新型纳米吸波涂层材料的研究进展

随着现代军事技术的迅猛发展，世界各国的防御体系被敌方探测、跟踪和攻击的可能性越来越大，军事目标的生存能力和武器系统的突防能力受到了严重威胁。隐身技术作为提高武器系统生存、突防，尤其是纵深打击能力的有效手段，已经成为集陆、海、空、天、电、磁六维一体的立体化现代战争中最重要、最有效的突防战术技术手段，并受到世界各国的高度重视。现代化战争对吸波材料的吸波性能要求越来越高，一般传统的吸波材料很难满足需要。由于结构和组成的特殊性，使得纳米吸波涂料成为隐身技术的新亮点。纳米材料是指三维尺寸中至少有一维为纳米尺寸的材料，如薄膜、纤维、超细粒子、多层膜、粒子膜及纳米微晶材料等，一般是由尺寸在1～100nm的物质组成的微粉体系。

2纳米吸波涂层的吸波原理和结构特性

吸波材料的吸波实质是吸收或衰减入射的电磁波，并通过材料的介质损耗使电磁波能量转变成热能或其它形式的能量而耗散掉。吸波材料一般由基体材料（黏结剂）与吸收介质（吸收剂）复合而成。吸波材料可以分为电损耗型和磁损耗型2类。电损耗型材料主要靠介质的电子极化、离子极化、分子极化或界面极化来吸收、衰减电磁波。磁损耗型材料主要是靠磁滞损耗、畴壁共振和后效损耗等磁激化机制来引起电磁波的吸收和衰减。由于纳米晶粒细小，使其晶界上的原子数多于晶粒内部的，即产生高浓度晶界，使纳米材料有许多不同于一般粗晶材料的性能。纳米微粒具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、介电效应和宏观量子隧道效应等。纳米材料之所以具有非常优良的吸波性能，主要是以下原因：首先，纳米材料具有高浓度晶界，晶界面原子的比表面积大、悬空键多、界面极化强，容易产生多重散射，在电磁场辐射作用下，由于纳米粒子的表面效应造成原子、电子运动的加剧而磁化，使电磁能更加有效地转化为热能，产生了强烈的吸波效应；其次，量子尺寸效应的存在使纳米粒子的电子能级发生分裂，分裂的能级间隔正处于微波的能级范围（10-2~10-5eV），从而成为纳米材料新的吸波通道；此外纳米离子具有较大的饱和磁感、高的磁滞损耗和矫顽力，使得纳米材料具有涡流损耗高、居里点及使用温度高、吸波频率宽等性能。纳米材料的这种结构特征使得纳米吸波材料具有吸收频带宽、兼容性好、质量轻和厚度薄等特点，易满足雷达吸波材料“薄、轻、宽、强”的要求，是一种非常有发展前景的高性能、多功能吸收剂。

3新型纳米吸波材料的种类和主要研制方法

纳米技术的迅速发展及纳米微粉优良的电磁吸波性能使得纳米吸收剂成为国内外研究的方向和热点。

3.1纳米金属与合金吸收剂

纳米金属和合金吸波材料主要是通过磁滞损耗、涡流损耗等机制吸收损耗电磁波的。纳米金属粉吸波材料主要包括纳米羰基金属粉吸波材料和纳米磁性金属粉吸波材料两大类。纳米羰基金属粉主要包括羰基Fe、羰基Ni和羰基Co等，其中纳米羰基Fe最为常用。将羰基Fe与DC805型硅橡胶均匀掺和，吸波剂用量为90%，反射率在2～10GHz频率范围内低于－10dB。纳米磁性金属粉包括Co、Ni、CoNi、FeNi等，它们的电磁参数与组分、粒度有关。纳米金属磁性材料具有很高的饱和磁化强度，一般比铁氧体高4倍以上[5]，可获得较高的磁导率和磁损耗，且磁性能具有高的热稳定性。金属纳米粉体对电磁波特别是高频至光波频率范围内的电磁波具有优良的衰减性能，但其吸收机制目前尚不十分清楚。一般认为，它对电磁波能量的吸收由晶格电场热振动引起的电子散射、杂质和品格缺陷引起的电子散射以及电子与电子间的相互作用3种效应决定。纳米金属和合金吸收剂，主要以Fe、Co、Ni、Cr、Cu等纳米金属粉体为主。纳米合金采取多相复合的方式，其吸波性能优于单相纳米金属粉体，吸收率大于10dB的带宽可达3.2GHz，谐振频率点的吸收率均大于20dB，复合体中各组元的比例、粒径、合金粉的显微结构是其吸波性能的主要影响因素。纳米合金中以铁系纳米合金的研究为最多，由于铁－镍纳米合金粉体尺寸达到纳米量级时，具有很高的磁能积、剩磁对温度的依赖关系小和良好的磁化性能。目前制备纳米铁基磁粉或氧化物及合金微粒的方法主要有软化学法、超声分解法、LB膜技术组装、原位高分子修饰复合技术、溶胶－凝胶电沉积法、溶胶－微乳液化学剪裁法、化学热还原法和机械合金化法等。

3.2纳米铁氧体及其复合物吸收剂

纳米铁氧体是一种双复介质，既具有一般介质材料的欧姆损耗、极化损耗、离子和电子共振损耗，又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，因此至今仍是微波吸收材料的主要组成之一。纳米氧化物吸收剂有单一氧化物和复合氧化物两类，单一氧化物纳米吸收剂主要有Fe2O3、Fe3O4、TiO2、Co3O4、NiO、MoO2、WO3等纳米微粉。单一铁氧体制成的吸波材料，难以满足吸收频带宽、质量轻、厚度薄的要求，因此通常在铁氧体微粉中加入一些添加剂组成复合吸收剂，可使电磁参数得到较好匹配。所以，实际使用的铁氧体吸波涂层往往不是单一的铁氧体涂层，而是通过复合组成复合铁氧体吸波涂层。如铁氧体与羰基铁粉、铁粉、镍粉、炭黑、石墨、碳化硅、树脂等复合形成复合铁氧体纳米微粉吸波材料。铁氧体纳米复合材料多层膜在7～17GHz频率段的峰值吸收为－40dB，小于－10dB的频宽为2GHz。复合氧化物纳米吸收剂不仅吸波性能优异，而且还兼有抑制红外辐射等多种功能。铁氧体纳米颗粒与聚合物制成的复合材料能有效吸收和衰减电磁波及声波，减小反射和散射，因此铁氧体吸波材料是研究较多且比较成熟的吸波材料。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定的研究，并取得了一定的研究成果。美国已研制出一系列薄层状铁氧体吸波材料，并成功应用于F－117A战斗机。在对纳米铁氧体吸波材料进行研究的同时，研究者也从各方面探索了超细铁氧体与其它材料复合形成的复合吸波材料。解家英研究了NdO3掺杂对纳米锂铁氧体微波吸收特性的影响，他们采用机械合金化方法制备了纳米晶LiFe5O8和LiFe4.994Nd0.006O8材料，并研究了它们的吸波性能。

3.3纳米陶瓷吸收剂

纳米陶瓷粉体是纳米陶瓷吸波材料的一种新类型，主要有SiC、Si3N4及复合物Si/C/N，Si/C/N/O等，其主要成分为碳化硅、氮化硅和无定型碳，具有耐高温、质量轻、强度大、吸波性能好等优点。尤其是Si/C/N吸波材料，不仅具有以上优点，还具有使用温度范围宽（从室温到1000℃均可使用）、用量小、介电性能可调、可以有效地减弱红外辐射信号的优良特性。例如：Si/C/N和Si/C/N/O纳米吸波材料在厘米波段和毫米波段均有很好的吸收性能；纳米SiC和磁性纳米吸收剂（如纳米金属粉等）复合后，吸波效果大幅度提高。纳米Si3N4在102～106Hz范围内有比较大的介电损耗。这种强介电损耗是由于界面极化引起的，界面极化则是由悬挂键所形成的电偶极矩产生的。纳米陶瓷类吸收剂的特点是在高温下抗氧化性较强，吸波性能稳定。