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2010-1011学年第2学期《功能材料》期末考试
超轻超宽带电磁波吸收材料研究动态
（海南大学材料与化工学院，材料科学与工程系）
摘 要：结合超宽带新体制雷达的研究动态及军事应用潜力，说明研制超轻超宽带吸波材料的必要性。并就多种新型吸收剂及雷达吸波材料的吸波性能，应用现状等方面做了介绍。关键词：超宽带雷达；新型吸波材料;研究进展
所谓雷达吸波材料(简称吸波材料)是指能够吸收衰减入射的电磁波，并将其电磁能转换成热能而耗散掉或使电磁波因干涉而消失的一类材料［1］。吸波材料在军事中起着无可比拟的作用。1991年在海湾战争中，美方F-117A隐形飞机在历时42天的战斗中执行任务1270架次，摧毁伊军95%的重要军事目标而无一架损毁。但是随着新体制雷达及反隐身技术研究的深入，迫切需要开发吸收强、频带宽、质量轻、厚度薄的新型吸波材料，以使我们在未来的战争中立于不败之地。
1新型雷达吸波材料分类
新型雷达吸波材料分类标准有很多。按吸波原理来分，吸波材料可分为吸波型和干涉型。按材料对电磁波的损耗机理来分，吸波材料可分为导电损耗型、介电损耗型和磁损耗型三类[2]。电损耗型吸波材料按成型工艺和承载能力，又可分为涂层、贴片、泡沫及结构吸波材料等[3] 按材料的成型工艺和承载能力来分，吸波材料可分为涂敷型吸波材料和结构型吸波材料。
1.1涂层型吸波材料
一直以来，对于各种飞行器来说，可行且比较简单的隐身技术主要是在其表面涂上一层吸波层。吸波层的大体做法是将吸收剂(金属或合金粉末、铁氧体、导电纤维等)与粘合剂混合后，涂覆于目标表面形成吸波层。现实中对吸波涂层的要求是薄、轻、宽[4]。薄即厚度薄，轻即质量轻，宽即吸收频带宽。吸波涂层的作用是吸收入射的电磁波，并将电磁能转换成热能损耗掉。涂层型吸波材料可以分为下面几类： 1.1.1铁氧体吸波材料
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铁氧体吸波材料是研究较多而且比较成熟的吸波材料，它在高频下有较高的磁导率，电阻率也较大，电磁波易于进入并快速衰减，因此被广泛地应用在雷达吸波材料领域中。铁氧体吸波材料通常分为尖晶石型铁氧体与六角晶系铁氧体两种类型。国内对铁氧体吸波材料主要有安徽大学，武汉理工大学等。国外的技术要比国内好的多。例如日本Tohoku大学对通过控制BaFe12-xTi0.5Mn0.5）xO19取代量x 调整复数磁导率的大小，能够获得宽的吸收频带，并且混合两种铁氧体能够获得更宽的吸波频带。1.1.2空心微珠吸波材料
空心微珠按其形成的方式,可分为人造微珠和粉煤灰空心微珠。其具有颗粒微细、中空、质轻、耐温高、绝缘、化学性能稳定等特性，故其用途涉及到各个领域[6]。空心微珠的加入不仅会降低材料的密度,而且会提高材料的刚度、强度、绝缘性等。近年来,国外对空心微珠开展了较多研究,美国以3um左右玻璃球为载体,镀上以Ni,Al,W等为损耗层的10nm左右薄膜。当采用厚度为2nm的球形多层颗粒膜时，在8-18GHz频率范围厚度为2.5mm时,吸收率可达-20dB[7]。葛凯勇等利用化学镀镍对空心微珠表面进行镀镍改性,改性后的微珠表面均匀的附着金属镍,用其制备的吸波材料在16.6-18GHz波段吸收率小于-10dB,最大吸收率可达-13dB[8]。
1.1.3纳米吸波涂层材料
纳米材料是指材料组分的特征尺寸处于纳米量级(1 nm-100 nm)的材料[9]。纳米材料具有极好的吸波特性，同时具有宽频带、兼容性好、质量好和厚度薄等特点，其特殊结构引起的量子尺寸效应和隧道效应等，导致它产生许多不同于常规材料的特异性能。以及它的高透过率等诸多优点，很多国家都把纳米材料作为新一代吸波材料加以研究和探索。沈增民等用竖式炉浮游法制备的碳纳米管的外径为40-70nm，内径为7-10nm，长度为50-1000um，碳纳米管呈直线状,用化学镀方法在碳纳米管的表面镀上一层均匀的过渡金属镍。碳纳米管吸波涂层在厚度为0.97mm时，在8-18GHz,反射率
多晶纤维吸波材料是靠涡流耗损和磁滞损耗一起构成磁损耗,在外界交变电磁场的作用下,纤维内的自由电子产生振荡运动,产生振荡电流,将电磁波的能量转换为热能而损耗掉。它是一种质轻的磁性雷达波吸收剂,具有吸收强、频带宽、面密度低等特点,克服了大多数磁性吸收剂存在的严重缺点[11]。美国3M公司研制出的亚微米级多晶铁纤维吸波涂层在4-6GHz
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频带内的反射率低于-5dB，在6-0GHz频带内的反射率低于10dB，在10.5-3.5GHz频带内的反射率低于-20dB[12]。欧洲伽玛(GAMMA)公司研制出一种新型雷达波吸收涂层,采用多晶铁纤维作为吸收剂,这是一种轻质的磁性雷达波吸收剂,可在很宽的频带内实现高吸收效果,且质量减轻40%-60%。据报道,该技术已成功用于法国国家战略防御部队服役的导弹和载入飞行器[11]。
1.1.5手性吸波涂料
手性吸波材料是利用手性物质的旋光色散性吸收电磁波能量的。其具有吸波频率高、吸收频带宽的优点，并可通过调节旋波参量来改善吸波特性在提高吸收性能、扩展吸波带宽方面具有很大潜能[11]。俄罗斯Teriyaki(1995，1996)理论计算了含单圈螺旋体的手性复合体的电磁波反射衰减，0-12GHz最高达35dB，此后他在芬兰与semchenk(2001)一道从理论上报道了电磁波与人造手性体层叠结构吸波材料的相互作用，采用多圈金属螺旋线圈成同轴排列。国内GC.Sun(2000)实验证实，在Fe3O4聚苯胺复合体中加人手性体(3圈铜螺线圈)后，最小反射衰减分别为25dB(未加人时为17.8dB)。国内外的手性吸波实验研究大多采用石蜡、环氧树脂、聚苯胺等进行粘合，康青等人还在混凝土中引人手性吸波材料，其结果令人满意[13]。
1.1.6导电高聚物吸波涂料
导电高聚物是由具有共轭π-键的高聚物经化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转变为导体的一类高分子材料,其导电机制一般认为是掺杂导电高聚物的载流子是孤子、极化子和双极化子等[8]。美国已研制出一种由导电高聚物复合成的雷达吸波材料。这种吸波材料具有光学透明特性，可以喷涂在飞机座舱盖、精确制导武器和巡航导弹的光学透明窗口上，以减弱目标的雷达回波。这种导电聚合物为聚苯胺混合物，可使材料导电性发生改变，从而提高其对雷达波的吸收能力[14]。
另外，可见光、红外及雷达兼容吸波材料，智能材料等新型的超轻超宽带电磁波吸收材料也是众多材料专家研究的方向。相信不久的将来，关于这方面的成绩就会展现在大家面前。
1.2其它类型的吸波材料
近几年，其他类型材料也在蓬勃发展。例如，而多孔层叠吸波材料[15]具有低体密度、宽吸波频段、强吸收性能等特点，既可应用于测试场背景处理材料，也可将其作为芯材料、武器材料等。夹层结构复合材料是一种典型的轻质、高强度、高刚度的新型材料，其有泡沫夹芯和蜂窝夹芯两种最重要的形式。在航空航人等领域中有着极其重要的应用价值[16]。
结构型吸波材料是一种新型的功能复合材料，它是在涂敷型吸波材料与先进复合材料的2010-1011学年第2学期《功能材料》期末考试
基础上发展起来的，这种材料既具有复合材料的重量轻、强度高、刚性好等优点，又克服了涂敷型吸波材料的增重大，高速飞行时易脱落等缺点。由于它兼具承载与吸波两大功能，是当代吸波材料发展的主要方向[17]。美国比较注重这方面的研究，国内这方面的研究较少。其热门研究[18]主要有热塑性混杂纱吸波复合材料，多层结构型和多层夹芯结构型吸波复合材料，耐高温结构型吸波复合材料，C/C材料、智能结构型吸波复合材料等。其大部分已经用于实践中。超宽带雷达及反隐身技术研究现状
超宽带雷达(又称冲击雷达或无载波雷达)，指工作带宽大于或等于其中心频率25%的雷达。具有高的距离分辨率、低截获概率、反隐身、抗干扰、抗反辐射导弹、强穿透力等常规雷达无法比拟的优点［19］。自上世纪50年代末开始发展至今，已有200多篇UWB论文在IEEE上发表,获得100多项专例［20］。由于商界的推动及而今的军事需求，超宽带雷达已趋于成熟。下面简单介绍几种新型超宽带雷达。
斯坦福研究所所研制的机载商用雷达，工作频段为200 MHz-400 MHz。还研究出了第一部VHF GPR SAR，工作频段为200 MHz-600 MHz，分辨率为1 m×1 m，带宽达200 MHz×2。美国ARL(Army Research Laboratory)为研究叶簇和地下埋藏目标的基本特性,解决地雷探测问题而研制的低频、宽波束、超宽带基地合成孔径雷达系统撑竿合成孔径雷达(BoomSAR)系统，其带宽宽达60 MHz-1.1 GHz，瞬时带宽1 GHz，距离分辨率小于0.3m［21，22］。
瑞典国防研究军事组织(FOA-Defense Research Establishment)研制出一种超宽带、宽波束机载雷达系统相干全无线电频段传感器(CARABAS)。他的第一代机载SAR传感器CARABASⅠ已于1992年投入使用。第二代CARABASⅡ于1996年10月进行了首次飞行试验，目前处于测试与定标阶段。其频率范围介于20-90 MHz(HF高端和VHF低端)，信号带宽70 MHz，方位向分辨率1.5 m，离向分辨率3m［23］。1994年由美国密歇根环境研究学院升级的UHF UWB SAR，频率范围为215-900 MHz，信号带宽509 MHz，距离向分辨率为0.33 m，方位向分辨率为0.663m［24］。且早已用于海军军事活动中。
美国防御评估研究机构研制的DERA UWB SAR堪称世界带宽最宽、分辨率最高的雷达。其工作频段为200 MHz-3.2 GHz，瞬时带宽为3 G，分辨率为0.5 m×0.05 m(方位向可优于0.3 m)［25］。已经在科索沃地区进行了多次实际军事应用潜力巨大，在未来战争中的作用令人惊叹！
目前许多吸波材料研发技术己经比较成熟，如被称为“铁球”的APP-021吸波涂料、4
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Dallenbach层和Jaumann吸收体等
。随着隐身技术的发展，反隐身技术也在酝酿。隐身的物体在不同的观察角度，隐身能力是不同的，采用双基地、多基地雷达，即发射机和接收机异地配置，这样就可以接收到隐身物体偏转了的雷达回波，使目标暴露。还可以采用长波雷达，现存隐身技术一般是对付厘米雷达的，波长较长时，隐身性能减弱，因此长波雷达便显示了极大的优势。与此同时，高功率微波束武器由于其可以极易伤害隐身材料，因此也是反隐身技术发展的一个方向
［27］。
3.结束语
综上所述，吸波材料在军事领域中起着举足轻重的作用。虽然新型超轻超宽带电磁波吸收材料的研究已经在各个国家开展，但是目前，只是起步阶段。其在民用方面仅仅用于微波暗室里的测试[28]。现在应用的吸波材料仍存在频带窄、效率低、密度大等缺点，应用范围受到一定限制。在此领域的研究前景还是非常广阔。
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