裝備隱身中的石墨烯吸波材料應(yīng)用研究

摘? 要：針對(duì)現(xiàn)代軍事裝備隱身對(duì)吸波材料的吸收性能、力學(xué)性能、透光性能要求的不斷提升，傳統(tǒng)的鐵氧體吸波材料難以滿足性能要求。作為新型質(zhì)輕、高吸收性能、強(qiáng)力學(xué)性能的納米材料，石墨烯在軍事裝備隱身中具有較為廣泛的應(yīng)用前景。本文針對(duì)應(yīng)用于裝備隱身領(lǐng)域的石墨烯輕質(zhì)結(jié)構(gòu)吸波材料制備，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性分析，包括晶體生長(zhǎng)工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)值計(jì)算方法，提出一種石墨烯輕質(zhì)結(jié)構(gòu)吸波材料制備方案，并對(duì)未來石墨烯質(zhì)輕高性能吸波材料的發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)和探討。

關(guān)鍵詞：裝備隱身;吸波材料;石墨烯;電子技術(shù)

中圖分類號(hào)：TQ127.11;TB34? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）19-0049-03

Abstract：In view of the increasing requirements of modern military equipment stealth for absorbing properties，mechanical properties and transmittance properties of absorbing materials，traditional ferrite absorbing materials are difficult to meet the performance requirements. As a new type of nano-material with light weight，high absorptivity and strong mechanical properties，graphene has a wide application prospect in military equipment stealth. Aiming at the preparation of graphene light structure absorbing materials used in stealth equipment，this paper systematically analyzed the existing technologies，including crystal growth process，structural design technology and numerical calculation method，proposed a plan for preparing graphene light structure absorbing materials，and proposed a plan for future graphene light and high performance absorbing materials. The development trend of graphene light and high performance absorbing materials in the future is summarized and discussed.

Keywords：equipment stealth;absorbing materials;graphene;electronic technology

0? 引? 言

裝備隱身在戰(zhàn)爭(zhēng)中起到隱蔽我軍、妨礙敵人偵察和射擊、創(chuàng)造有利條件獲得戰(zhàn)場(chǎng)優(yōu)勢(shì)的重大作用，從而顯現(xiàn)出巨大的威力，已成為武器裝備先進(jìn)性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。裝備隱身通過裝備表面覆蓋隱身材料以減少目標(biāo)與背景在光照、熱紅外、微波波段等電磁波波段的散射或輻射性的差別，以隱蔽目標(biāo)或降低目標(biāo)的可探測(cè)特征[1]。近年來，隱身裝備對(duì)隱身材料不僅提出了電磁學(xué)性能要求，還提出了力學(xué)性能要求，需要隱身材料具有質(zhì)輕、寬帶、吸收率高等特點(diǎn)。

本文針對(duì)各種應(yīng)用場(chǎng)景下裝備對(duì)輕質(zhì)、寬帶隱身材料的技術(shù)需求，對(duì)石墨烯的應(yīng)用前景以及技術(shù)路線進(jìn)行了分析;對(duì)現(xiàn)有石墨烯吸波材料制備技術(shù)進(jìn)行了歸納分析;提出將石墨烯技術(shù)和超材料技術(shù)融合，設(shè)計(jì)并制備石墨烯基輕質(zhì)、寬頻吸波結(jié)構(gòu)復(fù)合材料;設(shè)計(jì)了包括精細(xì)結(jié)構(gòu)石墨烯制備、石墨烯吸波材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案。

1? 裝備隱身領(lǐng)域石墨烯吸波材料的優(yōu)勢(shì)及研究方向

目前，在軍用武器作戰(zhàn)平臺(tái)的表面涂覆一層吸波材料是最常用的隱身方法。但是，傳統(tǒng)的吸波材料在低頻段存在頻帶較窄、厚度大、質(zhì)量重、彎曲性能有限等缺點(diǎn)，很難滿足現(xiàn)代武器裝備隱身技術(shù)對(duì)吸波材料的“薄、輕、寬、強(qiáng)”的要求。

石墨烯是目前世界上最薄以及最堅(jiān)硬的納米材料，具有導(dǎo)電率高、耐熱性能好、質(zhì)量輕、易彎曲、微波波段吸波性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。因此，利用石墨烯制作吸波材料將具有頻帶寬、質(zhì)量輕、吸收性能強(qiáng)、厚度薄、彎曲性能好等優(yōu)點(diǎn)。此外，石墨烯的導(dǎo)電率可通過外加偏置電壓調(diào)節(jié)，這使得它在制作吸收率和吸收譜可調(diào)吸波材料方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，石墨烯具有很高的透光性，在400～700nm可見光范圍內(nèi)，石墨烯的透光率可達(dá)90%以上，這使得利用石墨烯制作透明吸波材料，可應(yīng)用于機(jī)艙、裝甲車窗等關(guān)鍵特殊部位隱身。

目前，吸收型隱身技術(shù)是利用介質(zhì)或金屬結(jié)構(gòu)對(duì)點(diǎn)電磁波的損耗來減小電磁波幅度的。一般地，傳統(tǒng)吸波材料利用介質(zhì)損耗進(jìn)行電磁波吸收。這種方法一般僅能夠滿足某個(gè)波段的隱身需求，但是無法實(shí)現(xiàn)X和Ku波段的寬帶高效隱身。雖然可以通過增加吸波材料的厚度來獲取更高的吸波率。但是，這增加了吸波材料的重量，也大大減小了裝備有效載荷，難以廣泛應(yīng)用。因此，急需對(duì)質(zhì)輕、寬帶的吸波材料展開技術(shù)攻關(guān)，滿足當(dāng)今武器裝備對(duì)隱身材料的需求。

石墨烯作為一種高性能二維材料，基于石墨烯的優(yōu)異物理性質(zhì)，結(jié)合超材料吸波技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)輕、寬帶的吸波材料。但是，超材料技術(shù)需要石墨材料具有特定的電學(xué)性能和幾何結(jié)構(gòu)，例如需要制備具有特定方阻的3層石墨烯堆疊周期結(jié)構(gòu)。因此，為了實(shí)現(xiàn)質(zhì)輕、寬帶的吸波材料，急需對(duì)石墨烯基吸波材料的材料制備以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開研究。

2? 石墨烯吸波材料制備技術(shù)

2.1? 機(jī)械剝離法

機(jī)械剝離方法就是使用外部機(jī)械應(yīng)力，直接將石墨烯從塊狀的石墨上剝落下來，實(shí)現(xiàn)較為容易。目前，還有許多新的機(jī)械方法，如滑動(dòng)摩擦法、機(jī)械壓力法[2]等。但是這些方法效率不高，制備出的石墨烯尺寸、層數(shù)難以控制，一致性較差，難以獲得大面積的石墨烯薄膜，不適合規(guī)?；a(chǎn)。

2.2? 熱解SiC外延生長(zhǎng)法

熱解指的是在單晶碳化硅的特定晶面上將晶體熱解并脫除硅原子來制備石墨。該方法最早由C.Berger等人在2009年實(shí)現(xiàn)。具體的做法一般為：將樣品的表面進(jìn)行氧化或氫氣刻蝕后，在超高真空下進(jìn)行電子轟擊加熱到1000℃以去除表面氧化物，通過俄歇電子能譜確認(rèn)氧化物已完全去除后，樣品再加熱至1250～1450℃并恒溫10～20min，從而形成極薄的石墨稀片層[3]。相比微機(jī)械剝離法制備石墨烯，熱解碳化硅外延生長(zhǎng)法最大的優(yōu)勢(shì)在于與半導(dǎo)體工藝兼容性好。其主要缺點(diǎn)在于制備條件較為苛刻，往往需要超高真空環(huán)境和高溫，此外碳化硅基底非常昂貴且制備的石墨烯難以轉(zhuǎn)移，在微電子以外領(lǐng)域的應(yīng)用存在困難。

2.3? 氧化還原法

氧化還原法是以化學(xué)法獲得的氧化石墨烯分散液為前驅(qū)體，通過化學(xué)還原反應(yīng)盡可能去除氧化石墨中含有的環(huán)氧基、羥基、羰基和羧基等含氧基團(tuán)，從而獲得石墨烯分散液。使用時(shí)，只需涂在基片上即可獲得導(dǎo)電的石墨烯薄膜。氧化還原法的優(yōu)勢(shì)在于可以大量快速地生產(chǎn)石墨烯，且工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，容易控制;但是氧化石墨很難被完全還原，這將使石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)存在大量的缺陷，致使導(dǎo)電特性不足。對(duì)于一些對(duì)導(dǎo)電性要求不高的應(yīng)用領(lǐng)域，這種石墨烯薄膜制備工藝可以發(fā)揮其低成本的優(yōu)勢(shì)，但如果要發(fā)揮石墨烯的阻抗吸收特性，則難以達(dá)到應(yīng)用要求。

2.4? 化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法（CVD法）通常以銅或鎳等金屬為襯底，使用有機(jī)碳源氣體在金屬表面的催化裂解提供碳源，從而在襯底表面獲得連續(xù)的石墨烯薄膜。采用CVD法制備石墨烯最大的優(yōu)勢(shì)在于可制備大面積連續(xù)的高品質(zhì)低缺陷石墨烯。更為重要的是，CVD法制備的石墨烯可以方便地轉(zhuǎn)移至幾乎任意材料的襯底。這些優(yōu)點(diǎn)使得基于金屬襯底的CVD法成為目前面向透明導(dǎo)電薄膜和吸波材料等應(yīng)用領(lǐng)域的主要石墨烯制備方法。

針對(duì)石墨烯吸波材料這一新的應(yīng)用領(lǐng)域，CVD法石墨烯制備技術(shù)將面臨新的挑戰(zhàn)。首先，石墨烯層數(shù)與其吸波性能緊密相關(guān)，所以除了通過襯底處理等方法降低成核密度控制提高單晶尺寸以減少晶粒晶界，利用復(fù)合金屬作為生長(zhǎng)襯底，從而控制石墨烯生長(zhǎng)層數(shù)，從而優(yōu)化石墨烯薄膜的吸波特性將是重要的研究?jī)?nèi)容。另一方面，石墨烯的表面等離子體激元現(xiàn)象的產(chǎn)生與其吸波特性密切相關(guān)。石墨烯與介質(zhì)層或其他元素原子、原子團(tuán)的復(fù)合工藝，是石墨烯薄膜吸波材料制備面臨的重要課題。

3? 石墨烯吸波材料設(shè)計(jì)技術(shù)

3.1? 石墨烯電壓偏置可調(diào)吸波技術(shù)

近年來，研究者們逐漸意識(shí)到石墨烯在制作吸波材料方面的巨大優(yōu)勢(shì)，各種基于石墨烯的太赫茲功能的器件開始出現(xiàn)，Wang和Huang分別利用石墨烯作為高阻表面，并將該材料應(yīng)用于諧振頻率和方向圖可重構(gòu)的太赫茲天線[4]。這些器件通過改變石墨烯的偏置電壓或給不同石墨烯貼片加偏置電壓來調(diào)整高阻面的反射相位，從而調(diào)整天線的諧振頻率和輻射方向，但這些天線卻存在工作帶寬不穩(wěn)定、增益不穩(wěn)定以及效率較低的問題。丹麥科技大學(xué)的Andrei Andryieuski博士設(shè)計(jì)了超材料可調(diào)吸波體，基本實(shí)現(xiàn)了吸收率隨石墨烯偏置電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)[5]，KAUST大學(xué)的Muhammad Amin利用多層石墨烯設(shè)計(jì)了超寬帶吸波體，通過調(diào)節(jié)不同層石墨烯的偏置電壓，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)帶寬超過70%的超高吸波特性。

3.2? 石墨烯超材料吸波技術(shù)

傳統(tǒng)的超材料技術(shù)吸波體都是在微波介質(zhì)材料上刻蝕并使用金屬結(jié)構(gòu)填充實(shí)現(xiàn)吸波特性，這種方法不但難以實(shí)現(xiàn)寬帶吸波，還屬于剛性材料，重量重、無法彎曲。將石墨烯與超材料技術(shù)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)石墨烯超材料，有望解決傳統(tǒng)超材料的上述問題。目前，這種超材料吸波體將石墨烯設(shè)計(jì)成具有一定幾何圖形的石墨烯周期結(jié)構(gòu)。

2013年，南京航空航天大學(xué)的Xu利用石墨烯-Si- SO02復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了吸收頻率可調(diào)的THz吸波體，西安交通大學(xué)的Shi利用石墨烯-介質(zhì)復(fù)合材料和石墨烯-金屬混合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了高吸收率并且頻段可調(diào)的THz吸波體。

3.3? 各類技術(shù)分析

但是，目前關(guān)于石墨烯吸波體的研究，大多停留在THz波段，關(guān)于微波波段的石墨烯吸波體的研究非常少，這些研究大多利用了石墨烯的電導(dǎo)率可調(diào)特性，基本實(shí)現(xiàn)了吸收頻段或者吸收率可調(diào)。但這些吸波體要么工作帶寬較窄，要么可調(diào)頻率有限，此外，關(guān)于石墨烯吸波體的研究大多只有數(shù)值仿真結(jié)果，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果較少，與此同時(shí)，目前的研究對(duì)石墨烯吸波體的基本工作原理還缺乏足夠的理論分析，還有許多關(guān)鍵的基礎(chǔ)性問題有待解決，如石墨烯產(chǎn)生表面等離極化激元現(xiàn)象的基本原理，石墨烯外加偏壓對(duì)石墨烯器件性能的調(diào)制規(guī)律，以及石墨烯載流子遷移率對(duì)石墨烯吸波性能的影響等。

隨著石墨烯加工技術(shù)的進(jìn)步，基于多層石墨烯的吸波體開始出現(xiàn)，但是，對(duì)多層石墨烯的層間互擾問題，以及互擾對(duì)石墨烯導(dǎo)電率的影響等問題，目前還沒有相關(guān)研究。同時(shí)，由于目前大部分?jǐn)?shù)值模擬方法都將石墨烯層進(jìn)行了簡(jiǎn)化，忽略了石墨烯層的厚度、帶間導(dǎo)電率和各向異性特征，因此，關(guān)于石墨烯厚度和帶間導(dǎo)電率對(duì)石墨烯電磁特性的影響，以及磁偏置下石墨烯的各向異性等問題，目前也缺乏相應(yīng)的研究。

目前，武器裝備對(duì)微波段輕質(zhì)、寬帶的吸波提出了明確的需求，石墨烯基吸波材料將迎來史無前例的市場(chǎng)需求。但是僅靠石墨烯材料無法實(shí)現(xiàn)寬帶高性能吸波，無法滿足在X和Ku波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)-10dB的反射率。超材料技術(shù)有望解決這一問題，但限于基礎(chǔ)材料和制備工藝，傳統(tǒng)超材料重量重，難以彎曲。因此，未來石墨烯吸波材料的發(fā)展趨勢(shì)必將是融合石墨烯和超材料技術(shù)，實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉，多材料多方法復(fù)合技術(shù)。

4? 技術(shù)路線分析

根據(jù)對(duì)石墨烯吸波材料的現(xiàn)有技術(shù)和研究的分析，未來石墨烯吸波材料可以遵循以下研究方向和技術(shù)路線。

4.1? 層數(shù)可控的石墨烯CVD法生長(zhǎng)制備技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)層數(shù)可控的石墨烯CVD法制備，通過降低石墨烯成核密度，使得每片石墨烯有足夠的成長(zhǎng)空間[6]，從而獲得大尺寸石墨烯單晶，有效降低石墨烯界面數(shù)量，提高導(dǎo)電性;通過中等強(qiáng)度的氧化性試劑在生長(zhǎng)前對(duì)生長(zhǎng)襯底處理，可在降低生長(zhǎng)成核密度的同時(shí)，提高連續(xù)成膜速度;通過對(duì)石墨烯薄膜生長(zhǎng)襯底Ni基表面化學(xué)處理工藝化學(xué)改性，實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯成核密度，生長(zhǎng)厚度和生長(zhǎng)速度調(diào)節(jié);通過PET等聚合物薄膜的表面改性來實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)襯底至目標(biāo)襯底的直接轉(zhuǎn)移技術(shù)。

4.2? 電磁吸收性能可控的石墨烯“種晶”生長(zhǎng)工藝

利用石墨烯晶粒晶界的搭接狀態(tài)，通過合適的摻雜技術(shù)，調(diào)控石墨烯晶粒晶界電子傳輸通道，從而調(diào)控其電磁吸收和能量耗散效率;研究石墨烯晶粒晶界的搭接狀態(tài)，通過合適的摻雜技術(shù)，調(diào)控石墨烯晶粒晶界電子傳輸通道，從而調(diào)控其電磁吸收和能量耗散效率;研究石墨烯晶體表面缺陷還原與結(jié)構(gòu)修整技術(shù)，增加石墨烯薄膜材料的電導(dǎo)率。

4.3? 基于堆疊結(jié)構(gòu)的石墨烯基寬帶、質(zhì)輕超材料吸波結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)

基于電磁結(jié)構(gòu)阻抗調(diào)控技術(shù)，通過建立以高損耗材料為基底的電磁結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，設(shè)計(jì)新型超寬帶高效吸波材料;將分形技術(shù)用于石墨烯吸波材料設(shè)計(jì)，可以有效拓展石墨烯吸波材料帶寬，或?qū)崿F(xiàn)X和Ku波段高效吸收。通過合理設(shè)計(jì)寬帶超表面單元結(jié)構(gòu)和分布，將自由空間入射的電磁波高效耦合為表面等離激元，再利用表面等離激元的局域增強(qiáng)特性使其在高損板材上被吸收，達(dá)到吸波隱身的效果。通過對(duì)損耗基底、金屬結(jié)構(gòu)及其互耦的阻抗特性進(jìn)行分析與綜合，從而實(shí)現(xiàn)與自由空間阻抗匹配的寬帶吸收型隱身技術(shù)。

5? 結(jié)? 論

石墨烯作為一種新型納米材料，具有獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)、電磁學(xué)性能，在制作吸波材料方面具有天然的無可比擬的優(yōu)勢(shì)。但是目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)X和Ku波段的質(zhì)輕、寬帶的石墨烯吸波材料研究并不成熟。采用溶液法和CVD法制備出層數(shù)可控、電磁學(xué)性能可控的石墨烯材料，基于阻抗匹配理論與表面等離激元耦合理論，解決寬帶、質(zhì)輕的石墨烯吸波超材料設(shè)計(jì)問題以及不同石墨烯層數(shù)、導(dǎo)電率、電子遷移率等參數(shù)對(duì)石墨烯吸波材料吸波性能分析研究仍將是石墨烯吸波材料領(lǐng)域未來的研究方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宣兆龍，易建政.地面軍事目標(biāo)偽裝材料的研究進(jìn)展 [J].兵器材料科學(xué)與工程，2000（2）：51-55.

[2] 張梓晗.石墨烯大規(guī)模機(jī)械剝離制備和石墨烯高性能發(fā)聲器 [D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2017.

[3] 常焜.類石墨烯過渡金屬硫化物/石墨烯復(fù)合納米材料的合成及其電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能的研究 [D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[4] 耿莉，謝亞楠，原媛.基于石墨烯的太赫茲方向圖可重構(gòu)天線 [J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2017，54（3）：213-222.

[5] KHROMOVA I，ANDRYIEUSKI A，LAVRINENKO A. Ultrasensitive terahertz/infrared waveguide modulators based on multilayer graphene metamaterials [J].Laser & Photonics Reviews，2014，8（6）：916-923.

[6] 韓江麗，曾夢(mèng)琪，張濤，等.石墨烯單晶的可控生長(zhǎng) [J].科學(xué)通報(bào)，2015，60（22）：2091-2107.

作者簡(jiǎn)介：劉康（1991-），男，漢族，陜西西安人，助理工程師，本科，研究方向：科技產(chǎn)業(yè)投融資、電子與通信工程。