纳米吸波材料

纳米吸波材料

0930402090 杨苏清

现代科学技术迅速发展，无形无迹的电磁波充斥着人们的生活空间，严重的电磁污染给地球的生态环境带来了严重的破坏，因此，研制开发新型吸波材料已经成为当今社会的热点；同时，随着现代军事技术的不断发展，战争越来越信息化，立体化，雷达探测技术的不断发展，现代军队为提高自身的生存和突防能力，也越来越多的应用到隐身技术，而作为隐身技术关键的吸波材料也成为各国军事科技力量研究和开发的重点和热点。

一、纳米吸波材料原理及特性

纳米材料是指特征尺寸在1～100nm的材料。纳米材料由于其自身结构上的特征而具有小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应，因而与同组分的常规材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能，在微波吸收方面显示出很好的发展前景。吸波材料是指能够吸收投射到它表面当今电磁波能量，并通过材料的介质损耗使电磁波能量转化为其他形式的能量的一类材料。

当一个微粒的尺寸小到纳米量级时，它的微观结构和性能既不同于原子、分子的微观体系，也不同于显示本征性质的大颗粒材料宏观体系，而是介于二者之间的一个过渡体系。纳米微粒尺寸小，比表面积大，具有很高的表面能，从而对其化学性质有很大影响。实验证明，粒子分散度提高到一定程度后，随着粒子直径的减小，位于粒子表面的原子数与总原子数的比值急剧增大，当粒径降为5nm 时，表面原子所占比例可达50%。由于表面原子数增加，微粒内原子数减少，使能带中的电子能级发生分裂，分裂后的能级间隔正处于微波的能量范围内(l×l0-2-l×lO-5eV)，从而导致新的吸波通道。一方面，纳米微粒尺寸远小于雷达波波长，对雷达波的透过率大大高于常规材料，这就大大降低了对雷达波的反射率；另一方面，纳米材料的比表面积比常规微粒大3～4个数量级，对雷达波和红外光波的吸收率也比常规材料高得多。此外，随着颗粒的细化，颗粒的表面效应和

量子尺寸效应变得突出，颗粒的界面极化和多重散射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，其间隔正处于微波能量范围(10:－2:10－5 eV)从而形成新的吸波通道。

二、吸波材料的主要应用

迄今为止，纳米吸波材料主要有民用和军用两大方面。

在民用上，纳米吸波材料主要应用于人体防护。

最早用于个人防护的服装出现于上世纪60年代，是金属丝和服饰纤维的混编织物，它对电磁辐射有一定的屏蔽作用，但是手感较硬，厚而重，服用性能较差。在此基础上，随后出现了金属纤维和服饰纤维混纺织物，其服用性能有较大的改善。但是，由于两种纤维难于混合均匀，屏蔽性能不很理想，还有尖端放电和刺人现象。到了70年代初，出现了镀银织物，其保护效果好，轻而薄，服用性能较好，但手感仍然较硬。由于电子产品的普及，接触电磁波的人越来越多，而化学镀银织物价格昂贵，因而不能得到广泛的应用。70年代末，国内外又研制成了化学镀铜或镍织物，用来代替镀银织物，其性能相似，但价格较低廉，为实际应用提供了有利条件。到了80年代，又研制出含多元素或多离子的织物，既可屏蔽电场，又可消除磁场，还可以阻隔少量的X射线、紫外线等。

如今，我们已经进入电子时代，科学技术的飞速发展和人类社会文明的不断进步，已经使人类处于一张"电磁辐射"的巨网之中。人类在追求生活质量的过程中，加强了自我防护和保护环境的意识。现代的人们对服饰的要求不仅仅是舒适、美观，他们还要求自己的服装能够最大限度的吸收微波。纳米吸波材料在这方面则显示出巨大的优越性，它质量轻、厚度薄、吸收的频带宽、吸收能力强，若能将其时装化，则将成为现代人最理想的服饰之一。

军事上主要是应用于雷达影身技术上。

为了提高国防系统中地面军事目标的生存力与导弹等武器系统的突防和纵深打击能力，发展和应用雷达隐身技术已经成为国防体系发展的重要

方向。隐身技术主要通过尽量减少目标对雷达、红外及其它光、电、声探测系统的显示特征而达到隐身的目的。其中，发展和应用雷达隐身技术已经成为国防体系发展的重要方向。雷达隐身技术是通过减弱、抑制、偏转目标的雷达回波强度或减小雷达散射截面积（RCS）来降低敌方雷达对目标的发现概率。其中能够实现雷达隐身技术重大突破的途径主要是发展高效的雷达吸波材料。

雷达吸波材料的种类按照材料损耗机理，吸波材料可分为电介质型和磁介质型。钛酸钡之类属于电介质型吸波材料，其机理为介电极化弛豫损耗；磁介质吸波材料具有较高的磁损耗正切角，依靠磁滞损耗、畴壁共振和后效损耗等磁极化衰减吸收电磁波，这类材料主要有铁氧体、多晶铁纤维和纳米相材料等。按吸收原理，吸波材料可分为吸收型和干涉型两类。吸收型吸波材料主要是材料本身对雷达波损耗吸收；干涉型吸波材料是利用吸波层表面反射波和底层反射波的振幅相等、相位相反进行干涉抵消。按材料成型工艺和承载能力，吸波材料可分为涂敷型和结构型。结构型吸波材料通常是将吸收剂分散在由特种纤维（如石英纤维、玻璃纤维等）增强的结构材料中所形成的结构复合材料；涂敷型吸波材料是将吸收剂与粘结剂混合后涂敷于目标表面形成吸波涂层。

三、纳米吸波材料的主要种类

1．纳米铁氧体及其复合物吸收剂：铁氧体属于亚铁磁性材料，按照微观结构不同，可以分为立方晶系尖晶石型、稀土石榴石型和六角晶系磁铅石型 3 种主要系列，均可作为吸波材料。铁氧体的μr 值特别是μr 值较高，吸收频带较宽，制备成本低廉，从而成为最常用的微波吸收剂。不足之处是密度大，温度适应性差。大多数铁氧体的特征峰落在 0.25～3Hz 内，因此虽在微波某几个频带内可供设计选用的铁氧体很多，但在 X，Ku 波段的铁氧体吸收剂则需要加以选择和深入研究。用传统烧结法制备的铁氧体粉末，产物粒径大，分布宽，某些组份易于挥发或发生偏析，理论密度一般为 5.0g/cm3，进一步降低则困难较大。近年来人们从多个方面对

铁氧体类吸波材料进行了广泛而深入的研究，主要集中在铁氧体及改性铁氧体的纳米化和铁氧体与其它材料复合两方面。如今已经广泛应用于制备纳米铁氧体超细粉末的方法很多，水热合成法、微乳液法、化学共沉淀法、溶胶-凝胶法等都是铁氧体纳米化的很好途径。铁氧体纳米颗粒与聚合物制成的复合材料能有效吸收和衰减电磁波及声波，减小反射和散射，被认为是一种极好的吸波材料。铁氧体纳米复合材料多层膜在7～17GHz频率段的峰值吸收为-40dB，小于-10dB的频宽为 2GHz。铁氧体纳米颗粒与聚合物复合材料在国外已进入实际应用阶段，但在其制造过程中，如何保证铁氧体纳米颗粒均匀地分布在聚合物中，至今尚未有资料透露。

2.纳米金属吸收剂：纳米金属磁性材料具有很高的饱和磁化强度，一般比铁氧体高4倍以上，可获得较高磁导率和磁损耗，且磁性能热稳定性高。金属纳米粉对电磁波特别是高频至光波频率范围内的电磁波具有优良的衰减性能。纳米金属与合金用作吸波剂主要是采取多相复合的方式，多以 Fe，Co，Ni等纳米金属与纳米合金粉体为主，其吸波性能优于单相纳米金属粉体，吸收率大于 10dB 的带宽可达

3.2GHz，谐振频率点的吸收率均大于 20dB，影响吸波性能的主要因素是复合体中各组元的比例，粒径，合金粉的显微结构。近年来人们对金属纳米吸波材料进行了大量研究工作，发现一些材料在厘米波段和毫米波段均具有优异的吸波效能，最高吸收率可达 99.95%。有些纳米合金颗粒不易氧化，甚至保存多年后性能仍不变，保证了微波频率下电磁参数不因颗粒的氧化而影响其性能，从而具有优异的微波吸收特性。金属 Al，Co，Ti，Cr，Nd，Mo，18-8 不锈钢等的超细粉作为微波吸收剂都有报道。但是金属吸波介质具有自身的缺点：磁损耗不够大，磁导率随频率升高而降低慢，对频率展宽不利，化学稳定性差，耐腐蚀性能不如铁氧体，需要进一步加以研究和探索。

3 .纳米陶瓷吸收剂纳米陶瓷吸收剂的应用可以追溯到二战期间，那时德国已把炭黑加入到机翼的夹层中来吸收雷达波。除炭黑外，纳米陶瓷粉体是陶瓷类吸收剂的一种新类型，主要包括纳米碳化硅粉，纳米氮化硅粉，

纳米 Si/C/N 及纳米 Si/C/N/O 等。日本用二氧化碳激光法研制出一种在厘米和毫米波段都有很好吸波性能的硅／碳／氮和硅／碳／氮／氧复合

吸收剂。纳米陶瓷类吸收剂的显著特点是在高温下抗氧化性较强，吸波性能稳定。碳化硅作为吸收剂已经进行了较多的研究，碳化硅不仅具有一定的吸波性能，能减弱发动机红外信号，而且具有耐高温、相对密度小、韧性好、强度大、电阻率高等优点，是国外发展很快的吸收剂之一。纳米碳化硅的吸收频带更宽，对毫米和厘米波段都有很好的吸收效果。纳米碳化硅和磁性纳米吸收剂（如纳米金属粉等）复合后，吸波效果还能大幅度提高，纳米量级的碳化硅晶须加入到纳米碳化硅吸收剂中也能使其吸波性能大大提高。纳米 Si/C/N 吸收剂的主要成分是碳化硅，氮化硅和自由碳，还可能存在 SiC（4-x）/4Nx/4、SiC（4-x）Nx/3（x=0～4）等物质，即在 SiC 中由 N 替代了 C 的位置，这样使 SiC 中的载流子浓度明显增大，从而有效提高其吸波性能。Si/C/N 纳米吸收剂主要依靠碳化硅、自由碳、SiC（4-x）/4Nx/4、SiC（4-x）Nx/3等吸收和衰减雷达波，而氮化硅的含量可以调整电阻率。Si/C/N/O纳米吸收剂的主要成分为 SiC、

Si3N4、Si2N2O、SiO2和自由碳。研究表明，Si/C/N 和 Si/C/N/O 纳米吸收剂不仅在毫米波段，而且在厘米波段都有很强的吸波性能。纳米氮化物吸收剂主要有氮化硅和氮化铁等，纳米氮化硅在 102～106Hz 有比较大的介电损耗，纳米氮化硅的这种强介电损耗是由于界面极化引起的，界面极化则是由悬挂双键所形成的电偶极矩产生的。纳米氮化铁具有很高的饱和磁感应强度，而且具有很高的饱和磁流密度，有可能成为性能优良的纳米雷达波吸收剂。

4. 纳米导电聚合物吸收剂：作为吸收剂的导电聚合物主要有聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺等，其结构特点是具有π电子共轭体系。有研究表明，当导电聚合物处于半导体状态时对微波有较好的吸收，吸波机理类似介电损耗型吸波材料。利用这类化合物共轭π电子的线性或平面构型以及高分子电荷转移给络合物的作用设计导电结构，制备出的导电聚合物的

纳米微粉具有非常好的吸波效果，与纳米金属吸收剂复合后吸波效果更好。

5.其他：除了以上几种纳米吸波材料外，目前应用和研究较多的还有手性吸波材料和盐类纳米吸收剂等。手性材料是在基体材料中掺杂手性结构物质形成的手性复合材料，这材料能够减少入射电磁波的反射并吸收电磁波。手性吸收剂的优势在于手性参数容易调节，且对频率敏感性低，实现宽频吸收；盐类吸收剂具有强极化特性，雷达波被这种盐吸收时，能量将转变为热能而耗散掉，某种特定类型的盐可吸收特定波长的雷达波，2mm 厚盐类吸收涂层，在6~13GHz内反射率小于10dB，雷达散射截面降低80%，但盐类吸收剂有个缺点就是工艺粘接性不佳。

四、展望

纳米吸波材料具有质量轻、频带宽和性能好等特点，应用范围广。相同材料情况下，纳米材料明显更优，能够满足时代的发展对吸波材料的要求。可以预见，纳米吸波材料将在未来于保温节能，环境保护、人体防护、军事隐身技术方面发挥巨大的作用。