現(xiàn)代科技的快速發(fā)展使得電磁波成為信息傳播的重要媒介，極大地便利了人們的日常生活，但電磁波的廣泛使用給人們的健康帶來了不良的影響；各電子設備間的電磁干擾會造成信號攔截、數(shù)據(jù)丟失等問題，嚴重影響設備的性能及運行情況。特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設備、自動駕駛的發(fā)展，電子設備越來越小型化、集成化，對精度的要求越來越高，要保證這些高功率、高算力設備的正常運行，削弱、抵擋電磁干擾至關重要，電磁波吸收材料由此應運而生。接下來，小編將給大家介紹傳統(tǒng)吸波材料在AI時代的挑戰(zhàn)及發(fā)展現(xiàn)狀。

（圖源：搜狐網(wǎng)）

吸波材料是什么？

吸波材料是指能夠將入射到其表面的電磁波能量吸收轉化、衰減或者干涉相消，降低反射電磁波能量的一類電磁功能材料，其主要由吸波劑材料和基體材料組成。若要使入射的電磁波最大程度進入材料，就需要材料有良好的匹配阻抗特性和良好的衰減能力，這兩者之間的平衡協(xié)同作用決定了吸波性能的好壞。理想的吸波材料應當具備“薄、輕、寬、強”四個特點，即厚度薄、質(zhì)量輕、吸收頻帶寬、吸收能力強，這四個要求是當前吸波材料的研究目標也是研究難點。吸波材料按照電磁波損耗機制的不同，可以分為電阻損耗型吸波材料、電介質(zhì)損耗型吸波材料和磁損耗型吸波材料。

吸波材料的吸收損耗過程（圖源：文獻3）

（1）電阻損耗型吸波材料：電阻損耗型吸波材料主要是通過與電場的相互作用吸收電波，它可以在變化的電場中產(chǎn)生感應電流或在變化的磁場中產(chǎn)生渦流，將電磁波能量轉換為熱能。吸波材料的電導率越高，其載流子引起的宏觀電流越大，越有利于將電磁能轉化為熱能。電阻損耗型吸波材料通常由電導率較高的材料構成，常見的材料有石墨烯、碳納米管、炭黑、導電高分子。

（2）電介質(zhì)損耗型吸波材料：電介質(zhì)損耗型吸波材料主要是通過介質(zhì)的電子極化、分子極化、離子極化或界面極化等弛豫衰減吸收電磁波。電介質(zhì)損耗型吸波材料的電導率較低，材料中幾乎沒有自由電子，因此不能形成宏觀電流。常見的材料有碳化硅、氮化硅、氧化鋅、鈦酸鋇。

離子位移極化示意圖（圖源：文獻3）

（3）磁損耗型吸波材料：磁損耗型吸波材料主要是通過磁滯損耗、疇壁共振損耗、鐵磁共振損耗及渦流損耗等多種機制吸收和衰減電磁波。常見的材料有鐵氧體、羥基鐵、磁性金屬微粉、多晶鐵纖維。

傳統(tǒng)的吸波材料體系存在理論吸波極限的限制，如傳統(tǒng)的吸波材料通常需要一定的厚度來吸收特定頻率范圍的電磁波，然而材料厚度的增加對于航天航空等需要輕量化的領域是非常不利的；理想的吸波材料應該在所有入射角度下都能高效吸收電磁波，然而，傳統(tǒng)的吸波材料往往只在特定入射角度下表現(xiàn)良好。傳統(tǒng)吸波材料基于以上限制，難以有更進一步的突破。

AI時代對吸波材料有哪些要求？

（1）吸收能力要求：隨著無線通信技術的發(fā)展，其工作頻段越來越寬，因此要求吸波材料需要具備寬頻帶的吸波特性，以滿足不同頻段的需求；吸波材料需要有較強的吸波能力、吸收率，使其可以在較薄厚度的情況下，可以吸收更多的電磁波；吸波材料需要在不同的入射角度下均能保持良好的吸波效果，以適應應用中的各種復雜情況；吸波材料需要具有較好的穩(wěn)定性，以在不同的環(huán)境條件下保持良好的吸波效果，并且能夠根據(jù)外界的電磁環(huán)境的變化進行自我調(diào)控，使其能夠更大的發(fā)揮出應有的作用。

（2）材料要求：AI時代，越來越多的電子設備朝著小型化、集成化的方向發(fā)展，吸波材料作為其中的抗電磁干擾材料，也需要朝著輕質(zhì)化、便攜化的方向進行發(fā)展。對于部分可穿戴設備，可能還需要具備可彎折的能力。

（3）產(chǎn)業(yè)化要求：為了能夠進一步滿足生產(chǎn)化的需求，吸波材料應該在滿足性能要求的前提下，將制備工藝盡可能的簡單化，以降低成本，提高生產(chǎn)效率；為了符合我國綠色生產(chǎn)的需求，吸波材料的制備流程和應用過程應該綠色、可回收、可降解。

發(fā)展現(xiàn)狀

1、鐵氧體：鐵氧體是研究較廣且較為成熟的磁性吸波材料，傳統(tǒng)鐵氧體吸波材料在橫向偏置和縱向偏置磁場中展現(xiàn)出不同的電磁特性，因此對電磁波的吸收性能截然不同。在縱向磁化作用下，反射波將發(fā)生極化旋轉；在橫向磁化下，鐵氧體吸波材料只會吸收某一極化的電磁波。利用鐵氧體的旋磁性，結合超材料結構設計的鐵氧體融合型吸波超材料可實現(xiàn)寬頻吸波功能。高海濤等通過將鋇鐵氧體涂層作為超材料結構的中間介質(zhì)層設計了性能較為優(yōu)越的鐵氧體融合型吸波超材料。與單一鐵氧體吸波材料相比，鐵氧體融合型吸波超材料的吸波性能得到了極大改善。目前，提高鐵氧體吸波材料吸波性能的方法有摻雜、離子取代、包覆、復合性能較優(yōu)越的吸波材料等，但上述方法只能在一定程度上改善鐵氧體吸波材料的吸波性能，難以突破其吸波頻率的極限。融合型吸波超材料可以突破鐵氧體吸波材料吸波頻率的限制，從而獲得性能優(yōu)越的寬頻吸波材料。

*超材料：超材料是由亞波長諧振或非諧振單元經(jīng)周期或非周期排布組成的結構材料，其具有負折射率、逆多普勒、逆切倫科夫等自然界中材料所不具備的超常物理性質(zhì)，在光學、聲學、熱學等領域都展現(xiàn)出巨大的研究潛力。通過人工設計，控制電磁波在超材料表面的傳輸特性，能夠實現(xiàn)高效的電磁波吸收，可以有效地彌補常規(guī)吸波材料存在一定的設計維度和制備方法的局限性，從而實現(xiàn)對電磁波吸收區(qū)域的靈活調(diào)控，在電磁吸波領域具有重要的應用價值。

鐵氧體融合型吸波超材料結構示意圖及吸波曲線（圖源：文獻1）

2、石墨烯：雷達隱身材料的關鍵在于其優(yōu)異的吸波特性，這種特性能夠減少飛機等目標被雷達探測到的可能性，其一直倍受各國科研工作者的廣泛關注。寬頻吸波一般選用磁性吸波材料或以磁性吸波材料為基礎的復合材料，其吸波性能主要依賴于磁損耗、自然共振以及疇壁共振等方式實現(xiàn)良好的吸收。常用的羰基鐵粉具有高導磁率和高飽和磁化強度的優(yōu)點，在寬頻吸波具有廣泛的應用，但其電磁抗阻匹配特性較差，阻礙了其在寬頻吸波材料中的進一步發(fā)展。而石墨烯和片狀羰基鐵粉的復合吸波材料電磁抗阻匹配性能明顯增強，介電損耗性能穩(wěn)定，表現(xiàn)出較好的吸波性能。

吸波材料的細微結構（圖源：bilibili）

3、碳化硅：碳化硅纖維增強陶瓷基復合材料（SiC-CMC）保留了陶瓷材料耐高溫、耐腐蝕、高強度、耐磨損等性能優(yōu)點，隨著碳化硅纖維的加入改善了單體陶瓷脆性大、應用可靠性差的致命缺點。SiC-CMC被譽為是航天航空和核能等重要領域最為理想的高溫結構材料。由于特殊領域對電磁隱身的需求（如戰(zhàn)斗機和巡航導彈等機載武器的尾噴管、鼻錐帽等），研制具有高效電磁波吸收能力的SiC-CMC具有重要戰(zhàn)略意義。美國的PW公司已將SiCf/SiC調(diào)節(jié)片和密封片用于第四代戰(zhàn)機F22的發(fā)動機，以實現(xiàn)良好的減重和隱身效果。據(jù)報道，美國F-35隱身戰(zhàn)機也采用了SiC-CMC制備的軸對稱噴管，以大幅減少噴管的紅外信號和雷達信號。

（a）3D-4編織SiC纖維增強SiC基復合材料（b）3D-5編織SiC纖維增強SiC基復合材料（圖源：文獻4）

小結

在AI時代，吸波材料有助于提高電子設備的電磁兼容性，對于5G、6G等新一代通信技術的發(fā)展至關重要，掌握先進的吸波材料技術有助于國家在國際競爭中掌握主動權，作為在國家安全、通信技術、環(huán)境保護、空間探索等多領域具有廣泛應用及應用前景的戰(zhàn)略性材料，進一步推動吸波材料的研究和發(fā)展是具有關鍵意義的。

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