.548. 工程科学学报，第41卷，第5期 materials. KEY WORDS core-shell;microwave absorption;structure;composite;property 随着反隐身技术迅速发展，火力毁伤武器的迭 和透射三种交互过程.电磁波反射的部分仅在空气 代更新、现代化武器装备的战场生存能力也经受着 和材料的界面处短暂停留，与材料内部没有发生能 严峻的考验.在超视距的现代战争中，雷达探测技 量交换；入射的部分进入材料后一部分被吸收，转换 术是目前运用最为广泛的方法，因此降低雷达反射 为其他形式的能量损耗掉，另一部分则能够透过材 回波的信号，成为武器装备提高隐身能力的最重要 料介质进入下一界面].因此为实现吸波材料对 的途径).通常，隐身技术分为结构隐身和材料隐 电磁波的高效吸收，必须满足两个基本条件：一是电 身，合理的外形结构设计可以降低武器装备的雷达 磁波与材料接触时，尽可能全部进入材料内部而不 截面积(RCS)值，但是由于外形结构成本较高且容 反射：二是进入材料内部的电磁波尽可能被全部 易降低装备的综合性能，因此在应用上存在很多局 损耗 限：而材料隐身技术相对简单，设计难度较低，所以 宏观上，材料的电磁参数，即复介电常数（ε，= 隐身材料的研发和应用在隐身技术领域倍受人们青 s'+j")和复磁导率(.=u'+ju")(G为虚数符号) 睐.吸波材料能够吸收并衰减电磁波，并将电磁波 决定了材料对电磁波吸收能力.首先，材料阻抗值 干涉相消或转化为热能耗散掉.一般地，吸波材料 和空气阻抗值的匹配程度能够调节电磁波在界面处 按照其损耗机制可分为电阻型损耗、介电型损耗和 反射和入射的比例，如果材料和空气的阻抗值越接 磁损耗型材料2-].目前，研究得较为成熟的吸波材 近，则电磁波反射的部分越少，电磁波便能最大限度 料有铁氧体、金属微粉、钛酸钡、碳化硅、石墨和导电 地进入材料).这要求材料的E和4，尽可能接近， 纤维等5].这些传统吸波材料虽具有成本低、灵活 性好和易加工等优点，但是因其组分单一，往往存在 然而在多数情况下材料的ε都远大于4，[2].另外 对于材料的衰减特性，电磁参数也是重要的影响因 阻抗匹配性能差、吸收频带窄、强度有限、不耐高温、 涂层厚度厚等缺陷，越来越难以满足现代吸波材料 素.ε'和ε"分别为复介电常数的实部和虚部，代表 所强调的“薄、轻、宽、强、热”的需求 材料在外加电场下对电的储存能力和损耗能力：μ 和"分别为复磁导率的实部和虚部，代表材料在外 针对单组分传统吸波材料的不足，将不同损耗 类型的材料进行复合是改善吸波性能的可行思路. 加磁场下对磁的储存能力和损耗能力.在设计电磁 另外，材料的吸波性能不仅与它的组分相关，材料结 参数时，一方面要提高材料特定的电磁参数以增强 构也是影响吸波性能的重要因素.例如，介孔材料 其电磁损耗，同时也要使其处在一个合理范围内，保 因其高的比表面积在电磁场激化作用下易产生极化 证材料具有较好的阻抗匹配[3-4]. 弛豫，其性能相比于传统结构的吸波材料有所提 微观上，电磁波的衰减是基于微粒的散射和吸 升[8】.高温退火后的Fe微米片[]，其片状结构可以 收作用的双重结果.电磁波在微粒间的散射是一种 增强微观磁性从而获得较强的反射损耗.核壳型吸 复杂的物理现象，其实质是介质微粒获得入射电磁 波剂是以一个球形颗粒为核，在外表面包覆一层或 波的能量5)，从而形成以自身为波源的次生电磁 多层异质材料而形成的复合多相结构，其具有特殊 波，衰减入射电磁波在原传播方向的能量.电磁波 的电磁结构，且能够兼具内核材料及外层异质材料 的散射特性与材料的粒径密切相关，当材料粒径远 的物化特性，不仅能够使多种材料电磁性能匹配互 小于入射波长时，主要是瑞利散射1]：而当材料粒 补，还能够改善提升材料的耐高温、耐腐蚀及抗氧化 径与入射波长接近时，主要是米氏散射[].电磁波 的综合特性，从而获得良好的吸波特性及环境适应 在微粒中的传输衰减过程，是电磁波与微粒相互作 性，因此在吸波领域具有广阔的应用前景.本文在 用的过程.微粒对电磁波的吸收衰减最终通过吸波 总结吸波材料工作原理的基础上对铁氧体型、磁性 介质的电阻损耗、介电损耗和磁损耗等一系列损耗 金属微粉及其氧化物型、陶瓷型、导电聚合物型、碳 机制实现 材料型核壳结构材料进行了评述，并对下一步的研 核壳结构材料往住是以球形或者类球形的颗粒 究方向进行了展望，以期为相关研究人员提供参考. 为核，在表面包裹单层或者多层壳质而形成的复相 材料，其核壳以及壳层之间通过分子间作用力、库仑 1 吸波材料工作原理 力作用或者吸附层媒介作用相结合[1].作为一种 电磁波在经过材料的过程中，会发生反射、吸收 特殊的复合吸波材料，同样也满足上述吸波规律，但工程科学学报,第 41 卷,第 5 期 materials. KEY WORDS core鄄shell; microwave absorption; structure; composite; property 随着反隐身技术迅速发展,火力毁伤武器的迭 代更新、现代化武器装备的战场生存能力也经受着 严峻的考验. 在超视距的现代战争中,雷达探测技 术是目前运用最为广泛的方法,因此降低雷达反射 回波的信号,成为武器装备提高隐身能力的最重要 的途径[1] . 通常,隐身技术分为结构隐身和材料隐 身,合理的外形结构设计可以降低武器装备的雷达 截面积(RCS)值,但是由于外形结构成本较高且容 易降低装备的综合性能,因此在应用上存在很多局 限;而材料隐身技术相对简单,设计难度较低,所以 隐身材料的研发和应用在隐身技术领域倍受人们青 睐. 吸波材料能够吸收并衰减电磁波,并将电磁波 干涉相消或转化为热能耗散掉. 一般地,吸波材料 按照其损耗机制可分为电阻型损耗、介电型损耗和 磁损耗型材料[2鄄鄄4] . 目前,研究得较为成熟的吸波材 料有铁氧体、金属微粉、钛酸钡、碳化硅、石墨和导电 纤维等[5鄄鄄7] . 这些传统吸波材料虽具有成本低、灵活 性好和易加工等优点,但是因其组分单一,往往存在 阻抗匹配性能差、吸收频带窄、强度有限、不耐高温、 涂层厚度厚等缺陷,越来越难以满足现代吸波材料 所强调的“薄、轻、宽、强、热冶的需求. 针对单组分传统吸波材料的不足,将不同损耗 类型的材料进行复合是改善吸波性能的可行思路. 另外,材料的吸波性能不仅与它的组分相关,材料结 构也是影响吸波性能的重要因素. 例如,介孔材料 因其高的比表面积在电磁场激化作用下易产生极化 弛豫,其性能相比于传统结构的吸波材料有所提 升[8] . 高温退火后的 Fe 微米片[9] ,其片状结构可以 增强微观磁性从而获得较强的反射损耗. 核壳型吸 波剂是以一个球形颗粒为核,在外表面包覆一层或 多层异质材料而形成的复合多相结构,其具有特殊 的电磁结构,且能够兼具内核材料及外层异质材料 的物化特性,不仅能够使多种材料电磁性能匹配互 补,还能够改善提升材料的耐高温、耐腐蚀及抗氧化 的综合特性,从而获得良好的吸波特性及环境适应 性,因此在吸波领域具有广阔的应用前景. 本文在 总结吸波材料工作原理的基础上对铁氧体型、磁性 金属微粉及其氧化物型、陶瓷型、导电聚合物型、碳 材料型核壳结构材料进行了评述,并对下一步的研 究方向进行了展望,以期为相关研究人员提供参考. 1 吸波材料工作原理 电磁波在经过材料的过程中,会发生反射、吸收 和透射三种交互过程. 电磁波反射的部分仅在空气 和材料的界面处短暂停留,与材料内部没有发生能 量交换;入射的部分进入材料后一部分被吸收,转换 为其他形式的能量损耗掉,另一部分则能够透过材 料介质进入下一界面[10] . 因此为实现吸波材料对 电磁波的高效吸收,必须满足两个基本条件:一是电 磁波与材料接触时,尽可能全部进入材料内部而不 反射;二是进入材料内部的电磁波尽可能被全部 损耗. 宏观上,材料的电磁参数,即复介电常数( 着r = 着忆 + j着义)和复磁导率(滋r = 滋忆 + j滋义) ( j 为虚数符号) 决定了材料对电磁波吸收能力. 首先,材料阻抗值 和空气阻抗值的匹配程度能够调节电磁波在界面处 反射和入射的比例,如果材料和空气的阻抗值越接 近,则电磁波反射的部分越少,电磁波便能最大限度 地进入材料[11] . 这要求材料的 着r和 滋r尽可能接近, 然而在多数情况下材料的 着r都远大于 滋r [12] . 另外 对于材料的衰减特性,电磁参数也是重要的影响因 素. 着忆和 着义分别为复介电常数的实部和虚部,代表 材料在外加电场下对电的储存能力和损耗能力;滋忆 和 滋义分别为复磁导率的实部和虚部,代表材料在外 加磁场下对磁的储存能力和损耗能力. 在设计电磁 参数时,一方面要提高材料特定的电磁参数以增强 其电磁损耗,同时也要使其处在一个合理范围内,保 证材料具有较好的阻抗匹配[13鄄鄄14] . 微观上,电磁波的衰减是基于微粒的散射和吸 收作用的双重结果. 电磁波在微粒间的散射是一种 复杂的物理现象,其实质是介质微粒获得入射电磁 波的能量[15] ,从而形成以自身为波源的次生电磁 波,衰减入射电磁波在原传播方向的能量. 电磁波 的散射特性与材料的粒径密切相关,当材料粒径远 小于入射波长时,主要是瑞利散射[16] ;而当材料粒 径与入射波长接近时,主要是米氏散射[17] . 电磁波 在微粒中的传输衰减过程,是电磁波与微粒相互作 用的过程. 微粒对电磁波的吸收衰减最终通过吸波 介质的电阻损耗、介电损耗和磁损耗等一系列损耗 机制实现. 核壳结构材料往往是以球形或者类球形的颗粒 为核,在表面包裹单层或者多层壳质而形成的复相 材料,其核壳以及壳层之间通过分子间作用力、库仑 力作用或者吸附层媒介作用相结合[18] . 作为一种 特殊的复合吸波材料,同样也满足上述吸波规律,但 ·548·