5G技術的廣泛應用，為國防、醫療、通訊等領域帶來了極大便捷，但在另一方面也導致了通信設備多樣化和頻段增加，使得電磁環境變得愈加復雜，威脅了電子設備的正常運行。此外，在軍事領域，現代飛機、艦艇和導彈等作戰平臺和武器裝備也需要降低其信號的可探測性，實現隱身。因此，在電磁污染治理和雷達隱身技術中有廣闊應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生反射，干擾其他設備或通信系，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備發射的電磁波能量，在材料的結構內反射、散射或者透射，使電磁波的能量發生衰減并轉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生表面反射。二是實現最大程度上的衰減，而這兩者都和材料的電磁性能有關。一般而言，當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，進入內部的比例最大，而阻抗是否匹配與吸波體和空氣之間的相對介電常數和相對磁導率有關，因此一般需要通過復合、改性或改變結構來調整吸波體的介電常數與磁導率。電磁衰減則通常依靠有較高的電導率或介電常數的電損耗類吸波劑（如SiC、Ti3SiC2等碳化物）以及有較高的磁導率和低介電常數的磁損耗類吸波劑（如金屬和鐵氧體等）來實現。

吸波材料的機理示意圖

2、陶瓷基吸波材料的優勢和種類

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

復合吸波材料

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、低介電損耗類物質，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定性、化學穩定性、高機械強度和透波性，常用作復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境下保持可靠的吸波能力，還可能實現較強的承載能力。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，熔點通常可達 3000 ℃，適用于航空航天、軍事等較為嚴苛的使用環境。其中SiC更是具備熱膨脹系數小、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定的結構，并減輕整體結構的負擔。同時，利用鐵、鈷、鎳等摻雜改性后的SiC具備較高的電導率和介電常數，能夠實現電磁衰減，且摻雜的元素種類和氧化程度均對SiC的力學性能和吸波性能也有較大影響，因此可以通過熱處理、改性、結構設計等手段有效調控其介電常數和介電損耗能力。

聚合物轉化法制備SiC陶瓷基吸波材料

通常，SiC陶瓷基吸波材料采用聚合物轉化法合成，即將含 Si 的有機聚合物先驅體（如聚碳硅烷、聚甲基硅烷等）溶液或熔融體浸漬到碳纖維預制體中，干燥固化后在惰性氣體保護下高溫裂解，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合材料。在這項工藝中，自由碳連接成網絡可以增強材料的韌性，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，而使材料不能實現有效吸波。正是這種力學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用，不過目前有研究者發現，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合陶瓷的力學性能和吸波性能進行調節，這使得聚合物轉化法制備碳化物陶瓷基吸波材料有一定的可行性。此外，通過聚合物先驅體分子結構設計及裂解工藝優化也可進一步調控材料結構實現較好的阻抗匹配。

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、良好的化學穩定性以及機械性能等，在航空、電子、機械、半導體等領域均有廣泛應用。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，在吸波領域，氮化硅通常是與碳化硅復合，制備能同時提升材料吸波性能和力學性能的隔熱吸波材料。具體是說，是通過化學氣相沉積將熱解碳(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行后續燒結，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，同時采用泡沫凝膠注模工藝可以構建分層多孔結構，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化和平衡。

導熱吸波材料

AlN 陶瓷除了具備氮化物普遍的機械性能和化學穩定性等優點外，還具備良好的導熱性，因此AlN 基復合陶瓷除吸波功能外，可以兼顧高功率電子設備的散熱問題，在高溫熱管理應用上有廣闊前景。但AlN本身的介電常數較小，電導率也較小，其電磁損耗的表現并不明顯，所以也常與SiC復合，采用過放電等離子燒結等方法制成AlN-SiC吸波復合材料，基體AlN提供優良的導熱性能，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熱性等，在吸波領域有著廣泛的應用前景，但氮化物陶瓷的燒結溫度較高，在吸波劑的選擇和復合物的制備上有一定挑戰。

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隱身技術中也有較多應用。

不同結構的氧化鋁基體

在吸波領域中，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、網狀、纖維等結構的Al2O3 陶瓷基體與Ti3SiC2、FeSiAl 等介電損耗較高的材料復合，不僅能滿足吸波材料輕質的要求，其本身具有的孔徑不僅具有調節電磁參數的功能，更能在電磁波入射時使電磁波產生多重反射和散射，增加電磁波在吸波材料中傳播路徑，從而達到增強吸波性能的功能。另外，多孔、網狀等結構Al2O3陶瓷與其他材料進行復合時能夠產生更多的界面，從而增強界面損耗，達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出的脆性較大、韌性較差，不宜后續加工。

小結

吸波材料在總體上是向著高吸收、寬頻帶、厚度薄、質量輕、耐高溫等方向發展。陶瓷基吸波材料相較于傳統涂覆型吸波材料，能夠減小質量的同時使性能更加可靠。碳化物吸波劑在陶瓷基吸波復合材料中使用較多，除了損耗能力強、高溫穩定的優勢外，碳基纖維對陶瓷基體脆性的改善也是非常重要的應用優勢。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熱性，在熱管理應用上游廣闊前景，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勢，但脆性依然是制約其應用的關鍵所在。未來，對于吸波復合陶瓷表現出力學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驗。

參考文獻：

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2、范冰冰,邱洪辰,李夢茹等.高熵陶瓷吸波材料研究進展[J/OL].硅酸鹽學報；

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