Progress of wave-absorbing materials/structures and wave absorbing-load bearing multifunctional structures
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摘要: 随着现代科学技术的迅速发展，电子信息设备的普及极大改善了人们的生活质量，但随之也带来了电磁干扰与电磁辐射等安全问题，尤其是对于国防军工领域，雷达测试技术的改进升级使武器装备的生存力面对巨大威胁。因此迫切需要开发高性能的电磁吸波材料来抑制电磁干扰与辐射，防止信息泄露。本文以吸波材料与吸波结构应用为切入点，对各种吸波材料的电磁波损耗机制进行了系统地整理，同时探讨了吸波结构的主要应用手段，并以此为基础阐述了吸波材料与吸波结构的研究现状与发展趋势，进一步分析了目前研究发展中吸波材料与吸波结构具备的优势与不足，最后提炼出了吸波领域未来需要解决的关键科学问题，针对现今吸波材料与结构功能一体化研究的不足，提出了关于未来研究方向的关键性建议。在此所讨论的方法与提出的策略有望对未来吸波-承载结构创新型设计提供一定的指导。Abstract: With the rapid advancement of modern science and technology, the widespread adoption of electronic information devices has significantly enhanced the quality of human life. However, security issues such as electromagnetic interference and leakage are arose with this progress. These issues become particularly pronounced in the field of national defense and military technology, where the improvement and upgrading of radar testing technologies pose substantial threats to the survivability of weaponry systems. Consequently, there is an urgent need to develop high-performance electromagnetic absorption materials to suppress electromagnetic interference and radiation, thereby preventing information leakage. This article takes the application of absorption materials and absorption structures as its starting point, systematically organizing the electromagnetic wave loss mechanism of various absorption materials. Simultaneously, it explores the primary means of application for absorption structures. Building upon this foundation, the current state and future trends of research on absorption materials and structures are elucidated. Furthermore, a comprehensive analysis of the advantages and shortcomings inherent in current research and development is undertaken, culminating in the identification of key scientific issues that the field of absorption must address in the future. In response to the current inadequacies in the integration of absorption materials and structural functionality, pivotal recommendations regarding future research directions are proposed. The methods discussed and strategies put forth herein are poised to provide valuable guidance for innovative designs in the realm of absorption-bearing structures in the future.
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现代化科学技术的迅猛发展使人们生活方式发生了巨大的变化，电磁波的应用开启了信息革命的新时代[1-3]。雷达、计算机、移动等通信设备都是以电磁波为载体进行数据传输，它们极大地改善了人类生活质量，但同时也带来了许多问题[4-6]。据科学研究表明，电磁波产生的电磁辐射与电磁干扰一方面会对身体造成极大的危害，另一方面会干扰精密电子设备，从而影响其性能与使用寿命[7-10]。更重要的是，在军事领域，雷达等设备利用电磁波可以定位目标，实现精准打击。为了躲避雷达的追踪，提高装备的生存力，开发吸波材料与结构实现电磁波吸收和衰减具有重要价值[11-13]。传统的吸波材料主要以介电损耗材料与磁损耗材料为主，其中介电损耗材料主要以炭系材料及导电高分子材料为代表。例如，Han等[14]通过在CO2气氛中退火多层二维过渡金属碳化物Ti3C2，获得了具有特殊结构的无序二维碳层。层状碳/二氧化钛复合材料(C/TiO2)的最小反射系数达到−36 dB，有效吸收带宽范围为3.6~18 GHz，可调厚度为1.7~5 mm。Zhang等[15]研究人员合成了具有三维结构的纤维素骨架，在其表面添加了聚苯胺导电聚合物，实现了6.04 GHz的宽频和–54.76 dB的强吸收强度。而磁损耗材料以铁及其金属氧化物为主。如Qu等[16]开发了一种四氧化三铁/铁(Fe3O4-Fe)纳米粒子，他们将这种纳米粒子均匀地锚定在石墨烯片上，测得该复合材料最小反射损耗(RL)值可达到−30 dB。Wang等[17]通过溶热法和退货处理合成了一种氧化锌/氧化钴复合材料(ZnO/Co3O4)，这种复合结构的吸波材料具有传输损耗、共振和涡流损耗等多重特性。当氧化锌空心球的添加量达到5 mg时，该复合材料最小反射损耗为55.42 dB，匹配厚度为1.99 mm。后续人们研究发现，同时利用磁损耗材料与电损耗材料能够增强对电磁波的强衰减效果。如Shu等[18]利用多壁碳纳米管(MWCNTs)植入氧化钴(Co3O4)制成一种导电网络结构，同时具备电损耗与磁损耗双重特性，它可控制调整电磁特性并优化低频微波吸收。在3.44 GHz时，最小反射损耗达到−61.4 dB。Xiang等[19]采用一种简单的方法成功地获得了金属有机框架衍生的纳米多孔四氧化三铁@氮掺杂的多孔碳(Fe3O4@NPC)复合材料，通过介电损耗和磁损耗之间的协同作用，该复合材料在9.8 GHz 频率下实现−65.5 dB的强反射损耗(RL)及4.5 GHz的宽吸收带宽(RL<−10 dB)。
然而，在国防军工领域，航空航天、武器装备既要求满足“薄、轻、宽、强”的吸收特性，又要求具有优异的稳定性及承载性能，以适应复杂多变的应用环境[20-21]。传统的单一吸波材料已无法满足当前对装备综合性能的要求。基于此需求，在吸波材料的基础之上引入新型吸波结构实现材料/结构功能一体化逐渐成为了研究热点。通过引入吸波结构不仅能够实现电磁波吸收，另外对装备的力学承载能力也大幅提升，例如，Pang等[22]采用浸渍的方法制备了一种羰基铁粉/炭黑/环氧树脂涂层的蜂窝夹层结构，其不仅有很好的力学性能，有效吸收带宽约9.8 GHz，覆盖了多个波段。Huang等[23]提出了一种碳纤维(CF)增强柔性超薄的层次化超结构(HM)，它由包括羰基铁(CI)和MWCNT在内的损耗材料组成。随后对周期性单元尺寸进行了优化，并研究了结构尺寸对吸收性能的影响。所设计并制备吸波结构实现了宽带吸收，其实测反射率在2~4 GHz和8~40 GHz频段内均低于−10 dB，2~40 GHz全频段内RL在−8 dB以下。随着CF的加入，HM的屈服应力增加到24 MPa，复合材料的断裂应变达到550%。此外，Jiao等[24]设计了一种碳纤维/聚酰亚胺泡沫多孔复合材料。通过精确制碳纤维吸收剂的量，可以很容易地调控吸波性能，从而实现显著的电磁波衰减能力。研究表明，室温下可以达到14 GHz的超宽带吸收，此外，碳纤维/聚酰亚胺泡沫复合材料的质量轻，密度仅为110 mg/cm3，同时在453 K温度时也具有1.05 MPa的高抗压强度，也满足了工程应用的要求。目前吸波材料结构功能一体化结构应用涉及海、陆、空、天等诸多领域，包括战斗机表面蒙皮、运载火箭头罩、舰船通风格栅及装甲车外壳等，如图1所示。因此未来结合吸波材料与吸波结构的优势，开发新型吸波-承载多功能一体化的结构已成为未来的热点方向，这将为国防军事等领域防护装备的综合性能提升开辟新路径。本文从吸波材料与吸波结构两方面入手，分别阐述了吸波材料吸收原理及吸波结构应用的方式，提出了未来主要发展方向。
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图 1 吸波材料结构功能一体化结构应用EMI—Electromagnetic interferenceFigure 1. Wave-absorbing material structure functionally integrated structure application1. 吸波材料电磁波损耗机制
国内外学者已经对吸波材料进行了多方面的研究，根据电磁波损耗机制主要分为介电损耗材料(电阻型吸波材料和电介质型吸波材料)和磁损耗型吸波材料。介电损耗型吸波材料的电磁波损耗能力主要源于材料的极化损耗和电导损耗，具有较高的介电损耗能力与介电常数，一般为碳系材料、硅基陶瓷、导电高分子等具有优异导电性能材料，此类材料电磁波损耗性能较好，耐腐蚀、耐酸碱较弱。而磁损耗型吸波材料的电磁损耗能力主要是由材料的磁极化作用引起的，具有较高的磁损耗能力[25-28]，主要有羰基铁、铁氧体、金属微粉及其合金等此类材料抗氧化能力弱，高温容易失去吸收性能。
1.1 电阻型吸波材料
电阻型吸波材料主要包括碳纤维、碳纳米管、石墨烯、金属薄片及导电高分子等具有优异导电性能的材料。其作用机制是通过在外部交变电场的作用下使材料内部载流子的随机分布状态发生改变，形成定向移动的电流，电流在传递过程中通过做功产生内能，从而实现损耗更多的电磁波的效果[29]。Wen等[30]利用化学镀法合成了空心镍纳米球，通过研究空心镍纳米球的吸波性能发现，有效吸收带宽为3.6 GHz，而最小的反射损耗也达到−43.6 dB，如图2(a)所示。进一步证明制备的空心镍纳米球具有较强的吸波性能。此外，如图2(b)所示，Tian等[31]通过利用原位聚合与热处理方法制备出了具有核壳异质结构的四氧化三铁@聚吡咯复合材料(Fe3O4@PPy)，然后通过改变PPy的比例来调节材料的电导损耗，使复合材料的最小反射损耗达到了−46.6 dB。
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此外，Sun等[32]成功制备了一种单壁碳纳米管-铁酸钴双层复合吸波材料。他们发现，当单壁碳纳米管作为吸收层、铁酸钴作为匹配层时，可以通过调节吸收层和匹配层的厚度来控制其电导率，最终使单壁碳纳米管-铁酸钴双层复合吸波材料的最小反射损耗值达到−61.13 dB，有效带宽达到7 GHz。因此，对于电阻型吸波材料，电导率需要控制在合适的范围，当电导率过低时材料的损耗能力有限，难以实现有效的电磁损耗，而过高的电导率会导致阻抗失配，趋肤深度减小，电磁波将很难进入到吸波材料内部，更多的电磁波会在材料表面发生反射。
1.2 电介质型吸波材料
以极化弛豫损耗为主要损耗机制的吸波材料称为电介质型吸波材料，硅基陶瓷为此类吸波材料的代表，如纳米Si—C—N。电介质吸波材料分为极性和非极性两种，对于极性电介质，其正负电荷中心不重合，形成电偶极子。对于非极性电介质，在电场的作用下，正负电荷中心也不再重合，进而也会形成电偶极子。在电磁波的交变电场下会引发这些偶极子产生极化弛豫，在这个过程中随着频率的升高，偶极子的变化赶不上电场的变化，这种滞后现象会损耗电磁波能量(图3)。
电子极化和界面极化是电介质型吸波材料的主要极化形式[33]。电介质型吸波材料除了具有良好的吸波性能外，还具有良好的热稳定性，硅基陶瓷不仅具有良好的热稳定性和化学稳定性，同时具备力学强度与显著的硬度，而且价格低廉、储量丰富、可大规模生产制备，因此在电磁波吸收领域备受关注。Wang等[34]在SiO2/TiC/Al2O3复合材料的混合物上，合成了结构陶瓷SiO2/TiC，如图4(a)所示。此材料能够在高达150℃的温度下正常工作且在11.8 GHz下反射损耗达到−55.2 dB，有效带宽为3.2 GHz。Ma等[35]也使用SiO2作为衬底制备SiO2@TiO2-C复合材料，由于SiO2为陶瓷提供了阻抗匹配和界面极化，因此用SiO2增强它是跨越这一屏障并增加其电磁波吸收的有效方法。此外，Zhu等[36]利用镍和粉煤灰(FA)成功制备了一种功能陶瓷，其原理是镍的加入会产生更多的界面极化现象，这些大量的缺陷会产生偶极子中心，从而导致偶极子极化，提高介质损耗能力。Guo等[37]使用等离子体诱导方法合成了核-壳fesal/Al2O3/SiO2(FSA@GCLs)矩阵，如图4(b)所示。该基体以磁性fesal为核心，外表面有两层介电抗氧化层。由于SiO2具有高热稳定性、抗氧化能力和高微波透过率等特点，因此将SiO2作为最外层、Al2O3作为中间层来协调阻抗匹配和防止外界因素产生破坏，fesal作为磁性电磁波(EMW)吸附剂作为内芯。这种强大的组合提供了更好的阻抗匹配。更重要的是，多层分层壳结构为EMW的散射提供了丰富的界面极化和额外的通道。综上所述，硅基陶瓷类材料具有良好的通用性，可以很好地与许多不同种类的吸波剂配合使用。因此，硅基多元素氧化物有潜力成为有前途的吸波材料，值得进一步研究。
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tm—Match thickness; tcalm—Match thickness (calculation); texpm—Match thickness (experiment); FSA—FeSiAl; FSA@CLs—FeSiAl@ceramic layers; FSA@GCLs—FeSiAl@gradient ceramic layers1.3 磁损耗型材料
磁损耗型吸波材料一般都具有较高的磁损耗角正切，主要通过磁相互作用来实现电磁波损耗的效果。其主要材料包括过渡金属单质及其合金与铁氧体，此外，此类材料还包含涡流损耗、自然共振损耗、磁滞损耗、畴壁共振损耗和磁后效应磁损耗[38]。Sun等[39]利用溶胶-凝胶法成功制备了LiFeO2/ZnFe2O4复合材料。经过测试表明制备的复合材料在17.7 GHz处具有最小反射损耗值为−10.4 dB，但其匹配厚度达到了16.7 mm。Lei等[40]成功制备了一种锌铁氧体/聚苯胺/氧化石墨烯三元复合材料。其复合材料的电磁损耗机制主要来源于德拜偶极弛豫控制，结果表明，在吸收厚度为3.29 mm时，该复合材料在9.5 GHz处的最大反射损耗为−58.0 dB，有效吸收带宽为3.91 GHz。Wu等[41]提出了一种提高水泥基材料电磁波吸收性能的结构与材料综合设计方法。在三维周期性阵列表面结构的基础上，利用纳米氧化铁(Fe3O4)磁性流体作为吸收体，开发了元表面水泥基电磁波吸收材料。实验结果表明，元表面能有效改善水泥基材料的电磁波吸收性能(EWAP)，实现了优异的EWAP，最大反射损耗为25.1 dB，在2~18 GHz带宽中有11.64 GHz的带宽低于−10 dB。Wu等[42]通过原位合成和热退火的方式同时将类沸石咪唑酯骨架材料(ZIF)衍生纳米阵列引入碳纤维表面，最终成功制备了具有分层纳米结构的改性碳纤维(CoNC@CF)，由于CoNC@CF提供了传导损耗、界面和偶极极化及磁损耗，当CoNC@CF含量/纳米复合材料质量比为10%时，显示出卓越的电磁波吸收能力。厚度为2.9 mm的纳米复合材料在11.5 GHz 时的最小反射损耗值达到–45.5 dB。此外，Yang等[43]首次通过碳化和真空浸渍技术制备了具有三维网状结构的羰基铁(CI)/碳泡沫(CF)新型磁介质复合材料(图5)。三维网状结构能够优化介质损耗，同时可以通过感应电流诱导结构性磁损耗，以延缓高温下的磁损耗衰减。得益于介电损耗和磁损耗的协同调节，CI/CF 复合材料在厚度仅为1 mm时就显示出了超稳定的电磁波吸收率(EAB)，在298~573 K的温度范围内，最大EAB为8.48 GHz，最小EAB 为8.32 GHz。
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磁损耗吸波材料尽管极大地提升了反射损耗能力，但吸收带宽不足，难以用于多频段雷达测试下的吸波性能。同时，磁损耗型吸波材料磁性易受到温度限制，在高温下易失去磁性，丧失吸波能力，因此面对极端环境条件如何保证磁损耗材料的宽频吸波稳定性也将成为今后研究发展的方向之一。
2. 吸波结构应用
吸波结构根据应用方式可分为吸波涂层、吸波超表面/超材料及隐身-承载功能一体化吸波结构。吸波涂层是将具有吸波能力的材料涂覆在目标物体表面实现吸波隐身。吸波涂层在近年研究中已经取得了很大的进展，并已逐步开始工程化应用，但劣势也很明显，其密度较大，武器装备中使用的吸波涂层易受外界因素的影响，发生变色、开裂、脱落等变化影响涂层的吸波隐身性能；新型轻量化吸波-承载结构提出的目的正是为了解决吸波涂层的不足，同时考虑到工程应用需求，采用结构-功能一体化的原理，由吸波复合材料设计制备形成具有良好力学性能的轻量化结构，具有良好的应用前景；吸波超表面/超材料近年来作为创新理念吸波结构，由于其独特性能而迅速发展成为研究热点，有望应用到航空航天等国防军事领域，在吸波隐身技术领域突破新的高度。但是吸波超表面/超材料本身也不具备承载等力学性能，因此也可以与承载结构等结合形成新型吸波-承载超结构体。
2.1 吸波涂层
涂覆型吸波材料被广泛用于飞机、舰船、导弹及其他武器装备[44-45]。在高分子材料的基体中分散具有优异性能的吸波剂，然后将其涂覆在目标物体上成为吸波涂层。涂覆型吸波材料吸收原理[34]主要分为两种：一是通过内部的吸收剂将电磁能转化为热能耗散掉，其损耗机制是电磁波进入到涂覆吸波材料时，大部分的电磁波会进入到吸波涂层内发生相互作用产生热能从而消散掉电磁波，如图6(a)所示；另一种方式则是吸波材料的上下表面的反射波由于相位相反而发生干涉相消，从而达到减少电磁波反射的效果，如图6(b)所示。目前，在吸波涂层中实现规模化应用的吸波剂有导电炭黑、铁合金及铁氧体等。通过调整吸波涂层内部组分可以调控其电磁参数，结合涂层厚度调控可以实现电磁波吸收性能调节[45-46]。Long等[47]采用浸泡和煅烧工艺制备了一种由Fe3O4/La2O3混合颗粒组成的涂层，将其均匀地涂敷在碳质无纺布表面，可以通过调节氯化铁与氯化铝的摩尔质量比、总摩尔质量和煅烧温度来调节电磁波吸收性能。结果表明，在厚度为3 mm时，有效带宽为5.9 GHz，最低反射损耗为−31.3 dB。Li等[48]采用离子喷涂法成功制备了一种TiC/Al2O3吸收涂层，并研究了TiC含量和斜入射微波辐照对TiC/Al2O3吸收性能的影响。由于阻抗匹配和衰减常数不能同时很好地匹配，随着TiC含量的增加，吸收性能先增大后减小。同时，与横向电场(TE)极化相比，等离子体喷涂TiC/Al2O3涂层的横向磁场(TM)极化对入射角更敏感。这项研究证明了等离子体喷涂TiC/Al2O3吸收涂层在电磁应用中的可行性。Zhang等[49]利用固相技术合成了一种三氧化二铁与还原氧化石墨烯(RGO/α-Fe2O3)新型复合材料，这种新型复合水凝胶材料表现出优异的电磁波吸收能力，涂层厚度为3 mm时，有效带宽达到6.4 GHz。Jiang等[50]通过微乳液法成功制备了呈包覆结构的MnFe2O3/TiO2复合粉末，并测试了其微波吸收能力，发现在其涂覆厚度为3.05 mm时，最大的电磁损耗达到−38.6 dB，覆盖7.8~11.4 GHz。Ma等[51]合成了一种磁性-MXene-SiO2 (M-MXene-SiO2)微波吸收材料，通过与Fe2O3、Fe3O4和介孔二氧化硅纳米颗粒(MSNs)的结合，可以控制磁损耗以改善阻抗匹配、反射损耗和有效吸收带宽。Liu等[52]制备了一种具有多异质界面的聚偏氟乙烯/含钛碳纳米管/聚吡咯纳米纤维(PVDF/Ti3CNT(x)@PPyNF)复合材料，研究表明当Ti3CNT(x)@PPyNF在PVDF/Ti3CNT(x)@PPyNF中的质量含量为5%时，复合材料涂层最小反射损耗为−65.5 dB，有效吸收带宽达到6.95 GHz。此外，吸波涂层的稳定性是影响涂层寿命和效果的重要因素，国内外研究人员对此也进行了诸多研究改善。如，Wang等[53]通过在涂层表面加一层耐腐蚀的面漆来延长吸波涂层的使用寿命，他们在不同温度的氯化钠溶液下测试了加面漆与不加面漆的吸波性能，结果表明，面涂层确实能够提高样品的抗腐蚀能力，但是涂层的吸波性能在短时间内会失效。Huang等[54]通过原位化学氧化与表面涂层法制备了一种兼备吸波与抗腐蚀功能的复合材料，他们以羰基铁粉-氧化石墨烯-聚苯胺(CIP-GO-PANI)复合材料为功能填料，环氧树脂为基体，制备了防腐吸波涂层。结果表明，该涂层不仅具有很强的吸波性能，其防腐性能大大增强。
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图 6 (a)磁热转换机制；(b)干涉相消机制Figure 6. (a) Magneto-thermal conversion mechanism; (b) Interference cancellation mechanism总而言之，吸波涂层具有制备过程简单、费用低廉等优点，易于开展工程应用，但是吸波涂层也存在如下几方面的缺点：一是吸波剂的填充量大、质量大，难以实现轻量化。特别是低频段，由于吸波能力有限，容易造成涂层填充量过大；二是吸波涂层易受外界环境影响，在武器装备的贮存、运输和使用过程中，容易发生脱落、变色、开裂，影响涂层性能[55-56]。针对这些问题，新型吸波涂层的研究集中在如下方向：(1)吸波涂层组分调控，将多种吸波粒子或吸波剂进行材料组分等匹配，使电损耗材料与磁损耗材料复合，从而实现良好的阻抗匹配与电磁波吸收效果；(2)吸波涂层的低频化及多频段吸波，探索可在不同频段发挥效能的吸收剂，尤其是在低频范围内的吸收剂；(3)提高吸波涂层的环境适应能力，特别是在耐腐蚀、耐高温、耐磨损等极端环境中的稳定性及吸波能力，从而拓宽其在工程应用领域的应用价值。
2.2 吸波超表面/超材料结构
超材料是指人工设计的、具有天然材料所不具备的超常物理性质的新型复合材料，吸波超材料为表现出特异电磁波损耗能力的超材料[57-58]。吸波超表面是一种厚度小于波长的人工层状材料，可视为吸波超材料的二维对应结构，一般可以通过利用相同或不同几何体，按照一定的规律周期性或非周期性排列构成，可实现对电磁波的偏振、传播方式等调控。近年来，由于吸波超表面具有优异的电磁特性，并且与传统吸波材料不同，是由人工结构而不是组成成分决定吸波特性，因此通过这种方式来实现阻抗匹配要比传统的吸波材料容易的多，因此它具有许多传统吸波材料所不具备的优势[59]。比如，吸波超表面可以在材料厚度上得到很好的控制，同时结构轻薄、尺寸小、容易实现对电磁波的灵活调控，在航空、航天、武器装备等领域具有重要的潜在应用价值。基于以上原因，吸波超表面材料迅速成为目前的研究热点。吸波超表面的机制主要是通过共振表面结构单元产生电感与电容进行谐振吸收。当电磁波入射到超表面，可以将超表面看作等效的电磁元件。基于电路原理，吸波超表面可用电感、电容、电阻等电路元件来模拟，通过调节各种电路元件的参数可实现对电磁波透射、吸收、反射的调控。吸波超表面的性能取决于超表面结构、电磁波频率、极化敏感及入射角度等参数。目前主要采用不同的金属贴片图案或不同阻值电阻膜结构来实现吸波超表面设计，另外，也可以通过制备复合材料，再通过复合材料表面进行不同图案结构的雕刻来构造吸波超表面(图7)。总之，吸波超表面设计种类繁多、结构灵活多变、集成度高、可重构性强，可实现散射体的隐身与目标识别，在隐身领域具备广泛的应用前景。
对于吸波超表面结构，最初的研究主要集中在Jaumann隐身结构与Salisbury隐身结构。Jaumann隐身结构只能吸收特定频率的电磁波，且其厚度较厚、吸收带宽窄。而Salisbury吸波结构是在Jaumann吸波结构基础之上对其进行了多层设计，采用了多层连续的电阻膜、多层的介质基板及金属背板来拓展吸波带宽。Eun等[60]研究了Jaumann 超表面结构雷达吸波性能和层间分离之间的相关性，发现玻璃纤维/环氧树脂/MWCNT 损耗叠层结构的层间分离会影响吸波性能，使吸波峰值X波段内发生移动，并且减小峰值强度。Olszewska-Placha等[61]将石墨烯纳米片制成十字形周期性图案并贴附在泡沫介质上，形成加入损耗频率选择表面(FSS)的Salisbury隐身结构，FSS面电阻值达到较小值24 Ω，在厚度6 mm下实现4.5~16 GHz的−10 dB有效带宽。Zhang等[62]为了实现设计一种宽频吸收器，他们设计了一种风车形状的光学透明的电阻膜结构，实验与仿真结构显示，该结构产生了3个谐振点，并且使8.3~17.4 GHz这一带宽范围内实现大于90%的吸波率，如图8(a)所示。Song等[63]通过将具有介电损耗碳化棉填充如台阶状结构中，实现了7~40 GHz和75~110 GHz的−10 dB有效带宽，厚11 mm，如图8(b)所示。Chen等[64]提出了一种基于多层吸波结构的超宽带、低剖面、小型化吸波超表面结构，雷达散射截面(RCS)在8.5~18 GHz 时降低10 dB，在8~26 GHz时降低5 dB。
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P—Periodicity; L—Length; g—Path width; H—Height; a—ITO breadth; PET—Polyethylene terephthalate; PMMA—Polymethyl methacrylate; FEC—Fluoroethylene carbonate; d—Depth; TE—Transverse electric; TM—Transverse magnetic; →H—Magnetic field surface; →E—Electric field surface; FEC—Fluoroethylene carbonate除此之外，吸波超材料还可以实现动态可调控。最初的吸波超材料只能通过重新设计来兼容不同频段的雷达，对应用具有一定的限制。可调谐吸波超材料的发展突破了这一局限性。可调谐吸波超材料可以通过调节谐振单元或基体的电磁特性或调节超材料的结构单元来实现动态可调控吸波。如Li等[65]采用了一种形状记忆分子对超材料基体上电阻进行调控，实现了温度响应下对10~17 GHz吸波频率的控制。Yang等[66]采用了一种柔性基底材料作为吸波材料，通过对材料的可变性拉伸来调节吸波超材料结构之间的距离，从而实现了对吸波频率的调控。此外，Wang等[67]也制备了一种结构单元可移动的吸波超材料，通过作用力可以灵活地改变结构单元与固定结构单元之间的位置，从而实现吸波频率的调节。
如上所述，吸波超表面/超材料作为新型微波吸收结构，结合材料与结构的双重特性能够在厚度不变的同时极大地拓宽吸波带宽。同时在超表面/超材料的基础上与承力复合材料结合可以实现吸波-承载功能。未来吸波超表面/超材料将继续朝着小、轻、薄、多频宽带、智能可调的方向发展。
2.3 吸波-承载功能一体化结构
随着科技水平的提高，各业界对新型吸波结构提出了新的要求。除了考虑吸收结构吸波性能的研究之外，结构本身的承载、轻量化等也是关系武器装备性能的重要指标[68-73]。吸波-承载功能一体化结构同时具备承载和吸波双重功能，在保证有效吸波的前提下不会额外增加系统质量，有效地缓解了吸波涂层所带来的问题。开发具有良好吸波及承载性能的结构件是当前吸波材料与结构研究领域的重要方向之一，对工程应用具有重要指导价值。
吸波-承载功能一体化结构主要是通过将吸波粒子均匀分散到树脂基体或增强体材料中通过模压法等方式得到吸波复合材料，根据需要将吸波复合材料设计成具有力学性能的结构件。结构件的形式有层板结构、夹芯结构、格栅结构、角锥结构等。其中，夹芯结构由于其不仅具备轻质抗冲击等优异的特性，另外夹芯结构中芯层还可以通过加入电阻片、吸收剂等材料实现更好的吸收性能。因此在航空航天等军事装备方面应用众多。如，An等[74]基于蝴蝶翅膀上的陀螺微结构灵感，图9(a)所示，提出了一种新颖的电磁波元结构。该结构具有超宽的吸收带宽，覆盖2~40 GHz的频率范围。Liu等[75]设计了一种由石英纤维增强复合材料(QFRC)、短切碳纤维/玻璃纤维复合毡(CCF/GFC)和碳纤维增强复合物(CFRC)组成的新型曲壁复合蜂窝结构，如图9(b)所示。所提出的新型弯曲壁复合材料蜂窝结构(CWCHS)的−10 dB吸收带宽(90%吸收率)达到38 GHz (2~40 GHz，包含S、C、X、Ku、K和Ka波段)，平均反射率为−16.5 dB (98%吸收率)，此外该结构还具有显著的承载能力。Liu等[76]设计并制造了一种三维雷达吸收复合材料分级格栅网格结构(3D-RACHGS)，根据测试结果表明，这种3D-RACHGS结构−10 dB吸收带宽达到34.8 GHz (2.6~4 GHz，6.6~40 GHz)，平均反射率为−17.4 dB。
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除此之外，他们在夹芯结构的基础上做了进一步的改进，例如Kwak等[77]设计并制备了由两个蜂窝芯和三层蒙皮组成的吸波蜂窝夹芯复合材料，如图10(a)所示，所提出的结构是采用镀镍玻璃织物制备的，结构厚度为9 mm时，该复合材料在5.8~16.3 GHz 范围内的反射损耗可达−10 dB，力学性能也得到了极大的提高。同时为了更好地提升承载结构的力学性能，他们还从纤维改性、纤维编织结构入手，研究纤维复合材料力学性能的影响。Cha等[78]将聚多巴胺包覆在超高密度聚乙烯纤维外部，随后将碳纳米管接枝在纤维上，将制备的功能化超高密度聚乙烯纤维与富氢苯并噁嗪树脂复合制备材料，如图10(b)所示，实现了高效的电磁波吸收同时提高了复合材料层间剪切强度。Fan等[79]设计了一种三维正交碳纤维/芳纶纤维混杂编织物增强环氧复合材料，如图10(c)所示，同时与叠层正交碳纤维/芳纶纤维混杂编织物增强环氧复合材料进行了研究对比，研究结果表明，三维正交复合材料的电磁波反射损耗低于叠层正交复合材料，且在高频时这种现象更明显。同时，三维正交复合材料的力学性能要明显高于叠层正交复合材料。
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CF—Carbon fiber; GF—Glass fiber; twall—Thicknesses wall; Et—Electric eield strength; Ht—Magnetic eield strength; ε—Dielectric constant;T—Temperature (℃); HRB—Hydroxybenzoxazine; MWCNTs—Multi-walled carbon nanotubes; CPP—Multi-walled carbon nanotubes-polydopamine-ultra-high molecular weight polyethylene fibers; HRB—Hydroxybenzoxazine另一方面研究者们从电磁波入射角度入手，探究了不同吸波结构下电磁波入射角度对电磁波吸收性能影响。如Cheng等[80]提出了一种基于复合材料方形蜂窝结构的结构/功能一体化设计方案，图11(a)所示，数值模拟和实验验证表明，手动机械联锁(SHS)对来自各个方向的电磁波实现了宽带(5~20 GHz)、多角度(0°~70°)和高效(平均超过90%)的吸收性能。此外，为了进一步提高其力学性能，面外压缩结果表明，由于蜂窝壁与聚酰亚胺(PMI)泡沫之间的耦合作用，其比刚度和比抗压强度分别显著提高42%和121%。另外，Xiao等[81]设计了一种双层斜蜂窝夹层结构，图11(b)所示，该结构将多孔结构与强吸波材料相结合，实现了低浓度下强电磁波(EMW)的吸波性能，提高了力学性能。通过对不同电磁波入射角度吸收性能研究发现，当倾斜蜂窝芯角为15°时且羰基铁粉(FCIP)添加量/总质量仅为15%时，复合材料的EMW吸收和力学性能较全填充结构有显著改善。
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Figure 11. (a) Composite square honeycomb structure[80]; (b) Double-layer inclined honeycomb sandwich structure[81]FR-4—Glass fiber reinforced composites; CFRP—Carbon fiber reinforced composites; CF—Carbon fiber; φ—Direction of incidence; θ—Angle of incidence; h—Hight; w—Carbon fiber width; s—Gap width; d—Depth; l1—Minimum length; ln—Maximum length; PMI—Polymethacrylimide; SHS—Square honeycomb structure除了上述吸波-承载功能一体化结构，吸波超表面/超材料也可以与复合材料或点阵结构实现承载-吸波一体化性能。例如，Zhou等[82]通过将α-Fe与环氧树脂混合，制备成两层台阶状超结构，在5.5 mm厚度下实现2.64~40 GHz的−10 dB有效带宽。Li等[83]片状羰基铁纳米晶与环氧树脂混合，制成三层台阶状超结构，图12(a)所示，在3.7 mm厚度下实现了4~40 GHz的−10 dB有效带宽。Wang等[84]通过对玻纤板层间进行缝合并嵌入方块图案电阻膜，如图12(b)所示，实现了在5 mm厚度下6~18 GHz的−10 dB有效带宽而结构拉伸强度达到320 MPa，弯曲强度达到479 MPa。随后，Wang等[85]将方块图案电阻膜和玻纤板进行复合，在3.5 mm厚度下实现8~18 GHz的−10 dB有效带宽，且拉伸强度达到295 MPa，弯曲强度达到83 MPa。
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FSS—Frequency selection surface; FRP—Fiber reinforced polymer; FEC—Fluoroethylene carbonate; R—Resistive; L—Inductive; C—Capacitor; h—Height; P—Periodicity; →k—Electromagnetic wave incidence surface; t—Thicknesses; Zin—Incident impedance; Zspacer—Characteristic impedance; d—Thicknesses; f—Frequency; PSRAS—Periodic stepping radar absorption structure; Z0—Spatial impedance; Zeff—Characteristic impedance目前主流的吸波承载结构一般包括透波层、吸收层与反射层。以图10(b)为例，石英纤维增强复合材料(QFRC)作为透波层，短切碳纤维/玻璃纤维复合毡+电阻膜(CCF/GFC)作为中间吸收层，碳纤维增强复合物(CFRC)作为反射层。透波层的存在一方面能够对内部起到保护作用，另一方面主要是使电磁波能够透过表面进入到吸收层。吸收层主要包括吸收剂与载体，承载的同时将进入的电磁波转化为其他形式的能量耗散掉，是当前研究领域的要点。反射层的作用一方面是将透过吸收层的电磁波反射回去，另一方面是防止电磁波进入内部对元件等造成干扰破坏。根据传输线理论(图13)，当电磁波从某一方向入射到吸波材料表面时，一部分的电磁波将会在材料表面被反射，一部分的电磁波会进入到材料内部被耗散。要实现良好的吸波性能，透波层的阻抗要尽量与自由空间的阻抗相匹配，保证电磁波能够充分进入结构内部，同时，吸收层的电磁衰减能力也要尽量大，保证进入结构内部的电磁波能够被损耗吸收。因此，吸波结构研究的核心问题是实现良好的阻抗匹配特性与强衰减能力，这是衡量吸波材料与结构的重要指标。如何协同优化衰减能力与阻抗匹配之间的关系也是吸波结构设计领域面临的巨大挑战。吸波结构的表面阻抗与衰减能力由组分材料与组成结构共同作用决定，因此调控组分材料特性、设计合理组成结构，对实现高效电磁波吸收具有重要价值。
3. 结论与展望
近几年吸波材料与结构的研究有了突飞猛进的发展，在吸波机制、新型吸波材料与结构开发、吸波-承载功能一体化结构等方面都取得了显著的进展。尽管如此，仍有一些尚未解决的关键科学问题，归纳如下：
(1)轻质-承载-吸波多功能耦合机制及多目标协同设计方法实际服役场景要求吸波结构在具备宽频强吸波和力学承载性能的同时保持轻量化，而宽频吸波、力学承载性能与结构轻量化是相互影响和制约的，难以同时满足，如通过增加吸波材料可以提升结构的吸波性能，但会导致结构质量增加，影响轻量化；通过结构设计提升结构的力学承载性能，会影响吸波材料的分布，给结构的吸波能力带来不可估量的变化。因此，如何实现吸波、承载、轻量化多目标协同设计是实现吸波-承载功能一体化结构应用所面临的关键问题之一；
(2)新型低成本、高效、可量化工业化制备方法尽管吸波-承载一体化结构在样件制备技术方面已经取得了很多进展，但基本停留在实验室制备阶段。制备成本昂贵，工艺复杂，部分样件采用手工组装等方式，难以批量化；此外，样件尺寸较小，与实际工程需求之间存在巨大差距，极大地限制了新型结构的应用。如何实现对新型结构的低成本、高效、批量化加工是吸波-承载结构发展的另一个关键科学问题；
(3)复杂极端服役环境下的耐大温差、耐腐蚀、耐候性等服役稳定性提升方法在武器装备等应用环境比较复杂，如极端温差、高低温、高盐湿环境等，当前的吸波-承载一体化结构难以应用于复杂多变的服役环境中，易由于腐蚀、氧化、磨损等行为缩减使用寿命、降低装备的吸波及承载性能。因此，如何提升复杂极端服役环境下的耐高低温差、耐腐蚀、耐候性、性能稳定性也是吸波承载一体化结构发展的关键科学问题。
针对上述吸波-承载一体化结构发展面临的关键科学问题，提出对未来发展的一些建议：
(1)在结构设计方面，开展吸波承载一体化结构的材料-结构-功能一体化建模，深入研究不同功能需求之间的耦合机制，结合多学科交叉融合优势，进行理论计算分析、智能算法优化，开发一套面向多物理场极端环境功能一体化结构高效设计方案；
(2)在结构制备方面，基于现有的低成本复合材料制造、增材制造等新型加工方法及雕刻、切削等传统加工方法，建立高效复合化加工方法，开展面向工业化量产的制造研究，优化制备工艺，升级制造设备，提高加工效率；
(3)在结构稳定性方面，开展极端服役场景模拟实验，对新型吸波-承载多功能一体化构件进行试验评估，探究不同环境条件下结构的耐高低温差、耐腐蚀、耐候性等综合性能，分析各环境条件对其综合稳定性的影响因素与作用机制。以此为依据，开展对应新型材料与结构开发，提升结构整体服役稳定性。
总而言之，随着技术的更新、理论的深入研究及制备工艺的不断进步，未来的吸波-承载功能一体化结构在轻量化程度、承载及吸波等性能和服役稳定性方面都会大幅提升，有望给空天陆海等国防装备带来重大变革。
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图 1 吸波材料结构功能一体化结构应用
EMI—Electromagnetic interference
Figure 1. Wave-absorbing material structure functionally integrated structure application
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图 4 (a) Ni和粉煤灰功能陶瓷[34]；(b)核-壳fesal/Al2O3/SiO2 (FSA@GCLs)矩阵[37]
tm—Match thickness; tcalm—Match thickness (calculation); texpm—Match thickness (experiment); FSA—FeSiAl; FSA@CLs—FeSiAl@ceramic layers; FSA@GCLs—FeSiAl@gradient ceramic layers
Figure 4. (a) Ni and fly ash functional ceramics[34]; (b) Core-shell fesal/Al2O3/SiO2 (FSA@GCLs) matrices[37]
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图 6 (a)磁热转换机制；(b)干涉相消机制
Figure 6. (a) Magneto-thermal conversion mechanism; (b) Interference cancellation mechanism
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图 8 (a) 铟锡氧化物(ITO)薄膜设计宽带吸收器[62]；(b)碳化棉填充台阶状结构[63]
P—Periodicity; L—Length; g—Path width; H—Height; a—ITO breadth; PET—Polyethylene terephthalate; PMMA—Polymethyl methacrylate; FEC—Fluoroethylene carbonate; d—Depth; TE—Transverse electric; TM—Transverse magnetic; →H—Magnetic field surface; →E—Electric field surface; FEC—Fluoroethylene carbonate
Figure 8. (a) Indiumtin oxide (ITO) thin film design broadband absorber[62]; (b) Carbonized cotton filled step-like structure[63]
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图 10 (a)吸波蜂窝夹心复合材料[77]；(b)超高密度聚乙烯纤维树脂复合材料[78]；(c)三维正交碳纤维/芳纶纤维混杂编织物增强环氧复合材料[79]
CF—Carbon fiber; GF—Glass fiber; twall—Thicknesses wall; Et—Electric eield strength; Ht—Magnetic eield strength; ε—Dielectric constant;T—Temperature (℃); HRB—Hydroxybenzoxazine; MWCNTs—Multi-walled carbon nanotubes; CPP—Multi-walled carbon nanotubes-polydopamine-ultra-high molecular weight polyethylene fibers; HRB—Hydroxybenzoxazine
Figure 10. (a) Wave-absorbing honeycomb sandwich composites[77]; (b) Ultra-high density polyethylene fiber resin composites[78]; (c) Three-dimensional orthogonal carbon fiber/aramid fiber hybrid braid reinforced epoxy composites[79]
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图 11 (a)复合材料方形蜂窝结构[80]；(b)双层斜蜂窝夹层结构[81]
Figure 11. (a) Composite square honeycomb structure[80]; (b) Double-layer inclined honeycomb sandwich structure[81]
FR-4—Glass fiber reinforced composites; CFRP—Carbon fiber reinforced composites; CF—Carbon fiber; φ—Direction of incidence; θ—Angle of incidence; h—Hight; w—Carbon fiber width; s—Gap width; d—Depth; l1—Minimum length; ln—Maximum length; PMI—Polymethacrylimide; SHS—Square honeycomb structure
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图 12 (a)玻纤板层间进行缝合并嵌入方块图案电阻膜[83]；(b)两层台阶状超表面结构[84]
FSS—Frequency selection surface; FRP—Fiber reinforced polymer; FEC—Fluoroethylene carbonate; R—Resistive; L—Inductive; C—Capacitor; h—Height; P—Periodicity; →k—Electromagnetic wave incidence surface; t—Thicknesses; Zin—Incident impedance; Zspacer—Characteristic impedance; d—Thicknesses; f—Frequency; PSRAS—Periodic stepping radar absorption structure; Z0—Spatial impedance; Zeff—Characteristic impedance
Figure 12. (a) Stitching and embedding of square-patterned resistive films between layers of fiberglass panels[83]; (b) Two-layer step-like hypersurface structure[84]
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其他类型引用(0)
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目的
随着现代科学技术的迅速发展，电磁干扰与电磁辐射等安全问题对人们的生活乃至国防军工领域造成了极大的威胁，了解吸波材料与吸波结构的机理及发展现状对未来开发新型隐身承载功能一体化结构具有很大意义。本文以吸波材料与吸波结构出发，阐述了目前吸波领域主要研究现状以及发展中存在的问题，对未来吸波领域的发展提出了关键性建议。
方法首先通过搜集整理大量文献，提取了关于吸波材料与吸波结构领域的相关信息，其次对搜集到的相关信息进行分类整整理，第一从电磁波吸收机理的角度出发对吸波材料的种类进行分类研究，第二从应用角度出发，将吸波结构进行分类阐述。最后通过分析吸波材料与吸波结构的研究现状，提炼出未来在吸波领域需要解决的关键科学问题以及相关建议。
结果通过对吸波材料与吸波结构相关领域文献的调研、整理，提出了未来在相关领域需要解决的关键科学问题：(1)轻质-承载-吸波多功能耦合机制及多目标协同设计
方法如何实现吸波、承载、轻量化多目标协同设计是实现吸波-承载功能一体化结构应用所面临的关键问题之一。(2)新型低成本、高效、可量化工业化制备
方法如何实现对新型结构的低成本、高效、批量化加工是吸波-承载结构发展的另一个关键科学问题。(3)复杂极端服役环境下的耐大温差、耐腐蚀、耐候性等服役稳定性提升
方法如何提升复杂极端服役环境下的耐高低温差、耐腐蚀、耐候性、性能稳定性也是吸波承载一体化结构发展的关键科学问题。
结论针对目前吸波-承载一体化结构发展面临的关键科学问题，提出了相关建议：(1)在结构设计方面，开展吸波承载一体化结构的材料-结构-功能一体化建模，深入研究不同功能需求之间的耦合机理，结合多学科交叉融合优势，进行理论计算分析、智能算法优化，开发一套面向多物理场极端环境功能一体化结构高效设计方案。(2)在结构制备方面，基于现有的低成本复合材料制造、增材制造等新型加工方法以及雕刻、切削等传统加工方法, 建立高效复合化加工方法，开展面向工业化量产的制造研究，优化制备工艺，升级制造设备，提高加工效率。(3)在结构稳定性方面，开展极端服役场景模拟实验，对新型吸波-承载多功能一体化构件进行试验评估，探究不同环境条件下结构的耐高低温差、耐腐蚀、耐候性等综合性能，分析各环境条件对其综合稳定性的影响因素与作用机理。以此为依据，开展对应新型材料与结构开发，提升结构整体服役稳定性。
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