達(dá)4.21GHz，最小的反射損耗低至-52.46dB。

    
    圖8 球狀羰基鐵（SCI）-還原氧化石墨烯（RGO）高效電磁波吸收劑

    隨著電磁波傳輸理論的引入，人們對(duì)吸波材料的結(jié)構(gòu)開始進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中最常見的就是層狀結(jié)構(gòu)。這是由于材料的分層現(xiàn)象會(huì)影響電磁波在其中的傳輸，利用此種影響就有望獲得優(yōu)異的吸波性能。西北工業(yè)大學(xué)的卿玉長教授等人將片狀羰基鐵和多壁碳納米管混入環(huán)氧樹脂中制備了復(fù)合材料。并采用不同含量的樣品堆疊成多層結(jié)構(gòu)，獲得了優(yōu)異的吸波性能（如圖9所示）。其有效吸收寬度達(dá)14.9 GHz。

    
    圖9 羰基鐵/多壁碳納米管/環(huán)氧樹脂多層吸波復(fù)合材料及其電磁波吸收性能

    除了層狀結(jié)構(gòu)外，科學(xué)工作者們還將聚合物基體進(jìn)行發(fā)泡，降低吸波材料的密度，以期獲得輕量化的吸波材料。材料中的這些泡孔能夠增加電磁波在材料內(nèi)部的反射，提高電磁波的吸收能力。最近，一種全碳的多孔材料展現(xiàn)出了超強(qiáng)的電磁波吸收性能：南開大學(xué)利用高溫處理制備的石墨烯泡沫（圖10），有效吸收寬度達(dá)60.5 GHz。真是一款強(qiáng)大的吸波材料！

    
    圖10 具有超強(qiáng)電磁波吸收性能的全碳石墨烯泡沫吸波材料

    【7.展望】

    “道高一尺，魔高一丈”。軍事探測(cè)手段的不斷更新?lián)Q代，使得對(duì)隱身吸波材料的要求也與日俱增。現(xiàn)在吸波材料正朝著輕量化、高強(qiáng)化、智能化的方向發(fā)展。因此，研究質(zhì)輕、高強(qiáng)、寬頻帶吸波材料以展寬有效吸收寬度，實(shí)現(xiàn)多頻譜隱身材料相兼容是隱身材料未來發(fā)展的一個(gè)主要方向。吸波材料路漫漫，我們共同來求索。