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纳米吸波材料的物理实质及研究进展

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文章编号t 1672-8785(2006)08—0001-05 纳米吸波材料的物理实质及研究进展 秦润华 (中北大学物理系,山西太原030051) 摘 要:吸波材料是隐身技术的关键材料,纳米材料由于其特殊的量子尺寸效应和隧 道效应等产生的优良的电磁波吸收性能而受到世界各国的重视。本文简单介绍了吸波 材料的工作原理,进而阐述了纳米吸波材料吸收电磁波的物理实质。详细介绍了纳米 涂敷型吸波材料和纳米结构型吸波材料的研究现状,并对纳米吸波材料的发展趋势进 行了展望。 关键词:纳米材料;吸波材料;隐身技术;量子尺寸效应;隧道效应 中图分类号:TB34 文献标识码: A Physical Essence of Nanometer Wave—absorbing Materials and Research Advance QIN Run.hua (Department ofPhysics,North University ofChina,Taiyuan 030051,chjnaJ Abstract:Wave-absorbing materials are the key materials for stealth techniques.Because the na12ome- ter materials have the special quantum-sized effect and tunneling effect which carl result in excellent electromagnetic wave-absorbing performance,more and more attention has been paid to them in the world.In this paper,the operation principle of the wave—absorbing material is explained,the phyrsical essence of the nanometer wave-absorbing material is presented and the current status of the research on the nanometer coating wave-absorbing material and nanometer structural wave-absorbing material is described.Finally,the development trend of the nanometer wave-absorbing material is given. Key words: nanometer materials;wave-absorbing materials;stealth technique;quantum-sized effect; tunneling effect 1引言 的概率的综合性技术。由于雷达在探测系统中 随着军事技术的迅猛发展,世界各国的防 是最主要的探测手段,因而雷达隐身技术是当 御体系被敌方探测、跟踪和攻击的可能性越来 前隐身技术研究的重点。目前针对雷达的隐身 越大,军事目标的生存能力和武器系统的突防 技术途径主要有两条,一是通过对飞机、舰艇等 能力受到了严重威胁。为了提高军事目标的生 武器的外形进行改进,减少雷达扫射面积;二是 存能力和武器系统的突防能力,发展隐身技术 应用雷达吸波材料对雷达波进行吸收或减少对 已成为军事技术发展的重要方向. 它的反射。外形改进由于设计制造难度较大,耗 隐身技术是指通过降低目标的可探测信号 费较高,因而不易实现。而相对而言,吸波材料 特征,从而减小目标被敌方各种探测设备发现 的设计制作难度较小,耗费也较低,所以各军事 收稿日期:2006--02—16 基金项目t山西省自然科学基金(2006011010) 作者简介t秦润华(1978一),女,河北唐山人,硕士,主要从事微纳光电材料的研究。 INFRARED(MONTHLY)/VOL.27,No.8,AUG 2006 维普资讯 http://www.cqvip.com

强国普遍重视对吸波材料的研究与开发。 3纳米吸波材料的物理实质 2吸波材料的工作原理 纳米是介于宏观物质和微观原子、分子的 吸波材料吸收或衰减入射的电磁波,并将 中间领域,是一种新的结构状态。纳米材料是指 电磁能转变成热能而耗散掉。在实际的吸波材 材料组份的特征尺寸在纳米量级(1nm 100nm) 料制作过程中发现,良好的吸波材料必须具备 的材料。正是由于结构和组成上的特殊性,纳米 两个条件,一是电磁波射入到吸波材料内,其能 材料具有许多与众不同的特殊性能,主要表现 量损耗尽可能大;二是吸波材料的阻抗与电磁 为:表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和量 波的阻抗相匹配,此时满足无反射。 子隧道效应等【川。这些独特的结构使纳米材料 要满足条件一,由电磁波在介质中的传播 的物理化学性能发生了本质的变化,开拓了新 系数: 的应用领域。 £=£ 一话” (1) 纳米材料正是由于具有这一系列的特殊结 = 一t ” (2) 构,在光、电、磁等物理性质方面发生了质的变 式中, 及 ”为介电损耗和磁损耗。 化,不仅磁损耗增大,而且兼具吸波、透波、偏 振等多种功能,并且可以与结构材料或涂敷材 k=2 =k 一ik” (3) cx/#e 料相融合,兼备了吸收强、频带宽、兼容性好等 优点,因而成为一种极具发展前途的吸波材料。 式中,k”为电磁波衰减系数。 纳米吸波材料对电磁波能量的吸收主要取 对于TEM波来说,进入到吸波材料,其能 决于三种效应:一是由晶格电场热运动引起的 量损失为 电子散射;二是由杂质和晶格缺陷引起的电子散 Q(x)= (4) 射;三是电子与电子间的相互作用。一方面,由 于纳米微粒尺寸为lnm 100nm,远小于雷达发 = 0、 ( 0=1207r) (5) 射的电磁波波长,因此纳米材料对这种波的透 由此可知,当材料的£”和 很大时,k才 过率比常规材料强得多,大大减小了波的反射 能很大,此时能有效吸收电磁波。 率,使得雷达接收到的反射信号变得很微弱, 若满足条件二,在阻抗为 o的自由空间中, 从而达到隐身的目的;另一方面,纳米微粒材料 电磁波投射到阻抗为 的介电表面或磁性表面 的比表面积比常规微粒大3至4个数量级,对电 产生部分反射的系数为 磁波和红外光波的吸收率比常规材料大得多。 被探测物发射的红外光和雷达发射的电磁波被 纳米粒子吸收,使得红外探测器和雷达很难探 式中,Z0=、/ , =、/告, 。和 分别为 测到被探测目标。此外,随着颗粒的细化,在一 定尺寸时,由于颗粒的表面效应,纳米颗粒费 自由空间和吸波材料的磁导率,£o和£ 分别为 米面附近的电子能级由准连续变为离散能级, 自由空间和吸波材料的介电常数. 并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据 为了不发生反射,反射系数必须为零,即满 的分子轨道和最低未被占据的轨道能级,使得 足 。= 或 =丝。这就是理想吸波材料的 能隙变宽。同时,量子尺寸效应使纳米粒子的电 阻抗匹配原理。 子能级发生分裂,其间隔正处于微波能量范围 综上所述,仅当£,,和 ,,很大且 :丝 (10 10-5eV),从而形成新的吸波通道【 。 时,吸波材料才能对雷达波进行有效的吸收与 反射。 4纳米吸波材料的分类及研究现状 INFRARED(MONTHLY)/VOL.27,NO.8,AUG 2006 维普资讯 http://www.cqvip.com

在目前的各种隐身技术中,材料隐身技术 因具有简单易行等优点,在隐身技术中占有重 要地位。随着现代科学技术的迅猛发展和各种 新材料及新的制备方法的出现,新的隐身材料 的制备成为可能.这些新的隐身材料的发展,尤 其是纳米隐身材料的发展,对隐身技术的发展 起了巨大的推动作用【引。 吸波材料。它是一种既有一定介电常数和介电 损耗,又有一定磁导率和磁损耗的双复介质。它 除有电子共振损耗外,还具有铁氧体特有的畴 壁共振损耗、磁矩自然共振损耗和粒子共振损 耗等特性。其作用机理可概括为铁氧体对电磁 波的磁损耗和介电损耗。 铁氧体吸波材料的纳米化是很有前途的新 兴隐身材料研究领域。国内外对此均进行了一 纳米吸波材料按材料成型工艺和承载能力 可分为涂敷型和结构型。涂敷型吸波材料是将 定的研究,并取得了一定的研究成果【。-。美国 吸收剂与粘结剂混合后涂敷于目标表面形成吸 已研制出一系列薄层状铁氧体吸波材料,并成 波复合涂层;而结构型吸波材料则是将吸收剂 功应用于F一117A战斗机。在对纳米铁氧体吸波 分散在由特种纤维制成的材料中所形成的结构 材料进行研究的同时,研究者也从各方面探索 复合材料,它具有承载和吸收雷达波的双重功 了超细铁氧体与其他材料复合形成的复合吸波 材料。解家英研究了Nd。O3掺杂对纳米锂铁氧 能。 体微波吸收特性的影响,他们采用机械合金化 目前,美、俄、法、德、日等国都把纳米吸 方法制备了纳米晶LiFe5Os和LiFe4_9g4Nd0_00608 波材料作为新一代雷达吸波材料进行探索与研 材料,并研究了它们的吸波性能【加】。 究。国内外研究的纳米吸波材料主要有:纳米金 (3)纳米导电高聚物吸波材料 属和合金 纳米金属膜、纳米铁氧体、纳米导电聚 导电高聚物的吸收机制在于其掺杂后都会 合物、纳米碳化硅、纳米Si/C/N和Si/C/N/O材 形成极化子,所形成的极化子可以看作是在导 料、纳米石墨、纳米氮化铁、纳米碳管等[4-7】。 电高聚物中的固有偶极子.它在微波电池作用 4.1涂敷型纳米吸波材料 下的取向极化必将对导电高聚物在微波范围内 (1)纳米金属粉吸波材料 的介电损耗有贡献。导电高聚物吸波材料属电 基于纳米金属粉的吸波材料具有微波磁导 损耗型,是一种很有发展前途的新型的电损耗 率较高、温度稳定性好(居里温度高达770K)等 型吸波材料. 突出优点,纳米金属粉吸波材料已得到了广泛 但是由于常规的导电高聚物具有涂层厚和 的应用。纳米金属粉吸波材料主要是通过磁滞 频带窄等缺点,根据电磁波吸收原理,吸波材料 损耗、涡流损耗等机制吸收损耗电磁波的。 具有磁损耗是展宽频带和提高吸收率的关键, 纳米金属粉吸波材料主要包括纳米羰基金 因此改善和赋予导电高聚物磁损耗是导电高聚 属粉吸波材料和纳米磁性金属粉吸波材料两大 物吸波材料实用化的关键。目前改善的方法是 类。纳米羰基金属粉包括羰基Fe、羰基Ni和羰 使导电高聚物纳米化,形貌管状化【¨】。王国强 基Co等,其中纳米羰基铁粉最为常用.将羰基 等人制备了纳米铁氧体导电聚合物,并与非纳 米铁氧体导电聚合物进行了对比。研究发现,当 铁与DC805型硅橡胶均匀掺和,吸波剂质量比为 铁氧体的质量分数为2O%左右时,纳米导电聚 9O%,反射率在2GHz一10GHz频率范围内低于 合物的磁损耗较非纳米导电聚合物的磁损耗有 一10dB。纳米磁性金属粉包括CO、Ni、CoNi、 了较大的提高【 】. FeNi等,它们的电磁参数与组分和粒度有关.陈 (4)纳米手性吸波材料 利民等人制备了高抗氧化能力的纳米金属吸波 手性吸波材料能在雷达波段内具有像在光 材料,研究表明,该吸波材料在厘米波和毫米波 波段那样的旋光色散特性,是一种新型的电磁 波段均具有较好的吸波性能【引。 波吸收材料。通过在普通的介质中加入合适的 (2)纳米铁氧体吸波材料 并具有手性特征的微体,便可制得具有良好吸波 铁氧体吸波材料是研究较多且比较成熟的 性能的手性吸波材料【 】。同普通材料相比,手 INFRARED(MONTHLY)/VOL.27,No.8,AuG 2006 维普资讯 http://www.cqvip.com

性材料通过调节手性参数可使材料无反射,而 纳米碳纤维结构吸波材料是一类多功能复 手性参数的调节比电磁参数的调节更容易[14】, 合材料,具有承载和减小雷达反射截面的双重 且具有频率敏感性小,易实现阻抗匹配及宽频 功能。碳纤维吸波复合材料具有高强度、高模量 吸收等特点。 和质量轻等优点,不仅广泛应用于一般飞行器 曹茂盛等人研究了添加不同质量分数碳纳 和导弹,在隐身兵器中也日益显露头角。美国研 米管(CNTs)的聚酯基复合材料的电磁波吸收性 制出的“超黑粉”纳米吸波材料,对雷达波的吸 能,初步分析了CNTs的螺旋结构和手性特征 收率高达99%,这种“超黑粉”纳米吸波材料实 导致的在8GHz 40GHz波段的良好吸收[15】。 质上就是用纳米石墨作吸收剂制成的石墨/热 CNTs/聚酯基复合材料由于其手性特征,在毫 塑性复合材料和石墨/环氧树脂复合材料,不仅 米波段也表现出了明显的吸收。CNTs的良好吸 吸收率高,而且在低温下仍能保持很好的韧性。 波特性,意味着可以设计出既吸收厘米波又吸 (3)纳米多晶铁纤维吸波材料 收毫米波的雷达波吸收材料。 多晶铁纤维吸波材料主要通过磁损耗来吸 3.2结构型吸波材料 收电磁波,是一种新型的吸波材料,它包括Fe、 (1)纳米SiC吸波材料 Ni、Co及其合金纤维。同颗粒吸收剂相比,由 SiC吸收剂具有密度小、耐高温性能好和吸 于纤维的形状各向异性,同时具有高磁导率、质 收频带宽的优点,但用一般方法制备的SiC纤维 轻、宽频带等特点,以多晶铁纤维为主要吸收剂 具有电阻率大,介电损耗低,吸收效率不是很高 制备的材料被认为是目前最有应用前景的吸波 等缺点,因此需对其进行表面改性。 材料。 焦桓等人通过对纳米SiC进行掺杂,得到了 纳米多晶铁纤维吸波材料与常规多晶铁纤 纳米Si/C/N复合吸收剂,并对不同N含量的纳 维吸波材料相比,具有质量轻、面密度小、频带 米Si/C/N复合吸收剂的吸波性能进行了研究。 宽和吸收率高等特点。GAMMA公司和3M公 结果发现,少量掺杂有利于提高SiC的吸波性 司研制的纳米多晶铁纤维吸波材料在较宽的频 能【 。 率范围内具有很好的吸收性能,最大吸收可达 纳米Si/C/N复合吸收剂能够吸波的主要原 34dB,且重量可减轻4o% 6o%[16,17l。 因在于吸收剂中形成的SiC晶格中固溶了N原 5结束语 子,固溶的N原子在晶格中取代C原子的位置 形成晶格缺陷。在正常的SiC晶格中,每一个C 综上所述,纳米吸波材料具有优异的吸波 原子和每一个si原子分别与周围四个相邻的si 性能,兼有频带宽、多功能、质量轻及厚度薄等 原子和C原子以共价键相连接。当N原子取代 特点,对微波和红外皆有极好的吸波效果,还能 C原子进入SiC中后,由于N只有三价,只能 与结构复合材料或结构吸波材料复合,是一种 与三个Si原子成键,而另外一个Si原子将剩余 颇具发展潜力的高性能吸波材料。随着纳米技 术的发展,纳米吸波材料在不久的将来有望发 一个不能成键的价电子,形成一个带负电的缺 陷。由于原子的热运动,这个电子可以在N原 展成为能兼顾毫米波、厘米波、米波、可见光、 红外等多波段电磁隐身的多频谱吸波材料. 子周围的四个si原子上运动,从一个Si原子跃 迁到另一个si原子.在跃迁的过程中要克服一 参考文献 定的势垒,因此其运动滞后于电场,出现强烈的 【1】张立德,牟季美.纳米材料和纳米结构【M】_北京t 极化弛豫,这种极化弛豫是损耗电磁波能量的 科学出版社,2001,83. 主要原因。从而使得纳米Si/C/N复合吸收剂具 【2】王海.雷达吸波材料的研究现状和发展方向[J].上 海航天,1999,(1):57_59. 有良好的吸收性能。 【3】袁艳,姚淑霞,安成强.新型隐身材料吸收剂的研 (2)纳米碳纤维吸波材料 究进展[J】.表面技术,2004,33(4):4 INFRARED(MONTHLY)/VOL.27,NO.8,AUG 2006 维普资讯 http://www.cqvip.com

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