由于無線通信設備、大功率信號基站及家用WIFI發(fā)射機的過度使用，電磁污染成為現(xiàn)代日常生活中最受關注的問題之一。電磁輻射不僅極大地影響了人類健康，而且會使信息泄露從而威脅國家安全。為了解決這些問題，亟待制備一種在寬頻下有效吸波的材料。作為理想的電磁波吸收材料，它應該具備質(zhì)量輕、匹配厚度薄、吸收頻帶寬、吸收性能強等特點。目前，大多數(shù)電磁吸收材料，包括磁性材料、金屬氧化物、硫化物等，對環(huán)境的適應度較差，限制了在實際中的應用。例如，寬頻吸波材料被用于制備戶外條件下的吸波涂層、隱形飛機反雷達偵察的表面吸波涂層，其對耐水性、耐酸性、耐高溫有一定的要求。研究表明，聚合物類吸波劑具有良好的疏水性，但單一的聚合物吸波材料介電損耗較低，導致其在寬頻條件下吸收電磁波存在一定局限性。因此，研發(fā)一種吸波性能好、環(huán)境適應能力強的新型吸波材料更有利于實際應用。

吸波材料的性能取決于以下幾個參數(shù)，吸波材料與自由空間的阻抗匹配、材料的比電阻、材料在不同頻率范圍內(nèi)工作的頻率和靈活性、介電損耗和磁損耗等，其中材料的吸波特性主要取決于磁損耗與介電損耗。因此，吸波材料主要分為兩個大類，即介電損耗型和磁損耗型。介電損耗型材料主要的電磁波損耗機制包括界面極化、偶極極化、缺陷誘導極化和導電損耗,而磁損耗型材料的損耗機制是通過磁介質(zhì)將入射進入材料內(nèi)部的電磁波轉(zhuǎn)化為熱能或其他能。通常情況下，這兩類材料都具備良好的吸收電磁波的潛力，然而，大多數(shù)介電損耗型材料往往出介電常數(shù)和損耗較高而磁導率和磁損耗值較低，導致阻抗匹配較差。這種情況下，雖然能夠很容易地吸收入射的電磁波，但是大部分電磁波會透過材料，不能有效轉(zhuǎn)化為其他能，甚至可能導致電磁波的二次污染。同樣，大多數(shù)磁損耗型材料由于介電常數(shù)和介電損耗值過低，阻抗匹配較差，雖然進入材料內(nèi)部的電磁波能夠被有效利用轉(zhuǎn)化，但是大部分電磁波會被材料反射，導致吸波性能不理想。另外，材料厚度也影響材料的吸波性能，需要結(jié)合材料本身吸波性能模擬出更匹配的厚度。

傳統(tǒng)上，一些阻抗匹配良好的磁性金屬和合金材料被用作制備微波吸收材料，但重量大、機械柔韌性低、耐腐蝕性差，以及智能電子器件的發(fā)展限制了其進一步應用。碳材料如碳納米管和石墨烯由于其獨特的優(yōu)勢，包括低密度、可調(diào)導電性和良好的環(huán)境穩(wěn)定性，被認為是很有前途的候選材料。碳基分層結(jié)構(gòu)賦予了材料較高的吸附容量和較寬的有效吸收頻帶；三維結(jié)構(gòu)能夠拉長反射和散射路徑，從而產(chǎn)生新的界面，調(diào)節(jié)阻抗匹配。然而，這些材料昂貴的原始化石材料和復雜的制作工藝(如化學氣相沉積、電弧放電、溶劑剝離等)障礙了其應用。因此，尋找一種可持續(xù)的原材料，以簡單、經(jīng)濟、高效的方法生產(chǎn)碳基吸收材料至關重要。

1

電磁吸收原理

由于自由空間阻抗與介質(zhì)阻抗不匹配，當電磁波在空間中傳播并遇到介質(zhì)時，一部分電磁波會在自由空間與介質(zhì)的界面處反射，而另一部分則會折射到介質(zhì)中。在介質(zhì)內(nèi)部傳播的電磁波會與介質(zhì)相互作用，將電磁波的能量轉(zhuǎn)化為熱能、電能、機械能等其他能耗散。

電磁吸收材料能夠通過其介電損耗或磁損耗能力將電磁波轉(zhuǎn)換為熱能或其他能。介電常數(shù)和磁導率是吸收材料的重要參數(shù)，與其吸收性能直接相關。為了提高吸波性能，研究者設計并制備了許多種類的復雜形貌和納米結(jié)構(gòu)的復合材料，以改變阻抗匹配特性并調(diào)整電磁吸收能力?；陔姶盼赵?，材料的吸波性能主要取決于材料本身的介電損耗與磁損耗參數(shù)。單一的材料往往只表現(xiàn)出單一的損耗機制。一般來說，介電損耗為主導的材料磁損耗參數(shù)較低，磁損耗為主導的材料介電損耗參數(shù)較低，這種材料導致阻抗匹配特性較差，只能在某個較窄頻率實現(xiàn)高吸收或難以吸收轉(zhuǎn)化為其他能，因此，目前的研究重點主要為磁損耗型和介電損耗與磁損耗耦合型。根據(jù)兩種材料的特征對阻抗匹配特性進行調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)寬頻高吸波性能。

2

各種復合型寬頻吸波材料及其性能

2.1 導電聚合物復合吸波材料

導電聚合物因質(zhì)量輕、耐腐蝕、良好且靈活的加工性能，以及導電性的變化性被廣泛研究。當導電聚合物在很寬的范圍內(nèi)表現(xiàn)出導電性時，導電聚合物和磁損材料的組合產(chǎn)生協(xié)同效應，不僅可以使復合材料具有質(zhì)量輕、耐高溫、抗氧化等特殊性能，而且可以豐富偏振損耗，增強微波吸收性能。

Xu等證明還原石墨烯/鱗片羰基鐵粉/聚苯胺（R-GO/F-CIP/PANI）復合材料在2G～18 GHz下具有優(yōu)異的微波吸收性能，在11.8 GHz下獲得最佳的微波吸收性能，在2.0 mm厚度下最小反射損耗（RL）值為-38.8dB。Yan等將三種導電聚合物聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）和聚（3，4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT），分別與NiFe2O4通過兩步法復合，并涂覆于還原氧化石墨烯片（RGO），探究得到的三種復合吸波材料（RGO-PANI-NiFe2O4、RGO-PPy-NiFe2O4、RGO-PEDOT-NiFe2O4）的吸波性能。發(fā)現(xiàn)三者都表現(xiàn)出優(yōu)異的寬頻微波吸收性能，當RL值低至-10dB時，三者的有效吸收頻帶分別為5.3GHz、5.3GHz、3.7GHz，最佳RL值分別為-49.7dB、-44.8dB、-45.4dB。從吸收頻帶寬、質(zhì)量、吸波強度綜合分析，RGO-PANI-NiFe2O4三元復合材料具備更優(yōu)良的吸波性能。Luo等制備PANI包覆的Fe3O4樹枝狀材料，通過水熱法復合，PANI可以優(yōu)化阻抗匹配并形成導電網(wǎng)絡以優(yōu)化吸收性能。當匹配厚度為1.3 mm時，在3.04 GHz時獲得-53.08 dB的RL值，帶寬達到4.1 GHz。

單一聚合物存在吸收弱的缺點，限制了其進一步應用。因此，越來越多的研究者將聚合物與其他種類的材料結(jié)合，以期增強吸收性能。研究表明，一些特殊的材料（通常為磁性金屬材料）與有機聚合物復合，通過磁性顆粒的介入，可以提高材料基底的磁響應和阻抗匹配能力，從而得到更寬的有效吸頻帶。

2.2 生物質(zhì)衍生碳基復合吸波材料

碳材料作為一種介電損耗型材料，因密度小、理化性質(zhì)穩(wěn)定、導電損耗強等優(yōu)點受到廣泛關注。碳材料的各種結(jié)晶態(tài)，如碳納米纖維、石墨烯和碳納米管，與一些磁性金屬復合，可以實現(xiàn)優(yōu)異的吸波性能。但是昂貴的原始化石材料和復雜的制作工藝是其實際應用的主要障礙。生物質(zhì)作為一種綠色可再生清潔能源，具有分布廣、成本低、易加工、無污染等優(yōu)點。對生物質(zhì)最常規(guī)的處理方法是熱解，在惰性氣氛下于300～950℃溫度下對生物質(zhì)進行熱分解，熱解后可獲得生物炭、生物油和合成氣三種組分。而熱解獲得的生物炭含有高度石墨化和多孔結(jié)構(gòu)，且富含碳元素，具備良好的導電性、高比表面積等優(yōu)點，這有助于降低堆積密度，改善阻抗匹配并提高微波衰減能力，是制備寬頻吸波材料的理想原材料。對于碳源的選擇，生物炭相比于碳納米管、石墨烯等材料，有著成本低、更易獲得的優(yōu)點。研究證實，使用低成本生物質(zhì)作為原材料制造寬頻吸波材料是一種有前途的環(huán)保方法。

Long等選用木棉纖維作為實驗原材料，對木棉纖維預處理后進行熱解，加熱程序設置為從25°C升溫至600°C，加熱速率為10°C/min，在600°C熱解2h后自然冷卻至室溫，得到具有多孔結(jié)構(gòu)、表面粗糙的碳微管結(jié)構(gòu)生物炭。將所得生物炭以不同濃度填充石蠟探究濃度對吸波性能的影響，發(fā)現(xiàn)用30%（wt，質(zhì)量分數(shù)，下同）木棉纖維衍生生物炭摻雜時，表現(xiàn)出最佳吸波性能，最小反射損耗（RLmin）在16.48 GHz 時達到-49.46 dB。在4.48 G～18.00 GHz的頻率范圍內(nèi)，可以通過調(diào)節(jié)材料厚度達到吸收90%以上電磁波的有效吸波頻帶。

強榮等以香菇為原材料，通過蒸餾水和無水乙醇清洗過后，用配置好特定濃度的六水合三氯化鐵對香菇進行浸漬處理。由于香菇固有的吸附作用，F(xiàn)e3+被吸附于香菇表面，干燥后對Fe/香菇前驅(qū)進行熱解處理，得到Fe/Fe4N/C復合材料。研究發(fā)現(xiàn)，最佳熱解條件為加熱至700℃，保溫2h后冷卻至室溫。當Fe/Fe4N/C復合材料的厚度為5mm時，在4.8 GHz頻率下，反射損耗達到-30.3 dB；當厚度為4mm時，得到最寬有效吸波頻帶。

近期，He等采用茄子碳片（ECS）和片狀羰基鐵（FCI）合成制備吸波材料，考察了在FCI中添加ECS對FCI電磁特性和微波吸收特性的影響。其中FCI粉末通過能球磨工藝制備。采用傳統(tǒng)噴涂方法制備了填充雜化吸收劑的微波吸收涂層。結(jié)果表明，在FCI中適當添加ECS可以調(diào)節(jié)電磁特性，從而有效增強微波吸收性能。當ESC含量為6%，F(xiàn)CI含量為24%時，微波吸收涂層有效吸收頻帶更寬，為8.34 GHz（9.66G～18GHz）。

2.3 磁性金屬類復合吸波材料

磁性金屬材料基于其居里溫度高、溫度穩(wěn)定性好、飽和磁化強度高、成分可控等優(yōu)點，是傳統(tǒng)制備吸波材料的選擇之一。磁性金屬材料吸波性能基于其良好的磁導率和磁損耗，但是當磁性金屬單獨作為原材料時，吸收頻帶較窄，這是在寬頻吸波領域的主要缺陷，且不足以滿足所需的阻抗匹配，導致不易吸收電磁波，且缺乏出色的吸波性能。除此之外，磁性金屬材料質(zhì)量較大、耐腐蝕性差、機械柔韌性低也限制了其在寬頻吸波材料方面的研究。為了克服以上缺點，研究者提出了改變材料結(jié)構(gòu)、摻雜其他表面活性劑等方法來增寬磁性金屬材料的吸收頻帶，發(fā)現(xiàn)其在高頻段下具有良好的阻抗匹配特性。目前，磁性金屬在寬頻吸波應用領域已經(jīng)比較成熟，一些改性過后的磁性金屬吸波材料已廣泛應用于雷達探測。

Chen等采用液相還原路線構(gòu)建具有強吸波效率的FeNi3微球，F(xiàn)eNi3摻雜C通過原位聚合和高溫碳化過程，獲得了碳殼厚度受控微球（FeNi3@C）；調(diào)整甲醛和間苯二酚的量可以控制外表面形成的酚醛樹脂的量，進而調(diào)整C的含量。隨著甲醛和間苯二酚用量的增加，最終獲得三種擁有不同直徑范圍的微球結(jié)構(gòu)：FeNi3@C-1直徑在590～740 nm之間，F(xiàn)eNi3@C-2直徑在650～800 nm之間，F(xiàn)eNi3@C-3直徑在730～880 nm之間，且隨著微球直徑范圍的擴大，碳殼的厚度逐漸增加，表面也更為光滑。與FeNi3相比，F(xiàn)eNi3@C微球具有核殼結(jié)構(gòu)，可以獲得多界面和偶極極化及多散射，從而增強電磁波衰減。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eNi3@C-1在匹配厚度為1.5 mm時表現(xiàn)出出色的微波吸收性能，RLmin為-22.0dB，13.4GHz-17.9 GHz為有效吸收頻帶。FeNi3@C-2和FeNi3@C-3通過控制5.1～18.0 mm的薄匹配厚度，在1.5G～2.5GHz下具有連續(xù)的優(yōu)越電磁損耗，其中RL＜-20 dB占據(jù)整個X和Ku波段。

與磁性金屬材料類似，磁性金屬氧化物同樣具備優(yōu)良的磁損耗，因此同樣需要摻雜介電損耗型材料對其阻抗匹配進行調(diào)節(jié)。Liu等采用低溫濕化學法制備核殼結(jié)構(gòu)的單質(zhì)鐵/氧化鋅（Fe/ZnO）納米復合材料。與單一的α-Fe和ZnO相比，所有Fe/ZnO納米復合材料的電磁波吸收性能均有顯著提高。隨著ZnO含量的增加，有效吸收帶向高頻方向移動。當厚度為1.59 mm時，F(xiàn)e/Zn摩爾比為1:0.75的Fe/ZnO納米復合材料在15.55 GHz時可達到-48.28 dB的最佳反射損耗，有效吸收帶寬為3.50 GHz（12.925G～16.425 GHz）。此外，當Fe/Zn比為1:0.51時，最大有效吸收帶寬達到5.10 GHz (10.79G～15.89 GHz)。

2.4 陶瓷類復合吸波材料

近年來，陶瓷基類吸波材料得益于低密度、耐高溫、抗腐蝕、強吸收等特點，在制備輕質(zhì)寬頻吸波材料領域有著越來越廣闊的前景。通過與其他材料復合，可以實現(xiàn)優(yōu)良的寬頻吸波性能。作為典型的介電吸收體，陶瓷基通常摻雜其他磁性吸收體，如金屬顆粒或其金屬氧化物來修飾，以調(diào)節(jié)阻抗匹配特性。

Wei等以間苯二酚-甲醛氣凝膠包覆二氧化硅為前驅(qū)體，在高溫下合成了高純立方碳化硅（β-SiC），再通過錫敏化化學鍍在β-SiC上涂覆各種濃度的銀納米顆粒（AgNPs），最后研究不同AgNPs含量對β-SiC介電和微波吸收性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AgNPs主要為3C晶型，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和抗氧化性，最佳濃度為1.0 g/L，得到最佳RL為-36.3 dB。但隨著AgNPs含量的增加，磁損耗過高對復合材料阻抗匹配產(chǎn)生一定不利影響，最終獲得有效吸收頻帶為1.6GHz。

Hou等采用乙酰丙酮鐵改性聚硅氧烷(PSA)聚合物衍生陶瓷(PDC)制備了非晶態(tài)SiCO陶瓷中的碳包覆Fe3Si納米顆粒(SiCO/C/Fe3Si)。通過改變藥劑含量改變陶瓷型復合納米顆粒狀Fe的含量，最終發(fā)現(xiàn)Fe含量為4.35%的復合物在9.2GHz下可以達到-32dB的電磁損耗，厚度為3.5mm，有效帶寬約為3.6GHz。Fe含量為12.3%的復合物在7.9GHz下可以達到-41dB的電磁損耗，厚度為3.5mm。

綜上，通過磁性顆粒的介入，磁介質(zhì)改良了陶瓷材料內(nèi)部磁損耗性質(zhì)，基于陶瓷材料耐高溫的性質(zhì)，該雜化材料在高溫環(huán)境下仍具有優(yōu)異的吸波性能，未來有較好的發(fā)展前景。

3

結(jié)語與展望

主要綜述了幾種應用前景比較廣泛的寬頻吸波材料，系統(tǒng)地介紹了導電聚合物復合吸波材料、生物質(zhì)衍生碳基復合吸波材料、磁性金屬復合吸波材料、陶瓷基復合吸波材料等。以電磁吸收原理為基礎，探究各材料的合成方法、合成條件、材料理化性質(zhì)。雖然目前的研究取得了一定進展，但在制備工藝、批量化生產(chǎn)、實際應用方面還有所欠缺，未來將不斷加深對介電損耗型材料與磁損耗型材料復合的探究，摻雜復合材料將成為研發(fā)寬頻吸波材料的最主要技術(shù)。