5G技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為國防、醫(yī)療、通訊等領(lǐng)域帶來了極大便捷，但在另一方面也導(dǎo)致了通信設(shè)備多樣化和頻段增加，使得電磁環(huán)境變得愈加復(fù)雜，威脅了電子設(shè)備的正常運(yùn)行。此外，在軍事領(lǐng)域，現(xiàn)代飛機(jī)、艦艇和導(dǎo)彈等作戰(zhàn)平臺和武器裝備也需要降低其信號的可探測性，實現(xiàn)隱身。因此，在電磁污染治理和雷達(dá)隱身技術(shù)中有廣闊應(yīng)用前景的陶瓷基吸波材料成為各國的研究重點。

一、吸波材料的原理

一般金屬材料在接收電磁波時會產(chǎn)生反射，干擾其他設(shè)備或通信系，而吸波材料能以絕緣損耗、磁損耗和阻抗損耗等方式吸收或者大幅減弱接收到來自其他電子設(shè)備發(fā)射的電磁波能量，在材料的結(jié)構(gòu)內(nèi)反射、散射或者透射，使電磁波的能量發(fā)生衰減并轉(zhuǎn)換成熱能或其他形式的能量，從而減少電磁波的干擾。因此，吸波材料必須滿足兩個要求：一是要減少電磁波發(fā)生表面反射。二是實現(xiàn)最大程度上的衰減，而這兩者都和材料的電磁性能有關(guān)。一般而言，當(dāng)吸波體阻抗與空氣阻抗相等（阻抗匹配）時，電磁波在材料表面反射比例最小，進(jìn)入內(nèi)部的比例最大，而阻抗是否匹配與吸波體和空氣之間的相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率有關(guān)，因此一般需要通過復(fù)合、改性或改變結(jié)構(gòu)來調(diào)整吸波體的介電常數(shù)與磁導(dǎo)率。電磁衰減則通常依靠有較高的電導(dǎo)率或介電常數(shù)的電損耗類吸波劑（如SiC、Ti3SiC2等碳化物）以及有較高的磁導(dǎo)率和低介電常數(shù)的磁損耗類吸波劑（如金屬和鐵氧體等）來實現(xiàn)。

吸波材料的機(jī)理示意圖

2、陶瓷基吸波材料的優(yōu)勢和種類

吸波材料根據(jù)成型工藝和承載能力可分為涂覆型和結(jié)構(gòu)型兩種。傳統(tǒng)涂覆型吸波材料是直接在目標(biāo)表面涂覆具有吸波能力的涂層，包括金屬微粉、鐵氧體粉、導(dǎo)電高分子等，由于存在熱穩(wěn)定性差、 機(jī)械性能差、增重大、易與基體分離等問題，其使用條件受到了較大限制。結(jié)構(gòu)型吸波材料通常將吸波劑與基體結(jié)合，減小質(zhì)量的同時使性能更加可靠。

復(fù)合吸波材料

陶瓷基吸波材料就是以陶瓷材料為基體，添加吸波劑制成的一類吸波材料，雖然大部分陶瓷材料屬于低介電常數(shù)、低介電損耗類物質(zhì)，也沒有磁性，電磁波衰減能力較為有限，但由于具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、高機(jī)械強(qiáng)度和透波性，常用作復(fù)合物基體或阻抗匹配層，使陶瓷基吸波材料除了可在高溫高壓等極端環(huán)境下保持可靠的吸波能力，還可能實現(xiàn)較強(qiáng)的承載能力。目前，可用于制備吸波材料基體的陶瓷種類大致有碳化物、氮化物以及氧化物三種。

1.碳化物陶瓷基吸波材料

碳化硅纖維

碳化物陶瓷是一類耐高溫且超硬的材料，熔點通?？蛇_(dá) 3000 ℃，適用于航空航天、軍事等較為嚴(yán)苛的使用環(huán)境。其中SiC更是具備熱膨脹系數(shù)小、低密度的特點，這使其可以在溫差較大的工作情況下保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，并減輕整體結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。同時，利用鐵、鈷、鎳等摻雜改性后的SiC具備較高的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)電磁衰減，且摻雜的元素種類和氧化程度均對SiC的力學(xué)性能和吸波性能也有較大影響，因此可以通過熱處理、改性、結(jié)構(gòu)設(shè)計等手段有效調(diào)控其介電常數(shù)和介電損耗能力。

聚合物轉(zhuǎn)化法制備SiC陶瓷基吸波材料

通常，SiC陶瓷基吸波材料采用聚合物轉(zhuǎn)化法合成，即將含 Si 的有機(jī)聚合物先驅(qū)體（如聚碳硅烷、聚甲基硅烷等）溶液或熔融體浸漬到碳纖維預(yù)制體中，干燥固化后在惰性氣體保護(hù)下高溫裂解，得到SiC基體，并通過多次浸漬裂解處理，獲得致密度較高的復(fù)合材料。在這項工藝中，自由碳連接成網(wǎng)絡(luò)可以增強(qiáng)材料的韌性，使其不易斷裂，因此采用含碳量越高的碳纖維能使基體具備越高的抗彎強(qiáng)度，但其過高的碳含量和較大的晶粒同時也會增大電磁波反射率，而使材料不能實現(xiàn)有效吸波。正是這種力學(xué)性能和吸波性能的不平衡限制了 SiC 基吸波陶瓷材料的實際應(yīng)用，不過目前有研究者發(fā)現(xiàn)，采用SiO2、金屬等作為填充劑添加到浸漬液中可以便捷有效地對復(fù)合陶瓷的力學(xué)性能和吸波性能進(jìn)行調(diào)節(jié)，這使得聚合物轉(zhuǎn)化法制備碳化物陶瓷基吸波材料有一定的可行性。此外，通過聚合物先驅(qū)體分子結(jié)構(gòu)設(shè)計及裂解工藝優(yōu)化也可進(jìn)一步調(diào)控材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)較好的阻抗匹配。

2.氮化物陶瓷基吸波材料

氮化物陶瓷具有較高的分解溫度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及機(jī)械性能等，在航空、電子、機(jī)械、半導(dǎo)體等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。其中Si₃N₄ 和AlN陶瓷在制備吸波材料較具前景。

氮化硅隔熱吸波材料（來源：第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品）

Si₃N₄陶瓷有較好的斷裂韌性且耐高溫不易傳熱，能抵抗能熱沖擊，在吸波領(lǐng)域，氮化硅通常是與碳化硅復(fù)合，制備能同時提升材料吸波性能和力學(xué)性能的隔熱吸波材料。具體是說，是通過化學(xué)氣相沉積將熱解碳(PyC)和 SiC 沉積在碳纖維(Cf)表面，與以 Si3N4 為主體的陶瓷粉末混合后用凝膠注模法成型并進(jìn)行后續(xù)燒結(jié)，在此過程中，碳纖維含量的增加，材料的斷裂韌性也會大幅增強(qiáng)，同時采用泡沫凝膠注模工藝可以構(gòu)建分層多孔結(jié)構(gòu)，減少材料表面的反射，確保材料的阻抗匹配和吸收性能得到優(yōu)化和平衡。

導(dǎo)熱吸波材料

AlN 陶瓷除了具備氮化物普遍的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點外，還具備良好的導(dǎo)熱性，因此AlN 基復(fù)合陶瓷除吸波功能外，可以兼顧高功率電子設(shè)備的散熱問題，在高溫?zé)峁芾響?yīng)用上有廣闊前景。但AlN本身的介電常數(shù)較小，電導(dǎo)率也較小，其電磁損耗的表現(xiàn)并不明顯，所以也常與SiC復(fù)合，采用過放電等離子燒結(jié)等方法制成AlN-SiC吸波復(fù)合材料，基體AlN提供優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，SiC則提供電磁衰減性能。

盡管氮化物陶瓷具備良好的韌性和導(dǎo)熱性等，在吸波領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，但氮化物陶瓷的燒結(jié)溫度較高，在吸波劑的選擇和復(fù)合物的制備上有一定挑戰(zhàn)。

3.氧化物陶瓷基吸波材料

近年來，以氧化鋁、氧化鋅、氧化鎂、氧化硅等氧化物陶瓷為基體的復(fù)合材料的吸波性能被大量報道。其中氧化物陶瓷因其低密度、高硬度、耐腐蝕、價格低廉被研究最多，常除了被用作拋光劑、耐火材料、陶瓷基板等，又因其良好的透波性能在雷達(dá)隱身技術(shù)中也有較多應(yīng)用。

不同結(jié)構(gòu)的氧化鋁基體

在吸波領(lǐng)域中，氧化鋁基吸波材料本身的介電性能限制了其損耗能力，因此可以采用多孔、網(wǎng)狀、纖維等結(jié)構(gòu)的Al2O3 陶瓷基體與Ti3SiC2、FeSiAl 等介電損耗較高的材料復(fù)合，不僅能滿足吸波材料輕質(zhì)的要求，其本身具有的孔徑不僅具有調(diào)節(jié)電磁參數(shù)的功能，更能在電磁波入射時使電磁波產(chǎn)生多重反射和散射，增加電磁波在吸波材料中傳播路徑，從而達(dá)到增強(qiáng)吸波性能的功能。另外，多孔、網(wǎng)狀等結(jié)構(gòu)Al2O3陶瓷與其他材料進(jìn)行復(fù)合時能夠產(chǎn)生更多的界面，從而增強(qiáng)界面損耗，達(dá)到提高吸波性能的作用。不過美中不足的是，氧化鋁基吸波材料表現(xiàn)出的脆性較大、韌性較差，不宜后續(xù)加工。

小結(jié)

吸波材料在總體上是向著高吸收、寬頻帶、厚度薄、質(zhì)量輕、耐高溫等方向發(fā)展。陶瓷基吸波材料相較于傳統(tǒng)涂覆型吸波材料，能夠減小質(zhì)量的同時使性能更加可靠。碳化物吸波劑在陶瓷基吸波復(fù)合材料中使用較多，除了損耗能力強(qiáng)、高溫穩(wěn)定的優(yōu)勢外，碳基纖維對陶瓷基體脆性的改善也是非常重要的應(yīng)用優(yōu)勢。氮化物陶瓷基吸波材料韌性較好，其中氮化鋁更是具備良好的導(dǎo)熱性，在熱管理應(yīng)用上游廣闊前景，但吸波性能相對較弱；氧化物陶瓷基具備透波性好和價格低廉等優(yōu)勢，但脆性依然是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵所在。未來，對于吸波復(fù)合陶瓷表現(xiàn)出力學(xué)性能和吸波性能不平衡的問題，仍然需要大量研究來積累經(jīng)驗。

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