涂覆型吸波材料基體的研究進展

張夢玉，齊暑華，楊 莎，薛 融

（西北工業(yè)大學理學院應用化學系，陜西 西安710129）

0 前言

目前高新技術快速發(fā)展，生產(chǎn)和生活中的電子產(chǎn)品日益增多，給人類生存帶來巨大便捷的同時也給身體健康帶來了極大的危害。研究表明，電磁輻射對人體的神經(jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等均有不同程度的影響，并且對人體的損害具有積累效應［1］。因此，吸波材料的研究備受世界各國的關注。另一方面，吸波材料可以用來減少用于軍事目的的雷達散射截面，使其在一定范圍內難以被敵方雷達識別和發(fā)現(xiàn)［2］。作為隱身技術的重要組成部分，電磁波吸波材料的研究也成為各國重點發(fā)展的國防高新技術之一。

吸波材料的基本物理原理是材料對入射電磁波進行有效吸收，將電磁波能量轉化為熱能或其他形式的能量而消耗掉［3］。吸波材料一般是由基體材料（膠黏劑）和吸收介質（吸收劑）復合而成的，兩者是吸波材料的組成部分，缺一不可。在吸波材料中，吸收劑提供一定的電磁性能，而特定的基體材料在吸波材料中主要起骨架作用，提供黏結或承載等性能，是影響材料力學性能的關鍵部分。根據(jù)材料的成型工藝與承載能力，吸波材料可以分為涂覆型吸波材料和結構型吸波材料。涂覆型吸波材料，又稱吸波涂層，即是具有電磁波吸收功能的涂料，是發(fā)展最早的吸波材料。這種材料使用比較簡單，靈活可調節(jié)，吸收性能好，使用面廣，適用于隱身武器復雜的部位和局部的強反射部位，隱身兵器幾乎都使用了涂覆型吸波材料。目前，關于吸波劑的分類及性質的研究和報道頗多，而缺少對基體材料發(fā)展的研究。因此，本文主要針對近年來涂覆型吸波材料中基體的研究進展進行綜述。

1 涂覆型吸波材料基體的研究現(xiàn)狀

涂覆型吸波材料中的基體材料為不同的膠黏劑，是吸波涂層的成膜物質，起黏合吸收劑及其他填料的作用，決定吸波涂層的物理力學性能與耐環(huán)境性能。根據(jù)膠黏劑的不同，可分為橡膠類、塑料類。一般有涂料型與貼片型2種形式。涂料型就是把電磁波吸收劑與膠黏劑混合后制成涂料直接涂覆在物體的表面，而貼片型是把吸收劑與不同基體混合后，制成薄片，直接黏附或釘扎到被貼物表面，起到電磁吸波防護作用，同時提高吸波材料的使用壽命。

1.1 橡膠類

橡膠類材料一般多為貼片型，此類材料最大優(yōu)點是制成的貼片可以準確地控制厚度，但是對于形體復雜的物體處理起來有一定的困難。一般采用的橡膠基體有天然橡膠、丁腈橡膠、氯丁橡膠等。目前研究最多的是硅橡膠和三元乙丙橡膠。

1.1.1 硅橡膠

硅橡膠是典型的半無機半有機聚合物，結構如圖1所示。由于Si—O 鍵鍵能大，所以既具有無機高分子的耐熱性，又具有有機高分子的柔順性，因而具有優(yōu)異的耐高低溫性能，滿足目前航空、航天等頂尖工業(yè)對耐高低溫材料的要求。硅橡膠還具有耐油，耐化學介質，耐天候老化，耐輻射，介電及阻燃等優(yōu)異性能［4］。優(yōu)異的特性使其大多用到某些特定的場合。

圖1 硅橡膠的結構圖Fig.1 Structure diagram of silicone rubber

Jiang等［5］將多壁碳納米管摻入室溫硫化硅橡膠基質中，制備出納米復合材料，研究并發(fā)現(xiàn)了該復合材料的電導率和介電常數(shù)隨多壁碳納米管含量的增加而提高。

李國防［6］以炭黑和羰基鐵為吸波劑，以硅橡膠為基體，制備了一系列不同含量、不同厚度的試樣，對試樣的電磁性能進行了研究。結果表明，在相同含量的吸波劑下，厚度為0.5、1mm 的樣品吸波性能比較差，厚度為1mm 以上的試樣，吸波性能隨厚度的增加逐漸增強，峰值向低頻方向移動且逐漸減小，有效頻寬也逐漸變窄；在相同厚度的情況下，試樣吸波性能隨吸波劑含量的增加而逐漸增強。

段海平等［7］在羰基鐵與硅橡膠質量比為50∶100（即50份）的情況下，加入不同含量的炭黑（30、40、50、60、70、80g），分析復合材料的導電及吸波性能。如圖2和圖3，在相同厚度的情況下，隨著炭黑含量的增加，導電及吸波性能呈現(xiàn)出增強的趨勢，但當炭黑質量與硅橡膠的質量比達到70∶100（即70份）后，再增加炭黑的加入量，各項性能變化不大，此時，試樣已經(jīng)達到了其逾滲閾值。

圖2 炭黑含量對復合材料導電性能的影響Fig.2 Effect of carbon black content on electric conductivity of composites

圖3 炭黑含量對復合材料吸波性能的影響Fig.3 Effect of content of carbon black on absorbing effectiveness of composites

李淑環(huán)［8］研究了不同用量的鍶鐵氧體對甲基乙烯基硅橡膠吸波性能和力學性能的影響。結果表明，材料有很好的吸波性能，但是物理性能隨填料的增加大大降低。基于這個問題，李淑華等［9］用偶聯(lián)劑乙烯基三乙氧基硅烷對鍶鐵氧體進行表面處理，經(jīng)偶聯(lián)劑處理后的復合材料斷面整齊，材料的物理性能得到提高。隨著偶聯(lián)劑用量增大，拉伸強度先增大后減小，偶聯(lián)劑用量為填料用量的2%時，材料物理性能最佳（表1）。

表1 偶聯(lián)劑用量對吸波復合材料物理性能的影響Tab.1 Effect of coupling agent content on physical properties of absorbing composites

1.1.2 三元乙丙橡膠

三元乙丙橡膠既具有傳統(tǒng)橡膠的彈性、柔軟性，同時還具有卓越的抗紫外線、耐侯性、耐熱老化性、耐低溫性、耐臭氧性、耐化學介質性、耐水性、良好的電絕緣性以及其他力學性能。與其他通用橡膠相比，三元乙丙橡膠綜合性能好，性價比高，具有很大的應用價值［10］。其廣泛應用于耐防水產(chǎn)品，汽車部件，油品添加劑，塑料改性以及熱產(chǎn)品等行業(yè)，其發(fā)展速度十分快［11］。

Feng等［12］制備出鋇鐵氧體摻雜的三元乙丙橡膠吸波材料，研究鋇鐵氧體的體積分數(shù)與材料的厚度對吸波性能的影響。結果表明，復介電常數(shù)實部（ε′）和復磁導率實部（μ′）都隨著鋇鐵氧體的體積分數(shù)的增大而增大；當鋇鐵氧體的體積分數(shù)和材料的厚度分別為10%和1.0mm 時，材料反射率分別與體積分數(shù)和厚度成正比，然后Feng 等［13］以羰基鐵為吸收劑，研究材料厚度和羰基鐵含量對材料吸波性能的影響。結果表明，在羰基鐵含量一定的條件下，當厚度＜2mm 時，材料的吸波效果較差；當厚度＞2 mm 時，隨著厚度的增加，材料的最大吸收峰的位置向低頻移動，并且最大吸收峰的峰值和指定反射率的頻率帶寬也呈減小的趨勢；同時，吸波性能與材料的厚度并不成正比關系；在相同厚度3mm 下，隨著羰基鐵含量的增加，材料在電磁波吸收峰處的反射率不斷減小，而且材料吸收峰的位置也向低頻移動，當羰基鐵體積分數(shù)為45%時，在3.5GHz處其反射率的最小值達－21.7dB。

王志強等［14］制備出了三元乙丙橡膠／碳納米管復合材料，通過弓形法測定了復合材料在2～18GHz范圍內的電磁波吸收性能，并探討了碳納米管含量對材料微波吸收性能的影響。結果表明，復合材料在5～18GHz范圍內具有較好的微波吸收性能；當碳納米管在基體中含量大于40%時，材料呈現(xiàn)反射性能而不是吸收性能。

1.2 塑料類

塑料類的吸波材料多以泡沫塑料為基體，泡沫塑料作為隱身材料，由于其質量輕且表面積大，使得進入內部的電磁波在內部發(fā)生多次反射，電磁波引起內部填充的吸波劑產(chǎn)生分子振動，將電磁能轉換成熱能并耗散掉，這樣最終使通過金屬壁面反射的電磁波得到有效的抑制，達到隱身的目的。這類材料幾乎都為貼片型的。泡沫基的吸波材料處于發(fā)展階段，目前主要有聚氨酯泡沫塑料，聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料，聚苯乙烯泡沫塑料。

1.2.1 聚氨酯泡沫塑料

聚氨酯泡沫塑料是一種重要的聚氨酯合成材料，具有優(yōu)良的力學性能、電學性能、聲學性能和耐化學腐蝕性能，在各種領域中應用越來越廣泛。以聚氨酯泡沫塑料為基體制備的吸波復合材料具有良好的吸波性能，在微波吸收方面顯示出很強的設計適應性，具有廣闊的發(fā)展前景。英國Plessey公司采用聚氨酯泡沫浸漬炭墨或石墨，研制成LA－1型泡沫，在2～18GHz頻段上，吸波性能較好。Esfahani等［15］以發(fā)泡聚氨酯為基體，在室溫下將其浸漬在正己烷溶液中，以硅橡膠摻雜石墨為吸收劑制得納米復合材料。研究表明，復合材料的導電性能提高，但是表現(xiàn)出電磁波反射損失行為，這個是與石墨納米片的大小和分散狀態(tài)有關。聚氨酯泡沫／石墨復合材料目前工作的重點是提高石墨粒子和聚氨酯泡沫結構之間的附著力，抵抗任何種類的變形，以提高復合材料在0.5～2.5GHz間的反射損耗特性。

國內關于聚氨酯泡沫復合材料吸波性能方面的研究近年來逐漸增多，宋宇華等［16］采用自制的纖維Ⅰ、纖維Ⅱ分別與短切碳纖維相混雜填充硬質聚氨酯泡沫塑料，探討不同混雜纖維含量、不同樣板厚度對泡沫塑料吸波性能的影響。結果表明，填充碳纖維的泡沫塑料的吸波頻帶較窄；纖維Ⅰ和纖維Ⅱ分別與碳纖維混雜均可展寬頻帶；吸波性能隨塑料樣板厚度的增加而增強。

丁文皓等［17］探討了導電短纖維的電導率、含量和泡沫塑料試樣厚度對聚氨酯泡沫塑料吸波性能的影響。由圖4～圖6看出，在一定范圍內，纖維電導率增大可使泡沫塑料對電磁波的損耗增加；纖維含量增大，有利于衰減電磁波；試樣厚度增加，吸波性能增強，在Ka波段尤為明顯。

黃小忠等［18］在聚氨酯泡沫中添加少量的碳纖維制備了聚氨酯吸波泡沫。圖7 表明，纖維含量的增加有利于頻帶的展寬，反射率在－8.0dB以下的有效帶寬為3.76GHz，吸波泡沫在Ku頻段具有較好的吸波性能。

1.2.2 聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料

聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料是一種輕質、交聯(lián)、硬質結構型泡沫塑料，具有100%的閉孔結構，其均勻交聯(lián)的孔壁結構賦予其突出的化學及結構穩(wěn)定性，優(yōu)異的力學性能和熱變形溫度（180～250 ℃）［19－23］。聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料比交聯(lián)聚氯乙烯、聚氨酯等硬質泡沫塑料具有更高的強度、模量和抗蠕變性能。近年來聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料憑借其優(yōu)異的性能被廣泛的應用于航空航天、交通運輸以及體育器材等眾多領域［24－25］。目前，作為當今力學性能和耐熱性能最高的泡沫塑料之一，實現(xiàn)其吸波性能具有重要的軍事意義。

圖4 纖維含量相同、試樣厚度和纖維類型不同時聚氨酯泡沫塑料試樣的反射率與頻率的關系曲線Fig.4 Relationship of reflectivity of polyurethane foam with the same fiber content，different sample thickness and fiber type and frequency

圖5 纖維類型相同、試樣厚度和纖維含量不同時聚氨酯泡沫塑料試樣的反射率與頻率的關系曲線Fig.5 Relationship of reflectivity of polyurethane foam of the same fiber type，different sample thickness and fiber content and frequency

圖6 纖維含量相同、試樣厚度和纖維類型不同時聚氨酯泡沫塑料試樣的反射率與頻率的關系曲線Fig.6 Relationship of reflectivity of polyurethane foam of the same fiber content，different sample thickness and fiber type and frequency

馬科峰等［26］通過增黏和分散技術將導電炭黑引入到聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料中，制備出了具有一定吸波性能的聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料。結果表明，隨著導電炭黑用量增加以及試樣厚度的增大，泡沫塑料的吸波性能顯著提高。

圖7 聚氨酯泡沫吸波反射率Fig.7 Polyurethane foam absorbing reflectivity

燕子等［27］將碳納米管引入到聚甲基丙烯酰亞胺泡沫中，分析了碳納米管對泡沫塑料的吸波以及力學性能的影響。圖8表明，隨著碳納米管加入量的增大，泡沫塑料的吸波性能有顯著提高，其最大吸收峰向著低頻移動。5%碳納米管填充的泡沫塑料反射率能達到－15.23dB，但碳納米管的加入，會對泡孔結構、力學性能造成不利影響。表2中，5%碳納米管填充的泡沫塑料的拉伸、壓縮性能僅為純泡沫的1／2。加入不同含量的碳納米管以后（圖9），碳納米管部分團聚，使得泡孔大小不均，泡孔結構遭到破壞，造成了應力集中。因此，碳納米管的團聚問題是研究的重點。

圖8 不同碳納米管含量的聚甲基丙烯酰亞胺泡沫吸波性能Fig.8 The absorbing properties of the PMI foam with different carbon nanotube content

表2 碳納米管含量對聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料力學性能的影響Tab.2 Effect of carbon nanotube content on the mechanical properties of the PMI foam

圖9 聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料的掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.9 SEM of polymethacrylimide foam

1.2.3 聚苯乙烯泡沫塑料

聚苯乙烯泡沫塑料具有閉孔結構，有優(yōu)良的抗水性、質輕、力學性能好、緩沖性能優(yōu)異、溫度適應性強、抗放射性優(yōu)異等優(yōu)點，同時加工性能好，廣泛用于建筑保溫材料，目前為止還少有聚苯乙烯泡沫塑料用于建筑吸波材料方面的報道。但其優(yōu)異的性能是一種理想的吸波材料基體。隨著科技水平、經(jīng)濟實力和生活水平的不斷提高，性價比高的建筑吸波材料將具有良好的市場潛力。

Yang等［28］制備出了一種新型聚苯乙烯／碳納米管泡沫復合材料。通過電磁干擾屏蔽有效性測量表明，聚苯乙烯／碳納米管發(fā)泡的復合材料可以作為非常有效的屏蔽材料。

鄧聯(lián)文等［29］采用鐵氧體和鐵合金納米晶材料組成的磁性吸收劑對回收的聚苯乙烯泡沫塑料進行復合電磁改性處理，對材料標樣的電磁波吸收性能進行了研究。結果表明，隨著磁性吸收劑含量增加，復合材料磁性和介電性增強。當磁性吸收劑質量含量達15%時，試樣在2～18GHz頻段呈現(xiàn)出多個共振型電磁能吸收峰，2GHz附近的損耗吸收峰值達－12dB。電磁改性的聚苯乙烯泡沫材料在原有的隔熱、隔音特性基礎上兼吸波性能，成為一種頗具應用價值的多功能材料。

1.3 樹脂類

樹脂類材料都是涂料型的，通過在樹脂基體中加入高吸收率的電磁波吸收劑構成。據(jù)有關資料分析，國內外研究技術較為成熟、綜合性能較好、工藝穩(wěn)定的吸波樹脂體系有：氯磺化聚乙烯、聚氨酯和環(huán)氧樹脂3種樹脂體系。這3種體系所制得的涂覆型吸波材料的性能比較見表3［30］。

從表3看出，環(huán)氧樹脂體系綜合性能優(yōu)于氯磺化聚乙烯和聚氨酯體系。環(huán)氧樹脂作為一種熱固性聚合物基體，由于具有優(yōu)良的力學性能，化學和熱穩(wěn)定性，抗菌性，低收縮性和強的吸附性，廣泛應用于聚合物的納米復合材料。許多納米材料，如單壁碳納米管，多壁碳納米管，碳納米顆粒，納米鐵氧體等，已被納入環(huán)氧樹脂基體中作為電磁波吸收體［31］。

表3 3種吸波樹脂體系的吸波性能比較Tab.3 Absorbing properties comparison of three absorbing resin system

Chen等［32］將直徑為40～60nm 的鐵電鈦酸鋇（鈦酸鋇）分散到熔融的環(huán)氧樹脂中，然后測定8～18GHz范圍內復合材料的電磁波特性。結果發(fā)現(xiàn)，隨著鈦酸鋇用量和樣品的厚度增加，反射損失的最大值也會隨之提高，并轉移到高頻范圍。在13GHz的頻率下，鈦酸鋇的體積分數(shù)為8%時，材料的介電損耗會引起反射損失峰達到很寬的范圍。

Nam 等［33］將傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂／碳納米管復合材料板經(jīng)過三輥碾壓和層壓得到了環(huán)氧樹脂／碳納米管薄膜，將這種薄膜層層堆疊即得到一種新型的多層微波吸收材料。

2 結語

隨著信息化技術與探測技術的不斷進步，對吸波材料中基體（膠黏劑）的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。雖然，國內吸波涂層中所使用的基體的研制和開發(fā)已取得了一定進展，但在這方面與國外領先水平還有一定的差距。發(fā)展低維化、復合化、多頻譜兼容化、智能化的高性能吸波材料將成為未來吸波材料領域的難點與重點。然而研究機械強度和柔韌性兼顧的高標準、耐高溫、允許填料加入量大以及適應性廣的基體是涂覆型吸波材料基體的發(fā)展方向。

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