1、前沿
隱身技術(shù)是一門(mén)新興邊緣科學(xué)，涉及多個(gè)學(xué)科與技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用十分廣泛。從各種武器裝備、飛行器的隱身到現(xiàn)代電子信息設(shè)備的抗干擾系統(tǒng)都是不可缺少的實(shí)用技術(shù)和組成部分。
就武器而言，隱身技術(shù)是通過(guò)降低電器、武器或飛行器的光、電、熱可探性而達(dá)到隱身目的的一種技術(shù)；或者說(shuō)是采用多種技術(shù)措施，降低對(duì)外來(lái)信號(hào)（光、電、磁波、紅外線等）的反射，使反射信號(hào)與它所處的背景信號(hào)難以區(qū)別，最大限度地減弱自身的特征信號(hào)，以達(dá)到自身隱蔽的效果。隱身技術(shù)可分為有源隱身技術(shù)和無(wú)源隱身技術(shù)。所謂有源是利用計(jì)算機(jī)分析外來(lái)探測(cè)信號(hào)，并及時(shí)主動(dòng)發(fā)射相應(yīng)的干擾信號(hào)，以達(dá)到自身的隱蔽。而無(wú)源隱身技術(shù)是一種被動(dòng)隱身技術(shù)，它包括隱身結(jié)構(gòu)技術(shù)和隱身材料技術(shù)。隱身結(jié)構(gòu)技術(shù)是在盡量不影響功能的條件下降低自身特征信號(hào)，并設(shè)法減少雷達(dá)反射截面積，這在軍事上顯得特別重要?？梢?jiàn)隱身結(jié)構(gòu)技術(shù)和隱身材料技術(shù)是隱身技術(shù)不可分割的兩部分，而隱身材料在實(shí)現(xiàn)隱身中起著重要作用，也是研究隱身技術(shù)的主要內(nèi)容之一。
隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品特別是移動(dòng)通訊、計(jì)算機(jī)、家用電器的普及，人們生存環(huán)境遭受到電磁波嚴(yán)重污染，城市高層建筑的增多又引起電子環(huán)境的惡化，如何降低電磁波干擾已成為全世界電子行業(yè)普遍關(guān)注的問(wèn)題。隱身材料也是解決電子產(chǎn)品抗電磁干擾的有效方法之一。
隱身材料又稱(chēng)之為吸波材料，其作用把外來(lái)的電磁波能量轉(zhuǎn)換為熱能，降低反射波的強(qiáng)度，達(dá)到隱身或抗干擾的效果。按吸波
材料損耗機(jī)理可分為：電阻型、電介質(zhì)型和磁介質(zhì)型。為了達(dá)到最佳的隱身效果，常常把多種吸波材料結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成復(fù)合型吸波材料，廣泛用于雷達(dá)、航天、微波通訊及電子對(duì)抗、電子兼容的吸收屏蔽等領(lǐng)域。
2 磁性吸波材料
2.1 吸波材料工作的基本原理
所謂吸波就是吸收電磁波，吸波材料的工作基本原理是 ：
對(duì)于一般材料，材料的介電常數(shù)ε與磁導(dǎo)率μ可寫(xiě)成以下復(fù)數(shù)形式：
ε*=ε′－ｊε′′ μ*=μ′－ｊμ′ ′ (1)
式中：ε′和μ′分別為吸波材料在電場(chǎng)或磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的極化和磁化強(qiáng)度的變量，而ε"為在外加磁場(chǎng)作用下，材料電偶矩產(chǎn)生重排引起損耗的度量，μ"為在外加磁場(chǎng)作用下，材料磁偶矩產(chǎn)生重排引起損耗的度量。對(duì)介質(zhì)而言，承擔(dān)著對(duì)電磁波吸波功能的是ε″和μ″，它們引起能量的損耗，損耗因子為tanδ可由下式表示：
(2)
可見(jiàn)，tanδ隨ε″和μ″的增大而增大。
設(shè)計(jì)吸波材料除了盡可能提高損耗外，還要考慮另一關(guān)鍵因素，即波阻抗匹配問(wèn)題，使介質(zhì)表面對(duì)波的反射系數(shù)(γ)為0或最小，電磁波入射到介質(zhì)進(jìn)而被吸收。反射系數(shù)γ的定義如式(3)所示：
(3)
當(dāng)波阻抗為Zo的平面電磁波由自由空間(μ0、ε0)垂直入射到磁導(dǎo)率為μr、介電常數(shù)為εr的吸收媒質(zhì)時(shí)，界面上就會(huì)發(fā)生反射和透射。吸收媒質(zhì)對(duì)電磁波的反射損耗我們用R來(lái)表示，單位是dB：
(4)
式中，Zo一自由空間波阻抗，
Zin一輸入波阻抗，
式中，μr，εr分別為材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，相對(duì)介電率。
要獲得反射損耗為零（實(shí)際上不可能而只能達(dá)到最小），吸收媒質(zhì)的波阻抗必須與自由空間的波阻抗相匹配，即Zin=Zo，這時(shí)反射損耗最小，說(shuō)明電磁波能量被媒質(zhì)所吸收。
對(duì)于有限厚度的吸收媒質(zhì)，輸入波阻抗可表示為：
(5)
式中，f — 電磁波頻率：
d — 吸收媒質(zhì)的厚度；
c — 光速。
將(5)式代入(4)式，反射損耗等式就變成一個(gè)復(fù)數(shù)超越函數(shù)，它表示反射損耗與媒質(zhì)的電磁參數(shù)存在著復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，只有特定的邊界條件才能得到有效解。
對(duì)于吸收媒質(zhì)厚度d為無(wú)限大時(shí)，輸入波阻抗，要滿(mǎn)足反射損耗最小則要求：
(6)
實(shí)際上一般媒質(zhì)的εr和μr值相差甚遠(yuǎn)，只有采用特定的媒質(zhì)和特殊的工藝設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)εr和μr，才能達(dá)到吸收媒質(zhì)的波阻抗與自由空間的波阻抗相匹配。如鐵氧體粉末要提高它的吸收性能就采用與導(dǎo)電聚合物復(fù)合來(lái)降低鐵氧體的介電常數(shù)，而金屬磁性粉末則加絕緣樹(shù)脂來(lái)提高介電常數(shù)，或改變粉末的外形、尺寸來(lái)調(diào)整εr和μr，以滿(mǎn)足(6)式要求，從而降低反射損耗提高吸收性能。實(shí)際操作相當(dāng)復(fù)雜，但對(duì)于一般通訊設(shè)備，只要反射損耗小于20dB，電磁波即被媒質(zhì)99%吸收。
鐵氧體吸波材料的匹配條件為：
(7)
式中：λ為自由空間中電磁波長(zhǎng)；d為吸收體的厚度。由此可見(jiàn)，要獲得性能優(yōu)良的吸波材料必須滿(mǎn)足以下要求：
(1) 入射波最大限度地進(jìn)入材料內(nèi)部，而不在其前表面上反射，即材料的匹配特性；
(2) 進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波能迅速地被材料吸收衰減掉，即材料的衰減特性。但正如許多工程問(wèn)題一樣，這兩個(gè)要求經(jīng)常是互相矛盾的。
2.2 磁性吸波材料的分類(lèi)與特性
通常說(shuō)來(lái)，具有吸波特性的
磁性材料（介質(zhì)）可分為金屬與非金屬（鐵氧體）兩大類(lèi)，下面予以介紹。
2.2.1 鐵氧體吸波材料
鐵氧體吸波材料是應(yīng)用最早、最多且較成熟的一類(lèi)
磁性材料，即使在低頻、厚度薄的情況下仍有良好的吸波性能。它的基本原理是鐵氧體材料的鐵磁自然共振吸收。
在不加外恒磁場(chǎng)的情況下，當(dāng)入射的交變磁場(chǎng)的角頻率和晶體的磁各向異性等效場(chǎng)Hk 所決定的本征角頻率相等時(shí)，鐵氧體吸波材料將大量吸收電磁波能量。本征角頻率ωk由ωk =γHk 確定，γ為旋磁比。在米波至厘米波范圍內(nèi)，可使反射能量衰減17~20DdB，從50年代至今仍被廣泛使用。按微觀結(jié)構(gòu)的不同，可分為六角晶系、尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型鐵氧體。作為吸波材料應(yīng)用最廣泛的是六角晶系和尖晶石晶系，因?yàn)榱蔷稻哂衅瑺罱Y(jié)構(gòu)，而片狀結(jié)構(gòu)是吸收劑的最佳形狀。尖晶石型鐵氧體的介電常數(shù)ε′和磁導(dǎo)率μ′比較低，用純鐵氧體粉末分散在非磁性體中而制成的復(fù)合鐵氧體，則可通過(guò)鐵氧體粉末的粒徑、鐵氧體粉末與非磁性體的混合比例及鐵氧體組成來(lái)控制其電磁參數(shù)。目前已研制并廣泛應(yīng)用的有Ni-Zn、Li-Zn、Ni-Mg-Zn、Li-Cd、Ni-Cd、Co-Ni-Zn、Mg-Cu-Zn 等鐵氧體。
鐵氧體吸收材料是利用
磁性材料在高頻下磁損耗和磁導(dǎo)率的頻散來(lái)吸收電磁波能量的，從磁導(dǎo)率的頻散曲線（圖1）可以看出曲線分為5個(gè)區(qū)域，這五個(gè)區(qū)域出現(xiàn)的吸收機(jī)理各不相同。圖中μ為磁導(dǎo)率的實(shí)數(shù)部分，μ"為磁導(dǎo)率的虛數(shù)部分。在低頻區(qū)域(I)f<104Hz時(shí)，μ幾乎不隨頻率而改變，μ"的變化也很??；在區(qū)域(II)f為l04~106Hz時(shí)，μ和μ"的變化也很小，但μ"出現(xiàn)峰值，該峰值是由樣品的尺寸共振所引起的吸收，由樣品的幾何尺寸與傳播的電磁波的半波長(zhǎng)相而產(chǎn)生的駐波所引起的共振吸收，與材料特性無(wú)關(guān)；在區(qū)域(Ⅲ)f為l06~l08Hz時(shí)，μ急劇下降，μ"迅速增加，此時(shí)磁損耗迅速增大出現(xiàn)共振吸收，這主要是疇壁位移引起的共振吸收；在區(qū)域(IV)f為l08~l011Hz時(shí)，μ繼續(xù)下降，而μ"在此區(qū)域又出現(xiàn)峰值，這是由于磁疇內(nèi)磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的自然共振吸收；在極高頻區(qū)域(V)f>1010Hz時(shí)，屬于自然交換共振，實(shí)驗(yàn)觀察并不多見(jiàn)。對(duì)于鐵氧體粉末材料來(lái)說(shuō)吸波機(jī)理主要是自然共振。不同結(jié)構(gòu)的鐵氧體其自然共振頻率不同。
傳統(tǒng)的立方晶系尖晶石型的鐵氧體（Zn-Ni，Li-Zn）其共振頻率可表達(dá)為：
(8)
從公式中可見(jiàn)其自然共振頻率與材料的Ms成正比，與磁導(dǎo)率μr成反比，即磁化強(qiáng)度高的材料fc高，磁導(dǎo)率高的材料fc低，對(duì)于尖晶石型鐵氧體一般只能在小于3GHz頻段使用。共振頻率還與磁各向異性有關(guān)，如對(duì)于平面六方晶系鐵氧體，有強(qiáng)的單軸各向異性，如Co2Z型的Ba3Co2Fe24O41鐵氧體，其共振頻率可表達(dá)為：
(9)
其中Hkθ為與軸向夾角θ的磁各向異性場(chǎng)；Hkφ為與軸向夾角φ的磁各向異性場(chǎng)，Hkθ 比Hkφ大二個(gè)數(shù)量級(jí)。表1示出了兩種晶系共振頻率的比較，可以看出磁導(dǎo)率高的共振頻率低，六角晶系共振頻率比立方晶系高2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，適合于做超高頻吸收材料。
2.2.2 新型鐵氧體吸波材料
1) 金屬磁性超微粉吸波材料
隱身技術(shù)始于第二次世界大戰(zhàn)。作為提高武器系統(tǒng)生存能力和突防能力的有效手段，已被當(dāng)今世界各國(guó)視為重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的軍事高新技術(shù)，尤其是隨著雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，原有的隱身技術(shù)面臨著很大的挑戰(zhàn)，迫切需要厚度薄、質(zhì)量輕、頻帶寬、功能多的新型隱身材料。
新型吸波材料要求薄、輕、寬、強(qiáng)，即要求密度小，重量輕，吸收頻率寬，吸收能力強(qiáng)。如果把相關(guān)數(shù)據(jù)代人(4)，那么材料的吸收損耗就表示為
(10)
式中，R為材料的吸收損耗， σr為材料的導(dǎo)電常數(shù)，μr為材料的磁導(dǎo)率。
由于鐵氧體材料的σr、μr要比金屬材料低，所以提高鐵氧體材料吸收損耗只有增加材料的厚度d，顯然這將影響它的應(yīng)用。從理論上講，金屬材料因居里點(diǎn)高(770K)而耐高溫，Ms可達(dá)鐵氧體的3~4倍，從公式(9)看出，金屬自然共振頻率比鐵氧體高得多，有更好的吸收性能，但塊狀金屬吸波材料會(huì)受到金屬趨膚效應(yīng)的限制。隨著金屬或合金的粒徑減小，材料對(duì)電磁波的吸收性能逐步增加，反射性能逐漸減弱。法國(guó)巴黎大學(xué)研究指出，微米級(jí)Ni、Co磁粉在1~8GHz時(shí)有強(qiáng)的吸收性能。金屬超細(xì)粉吸波材料，又稱(chēng)為磁介質(zhì)吸波材料。國(guó)內(nèi)外對(duì)金屬微粉研究認(rèn)為磁性金屬微粉的吸波能力優(yōu)于普通金屬，這是因?yàn)槌擞须娮游胀?，還存在磁損和頻散，而且棒狀、片狀、纖維狀等形狀各向異性的磁性粉末優(yōu)于顆粒狀的磁性粉末，可見(jiàn)金屬超微粉是及其重要的吸收材料，可以彌補(bǔ)鐵氧體的重量重、高頻特性不理想的缺點(diǎn)。
2) 磁性納米吸波材料
近年來(lái)，隨著多學(xué)科的交叉研究，吸波材料在材料的選擇上有了更大的空間，特別是與具有不同特性材料的復(fù)合，使吸波材料的性能有了更大進(jìn)展。近年來(lái)材料技術(shù)的重點(diǎn)熱門(mén)一納米技術(shù)在吸波材料制備過(guò)程中的成功應(yīng)用，使吸波材料的性質(zhì)在本質(zhì)上也呈現(xiàn)出驚人的飛躍。而計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的蓬勃發(fā)展和最優(yōu)化理論的運(yùn)用對(duì)于確定出介質(zhì)參量ε*（復(fù)介電系數(shù)）和μ*（相對(duì)復(fù)導(dǎo)磁率）隨頻率變化時(shí)介質(zhì)對(duì)微波吸波性能的影響，幫助掌握各種配方與介質(zhì)參量的關(guān)系，深入討論影響介質(zhì)的各種機(jī)制，從而做到按需要調(diào)整材料的參量都有很大地幫助，更可以起到指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)方向，加快研發(fā)過(guò)程的作用。
下面一個(gè)例子就是納米技術(shù)在吸波材料中的應(yīng)用，它表現(xiàn)了當(dāng)吸波材料鐵氧體在進(jìn)入納米級(jí)別后吸波性能的優(yōu)化。圖2是鐵氧體與導(dǎo)電復(fù)合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％的納米復(fù)合物（其中納米粒子是共沉淀法制備的10nm的鐵氧體）與非納米復(fù)合物在8-12GHz范圍內(nèi)對(duì)電磁波的反射系數(shù)R隨頻率f變化的曲線。從圖中可以看出，兩者的曲線走勢(shì)基本相同，不同之處是整個(gè)頻段內(nèi)納米復(fù)合物的吸收率均高于非納米復(fù)合物。
當(dāng)顆粒尺寸減小到10~100nm時(shí)，粒子的物理和化學(xué)性能發(fā)生巨大的變化。隨粒子尺寸的減小，粒子表面積增大，表面原子所占的比例變大，受內(nèi)部原子約束變小，晶體缺陷增加，化學(xué)性極為活潑。金屬原子導(dǎo)電電子能帶從連續(xù)變?yōu)榉至训哪芗?jí)。不同能級(jí)躍遷就可以吸收不同波段的能量。如果納米粒子的粒徑按大小分布，與聚氨乙烯混合組成復(fù)合吸收體，就可以對(duì)毫米波、遠(yuǎn)紅外、近紅外有很強(qiáng)的吸收，其吸波頻帶比上述吸波材料寬得多，可謂是寬頻帶吸波材料。而且兼容性好、質(zhì)量小、厚度薄。如納米γ-FeNi金屬粉末尺寸小于10nm，對(duì)厘米和毫米波的最高吸收率高達(dá)99.95％。最近人們開(kāi)展了鐵氧體納米化研究，將納米鐵氧體與導(dǎo)電聚合物復(fù)合成新穎的納米復(fù)合微波吸收材料，從理論上來(lái)說(shuō)具有磁損和介電損耗的吸收功能又有納米微粒本身的吸波性能。合成材料是一種質(zhì)輕、頻寬、性能優(yōu)良的吸波材料。國(guó)內(nèi)外對(duì)納米吸波材料給予高度重視，美國(guó)已研制出第四代納米吸波材料，對(duì)雷達(dá)波吸收率可達(dá)99％，而其厚度只是微米級(jí)。
3)復(fù)合磁性吸波材料
各種材料具有不同的吸波特性，適應(yīng)不同的波段，而目前吸波材料的一個(gè)主要研究方向就是多頻率。所以如果能復(fù)合這些材料，會(huì)使吸波材料的應(yīng)用范圍大大加寬。這些材料并不是無(wú)機(jī)相與有機(jī)相的的簡(jiǎn)單加合，兩相界面間只存在較強(qiáng)或較弱的化學(xué)鍵。它們的復(fù)合將實(shí)現(xiàn)集無(wú)機(jī)、有機(jī)、納米粒子的諸多特異性質(zhì)于一身的新材料。特別是無(wú)機(jī)和有機(jī)的界面特性使其具有更廣闊的應(yīng)用前景。有機(jī)材料優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)、高彈性和韌性，以及易加工性，可改善無(wú)機(jī)材料的脆性；更主要的是，有機(jī)物的存在可以提供一個(gè)優(yōu)異的載體環(huán)境，提高納米級(jí)無(wú)機(jī)相的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)其獨(dú)特的微觀控制，在光電磁催化等方面的特性能得到更好的發(fā)揮，甚至可能產(chǎn)生奇異特性的新型材料。
然而單純的無(wú)機(jī)納米粒子是不易分散于有機(jī)物中的，有機(jī)物與無(wú)機(jī)粒子之間常有嚴(yán)重的相分離現(xiàn)象。有機(jī)無(wú)機(jī)相間應(yīng)存在較強(qiáng)的相互作用，才能較好的利用有機(jī)基質(zhì)來(lái)防止無(wú)機(jī)納米微粒的團(tuán)聚，使納米微粒能長(zhǎng)期穩(wěn)定的存在。所以制備復(fù)合吸波材料并不僅僅是無(wú)機(jī)相和有機(jī)相單獨(dú)的納米技術(shù)，更主要的是復(fù)合的納米技術(shù)，材料的分子設(shè)計(jì)就顯得十分重要。
近年來(lái)發(fā)展建立起來(lái)的復(fù)合材料的制備方法也多種多樣，可大致歸為四大類(lèi)：納米單元與高分子直接共混；在高分子基體中原位生成納米單元；在納米單元存在下單體分子原位聚合生成高分子；納米單元和高分子同時(shí)生成。各種制備納米復(fù)合材料方法的核心思想都是要對(duì)復(fù)合體系中納米單元的自身幾何參數(shù)、空間分布參數(shù)和體積分?jǐn)?shù)等進(jìn)行有效的控制，尤其是要通過(guò)對(duì)制備條件（空間限制條件、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素、熱力學(xué)因素等）的控制，以保證體系的某一組成為一維尺寸至少在納米尺度范圍內(nèi)（即控制納米單元的初級(jí)結(jié)構(gòu)），其次是考慮控制納米單元聚集體的次級(jí)結(jié)構(gòu)。
納米鐵氧體吸波復(fù)合材料
鐵氧體吸波復(fù)合材料是既有一定介電常數(shù)和介電損耗,又有一定磁導(dǎo)率和磁損耗的雙復(fù)介質(zhì)，其作用機(jī)理可概括為鐵氧體對(duì)電磁波的磁損耗和介電損耗，將鐵氧體納米顆粒與聚合物復(fù)合而成的納米復(fù)合吸波材料，能有效吸收和衰減電磁波和聲波，被認(rèn)為是一種極好的吸波材料。鐵氧體納米復(fù)合材料多層膜在7~17GHz的頻率段內(nèi)的峰值吸收為(-40dB)，小于(-10dB)的頻寬為2GHz。
磁性納米金屬粉吸波復(fù)合材料
從金屬的電子能級(jí)躍遷、原子相對(duì)振動(dòng)的光學(xué)波、原子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)和原子磁能級(jí)的分析可以看出，具有磁性的金屬超細(xì)顆粒與電磁波有強(qiáng)烈的相互作用，具備大量吸收電磁波能量的條件，納米金屬粉吸波復(fù)合材料具有微波磁導(dǎo)率較高、溫度穩(wěn)定性好（居里溫度高達(dá)770K）等突出優(yōu)點(diǎn)，己得到了廣泛應(yīng)用。納米金屬粉吸波復(fù)合材料主要包括羰基納米金屬粉復(fù)合材料和納米磁性金屬粉復(fù)合材料兩類(lèi)，其中羰基納米金屬粉主要包括羰基Fe、羰基Ni和羰基Co等；納米磁性金屬粉主要包括Co、Ni、CoNi和FeNi等。
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