碳系复合材料的吸波特性及其应用

01引言

    在人类的发展历程中，电磁波科学做出了巨大贡献。现代战争中的搜索和跟踪能力正因为电子通讯和雷达的发展而得到极大提高，那么现代武器同时也受到了巨大威胁。隐身技术就是用来减小被侦查目标的雷达散射截面，从而减小雷达回波强度，从而大大提高了战争武器的作战能力和生存能力。

隐身技术的原理

    隐身技术可以划分为多个类别，如：可见光隐身技术、雷达隐身技术、红外隐身技术、激光隐身技术等。在战争中雷达的应用已经成为最可靠的探测手段，使用比例超过了60%以上，因此隐身技术的研究以雷达隐身技术为基础，向着高性能、多方位方向发展。

    隐身飞机的机理本质就像是黑色物体易吸收光一样，隐身飞机的表面材料会和电磁波相互作用。隐身飞机吸收电磁波后，通过吸波材料使电磁波转换成热能或其他形式的能量，从而最大程度地减少雷达回波，达到了隐身的效果。

02吸波材料简介

    吸波材料是隐身技术的核心，材料吸收电磁波的效果直接决定了飞机被雷达探测到的概率。

吸波材料的分类

    根据电磁波的吸收损耗机制可以分为介电损耗型，导电损耗型，磁损耗型三大类。

    ①介电损耗型吸波材料是指介质通过反复极化产生“摩擦”而将电磁能转化成热能消耗掉。②磁损耗型吸波材料通过磁滞损耗、涡旋损失、磁共振等损耗方式来实现损耗功能。③导电损耗型吸波材料的机制和材料的导电率有关，材料内部会产生对抗外界磁场的电流，并且这种电流会将外界磁场屏蔽掉。

    碳系材料作为介电损耗型和导电损耗型的吸波剂被广泛关注，而磁损耗型吸波材料的代表是铁磁性金属粉末、铁氧体等。

03碳系吸波材料

    碳材料主要是依靠介电损耗来完成对电磁波的衰减，存在一定的局限性。将纳米碳材料与金属材料( 如 Fe、 Ni、Co 等) 及其氧化物相复合，获得的复合材料既具有磁性金属材料较大饱和磁化强度的优越性能，又具备纳米碳基材料质轻、抗氧化性较好的优点，同时还满足对电磁波的磁损耗和介电损耗。

    电磁波入射到纳米碳基金属复合材料表面时，主要由产 生的界面极化、共振效应等来达到电磁波的衰减效果。

碳纤维复合吸波材料

    碳纤维是一种含碳量在90%以上，主要由高分子聚合物经过喷丝、加热、拉伸等工艺处理而成的纤维状碳材料，实心碳纤维具有良好的导电性能。当微波到达其表面时会发生强烈反射，无法达到吸波的效果，但是通过特殊工艺处理，如中空多孔碳纤维、螺旋型碳纤维等，可改良碳纤维材料的介电性能或者改变其微波反射方式，从而达到微波吸收的效果。碳纤维材料一般具有低密度、高强度、高模量、高耐腐蚀性等特点，故也常与其他电磁性材料复合，制备新型吸波材料。

    杨胜林等研究了Fe3O4碳纤维复合物的吸波性能，结果表明，引入Fe3O4 后电磁损耗增加，且包覆改性的的吸波效果优于共混改性。

碳纳米管(CNTs)复合材料

    碳纳米管是由碳原子的六角点阵二维石墨片绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝管状结构。其吸波机理主要是其作为偶极子在电磁场作用下产生耗散电流，耗散电流在周围的基体作用下被衰减，从而使得电磁能转化成热能耗散。

    与碳纤维不同，碳纳米管有着中控的结构可以进行填充改性。林海燕等研究了Fe填充碳纳米管复合材料的吸波性能。结果表明，样品反射率随吸收层匹配厚度的增大，吸收峰向低频方向迁移。吸收层在 Ku 波段具有较好的吸波效果。

(a) 未填充  (b)填充Fe

石墨烯-金属复合材料

    石墨烯是以sp2杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的二维材料。通过氧化－还原法制成的还原氧化石墨烯(rGO)中残留有大量的缺陷和官能团，使石墨烯的电导率降低，同时这些缺陷和官能团的出现可以产生费米能级的局域化态，均有利于电磁波的吸收和衰减。同时还原氧化石墨烯基的复合材料具有三维分层结构，容易实现电子传输，具有强烈的极化损耗。

    含有石墨烯的三元复合吸波材料是目前研究的热点之一，其中还原氧化石墨烯/磁性金属粉末/聚合物三元协同增强复合材料在近期发展迅速。    

石墨烯结构

04吸波材料的应用

隐身技术

   对于现代隐身飞机而言，在保证具有高性能的电磁波吸收性能外，其应用的吸波材料还应该具有轻、薄、有效吸波频率尽可能宽的特性，有效吸波频宽的特点即衰减小于-10dB的频率宽。

    美国B-1战略轰炸机由于涂复了吸收材料，其有效反射截面仅为B-52轰炸机的1/50;在0H-6和AH-1G型眼镜蛇直升机发动机的整流罩上涂复吸收材料后可使发动机的红外辐射减弱90%左右。在1990年的海湾战争中，美国首批进入伊拉克境内的F-117A飞机就是涂复了吸收材料的隐形飞机，它们有效避开了伊拉克的雷达监测。

    目前除了战斗机以外，坦克、舰艇等野越来越多的采用吸波材料来回避侦察电波。

F-117A

电子抗干扰

    随着电子技术的飞速发展，电子产品特别是移动通讯、计算机、家用电器的普及，人们生存环境遭受到电磁波严重污染，城市高层建筑的增多又引起电子环境的恶化。吸波材料在减轻电磁干扰的鞥方面有重要作用。例如吸波材料广泛应用于RFID/NFC和无线充电等领域，解决RFID/NFC面临的金属干扰，解决无线充电的发热问题，提高了无线充电的效率。

05总结

    截止目前，碳系吸波材料取得了一定的突破，但是距离“强、宽、轻、薄”的要求还有一定差距。从研究趋势和实际要求来看，碳基吸波材料的主要发展方向有材料复合、结构多样和机理协同等

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