由于無線通信設(shè)備、大功率信號(hào)基站及家用WIFI發(fā)射機(jī)的過度使用，電磁污染成為現(xiàn)代日常生活中最受關(guān)注的問題之一。電磁輻射不僅極大地影響了人類健康，而且會(huì)使信息泄露從而威脅國(guó)家安全。為了解決這些問題，亟待制備一種在寬頻下有效吸波的材料。作為理想的電磁波吸收材料，它應(yīng)該具備質(zhì)量輕、匹配厚度薄、吸收頻帶寬、吸收性能強(qiáng)等特點(diǎn)。目前，大多數(shù)電磁吸收材料，包括磁性材料、金屬氧化物、硫化物等，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)度較差，限制了在實(shí)際中的應(yīng)用。例如，寬頻吸波材料被用于制備戶外條件下的吸波涂層、隱形飛機(jī)反雷達(dá)偵察的表面吸波涂層，其對(duì)耐水性、耐酸性、耐高溫有一定的要求。研究表明，聚合物類吸波劑具有良好的疏水性，但單一的聚合物吸波材料介電損耗較低，導(dǎo)致其在寬頻條件下吸收電磁波存在一定局限性。因此，研發(fā)一種吸波性能好、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的新型吸波材料更有利于實(shí)際應(yīng)用。

吸波材料的性能取決于以下幾個(gè)參數(shù)，吸波材料與自由空間的阻抗匹配、材料的比電阻、材料在不同頻率范圍內(nèi)工作的頻率和靈活性、介電損耗和磁損耗等，其中材料的吸波特性主要取決于磁損耗與介電損耗。因此，吸波材料主要分為兩個(gè)大類，即介電損耗型和磁損耗型。介電損耗型材料主要的電磁波損耗機(jī)制包括界面極化、偶極極化、缺陷誘導(dǎo)極化和導(dǎo)電損耗,而磁損耗型材料的損耗機(jī)制是通過磁介質(zhì)將入射進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波轉(zhuǎn)化為熱能或其他能。通常情況下，這兩類材料都具備良好的吸收電磁波的潛力，然而，大多數(shù)介電損耗型材料往往出介電常數(shù)和損耗較高而磁導(dǎo)率和磁損耗值較低，導(dǎo)致阻抗匹配較差。這種情況下，雖然能夠很容易地吸收入射的電磁波，但是大部分電磁波會(huì)透過材料，不能有效轉(zhuǎn)化為其他能，甚至可能導(dǎo)致電磁波的二次污染。同樣，大多數(shù)磁損耗型材料由于介電常數(shù)和介電損耗值過低，阻抗匹配較差，雖然進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波能夠被有效利用轉(zhuǎn)化，但是大部分電磁波會(huì)被材料反射，導(dǎo)致吸波性能不理想。另外，材料厚度也影響材料的吸波性能，需要結(jié)合材料本身吸波性能模擬出更匹配的厚度。

傳統(tǒng)上，一些阻抗匹配良好的磁性金屬和合金材料被用作制備微波吸收材料，但重量大、機(jī)械柔韌性低、耐腐蝕性差，以及智能電子器件的發(fā)展限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。碳材料如碳納米管和石墨烯由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，包括低密度、可調(diào)導(dǎo)電性和良好的環(huán)境穩(wěn)定性，被認(rèn)為是很有前途的候選材料。碳基分層結(jié)構(gòu)賦予了材料較高的吸附容量和較寬的有效吸收頻帶；三維結(jié)構(gòu)能夠拉長(zhǎng)反射和散射路徑，從而產(chǎn)生新的界面，調(diào)節(jié)阻抗匹配。然而，這些材料昂貴的原始化石材料和復(fù)雜的制作工藝(如化學(xué)氣相沉積、電弧放電、溶劑剝離等)障礙了其應(yīng)用。因此，尋找一種可持續(xù)的原材料，以簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、高效的方法生產(chǎn)碳基吸收材料至關(guān)重要。

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電磁吸收原理

由于自由空間阻抗與介質(zhì)阻抗不匹配，當(dāng)電磁波在空間中傳播并遇到介質(zhì)時(shí)，一部分電磁波會(huì)在自由空間與介質(zhì)的界面處反射，而另一部分則會(huì)折射到介質(zhì)中。在介質(zhì)內(nèi)部傳播的電磁波會(huì)與介質(zhì)相互作用，將電磁波的能量轉(zhuǎn)化為熱能、電能、機(jī)械能等其他能耗散。

電磁吸收材料能夠通過其介電損耗或磁損耗能力將電磁波轉(zhuǎn)換為熱能或其他能。介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是吸收材料的重要參數(shù)，與其吸收性能直接相關(guān)。為了提高吸波性能，研究者設(shè)計(jì)并制備了許多種類的復(fù)雜形貌和納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，以改變阻抗匹配特性并調(diào)整電磁吸收能力?；陔姶盼赵恚牧系奈ㄐ阅苤饕Q于材料本身的介電損耗與磁損耗參數(shù)。單一的材料往往只表現(xiàn)出單一的損耗機(jī)制。一般來說，介電損耗為主導(dǎo)的材料磁損耗參數(shù)較低，磁損耗為主導(dǎo)的材料介電損耗參數(shù)較低，這種材料導(dǎo)致阻抗匹配特性較差，只能在某個(gè)較窄頻率實(shí)現(xiàn)高吸收或難以吸收轉(zhuǎn)化為其他能，因此，目前的研究重點(diǎn)主要為磁損耗型和介電損耗與磁損耗耦合型。根據(jù)兩種材料的特征對(duì)阻抗匹配特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)寬頻高吸波性能。

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各種復(fù)合型寬頻吸波材料及其性能

2.1 導(dǎo)電聚合物復(fù)合吸波材料

導(dǎo)電聚合物因質(zhì)量輕、耐腐蝕、良好且靈活的加工性能，以及導(dǎo)電性的變化性被廣泛研究。當(dāng)導(dǎo)電聚合物在很寬的范圍內(nèi)表現(xiàn)出導(dǎo)電性時(shí)，導(dǎo)電聚合物和磁損材料的組合產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，不僅可以使復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、耐高溫、抗氧化等特殊性能，而且可以豐富偏振損耗，增強(qiáng)微波吸收性能。

Xu等證明還原石墨烯/鱗片羰基鐵粉/聚苯胺（R-GO/F-CIP/PANI）復(fù)合材料在2G～18 GHz下具有優(yōu)異的微波吸收性能，在11.8 GHz下獲得最佳的微波吸收性能，在2.0 mm厚度下最小反射損耗（RL）值為-38.8dB。Yan等將三種導(dǎo)電聚合物聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）和聚（3，4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT），分別與NiFe2O4通過兩步法復(fù)合，并涂覆于還原氧化石墨烯片（RGO），探究得到的三種復(fù)合吸波材料（RGO-PANI-NiFe2O4、RGO-PPy-NiFe2O4、RGO-PEDOT-NiFe2O4）的吸波性能。發(fā)現(xiàn)三者都表現(xiàn)出優(yōu)異的寬頻微波吸收性能，當(dāng)RL值低至-10dB時(shí)，三者的有效吸收頻帶分別為5.3GHz、5.3GHz、3.7GHz，最佳RL值分別為-49.7dB、-44.8dB、-45.4dB。從吸收頻帶寬、質(zhì)量、吸波強(qiáng)度綜合分析，RGO-PANI-NiFe2O4三元復(fù)合材料具備更優(yōu)良的吸波性能。Luo等制備PANI包覆的Fe3O4樹枝狀材料，通過水熱法復(fù)合，PANI可以優(yōu)化阻抗匹配并形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)以優(yōu)化吸收性能。當(dāng)匹配厚度為1.3 mm時(shí)，在3.04 GHz時(shí)獲得-53.08 dB的RL值，帶寬達(dá)到4.1 GHz。

單一聚合物存在吸收弱的缺點(diǎn)，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。因此，越來越多的研究者將聚合物與其他種類的材料結(jié)合，以期增強(qiáng)吸收性能。研究表明，一些特殊的材料（通常為磁性金屬材料）與有機(jī)聚合物復(fù)合，通過磁性顆粒的介入，可以提高材料基底的磁響應(yīng)和阻抗匹配能力，從而得到更寬的有效吸頻帶。

2.2 生物質(zhì)衍生碳基復(fù)合吸波材料

碳材料作為一種介電損耗型材料，因密度小、理化性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)電損耗強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。碳材料的各種結(jié)晶態(tài)，如碳納米纖維、石墨烯和碳納米管，與一些磁性金屬?gòu)?fù)合，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的吸波性能。但是昂貴的原始化石材料和復(fù)雜的制作工藝是其實(shí)際應(yīng)用的主要障礙。生物質(zhì)作為一種綠色可再生清潔能源，具有分布廣、成本低、易加工、無污染等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)生物質(zhì)最常規(guī)的處理方法是熱解，在惰性氣氛下于300～950℃溫度下對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行熱分解，熱解后可獲得生物炭、生物油和合成氣三種組分。而熱解獲得的生物炭含有高度石墨化和多孔結(jié)構(gòu)，且富含碳元素，具備良好的導(dǎo)電性、高比表面積等優(yōu)點(diǎn)，這有助于降低堆積密度，改善阻抗匹配并提高微波衰減能力，是制備寬頻吸波材料的理想原材料。對(duì)于碳源的選擇，生物炭相比于碳納米管、石墨烯等材料，有著成本低、更易獲得的優(yōu)點(diǎn)。研究證實(shí)，使用低成本生物質(zhì)作為原材料制造寬頻吸波材料是一種有前途的環(huán)保方法。

Long等選用木棉纖維作為實(shí)驗(yàn)原材料，對(duì)木棉纖維預(yù)處理后進(jìn)行熱解，加熱程序設(shè)置為從25°C升溫至600°C，加熱速率為10°C/min，在600°C熱解2h后自然冷卻至室溫，得到具有多孔結(jié)構(gòu)、表面粗糙的碳微管結(jié)構(gòu)生物炭。將所得生物炭以不同濃度填充石蠟探究濃度對(duì)吸波性能的影響，發(fā)現(xiàn)用30%（wt，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）木棉纖維衍生生物炭摻雜時(shí)，表現(xiàn)出最佳吸波性能，最小反射損耗（RLmin）在16.48 GHz 時(shí)達(dá)到-49.46 dB。在4.48 G～18.00 GHz的頻率范圍內(nèi)，可以通過調(diào)節(jié)材料厚度達(dá)到吸收90%以上電磁波的有效吸波頻帶。

強(qiáng)榮等以香菇為原材料，通過蒸餾水和無水乙醇清洗過后，用配置好特定濃度的六水合三氯化鐵對(duì)香菇進(jìn)行浸漬處理。由于香菇固有的吸附作用，F(xiàn)e3+被吸附于香菇表面，干燥后對(duì)Fe/香菇前驅(qū)進(jìn)行熱解處理，得到Fe/Fe4N/C復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，最佳熱解條件為加熱至700℃，保溫2h后冷卻至室溫。當(dāng)Fe/Fe4N/C復(fù)合材料的厚度為5mm時(shí)，在4.8 GHz頻率下，反射損耗達(dá)到-30.3 dB；當(dāng)厚度為4mm時(shí)，得到最寬有效吸波頻帶。

近期，He等采用茄子碳片（ECS）和片狀羰基鐵（FCI）合成制備吸波材料，考察了在FCI中添加ECS對(duì)FCI電磁特性和微波吸收特性的影響。其中FCI粉末通過能球磨工藝制備。采用傳統(tǒng)噴涂方法制備了填充雜化吸收劑的微波吸收涂層。結(jié)果表明，在FCI中適當(dāng)添加ECS可以調(diào)節(jié)電磁特性，從而有效增強(qiáng)微波吸收性能。當(dāng)ESC含量為6%，F(xiàn)CI含量為24%時(shí)，微波吸收涂層有效吸收頻帶更寬，為8.34 GHz（9.66G～18GHz）。

2.3 磁性金屬類復(fù)合吸波材料

磁性金屬材料基于其居里溫度高、溫度穩(wěn)定性好、飽和磁化強(qiáng)度高、成分可控等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)制備吸波材料的選擇之一。磁性金屬材料吸波性能基于其良好的磁導(dǎo)率和磁損耗，但是當(dāng)磁性金屬單獨(dú)作為原材料時(shí)，吸收頻帶較窄，這是在寬頻吸波領(lǐng)域的主要缺陷，且不足以滿足所需的阻抗匹配，導(dǎo)致不易吸收電磁波，且缺乏出色的吸波性能。除此之外，磁性金屬材料質(zhì)量較大、耐腐蝕性差、機(jī)械柔韌性低也限制了其在寬頻吸波材料方面的研究。為了克服以上缺點(diǎn)，研究者提出了改變材料結(jié)構(gòu)、摻雜其他表面活性劑等方法來增寬磁性金屬材料的吸收頻帶，發(fā)現(xiàn)其在高頻段下具有良好的阻抗匹配特性。目前，磁性金屬在寬頻吸波應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)比較成熟，一些改性過后的磁性金屬吸波材料已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)探測(cè)。

Chen等采用液相還原路線構(gòu)建具有強(qiáng)吸波效率的FeNi3微球，F(xiàn)eNi3摻雜C通過原位聚合和高溫碳化過程，獲得了碳?xì)ず穸仁芸匚⑶颍‵eNi3@C）；調(diào)整甲醛和間苯二酚的量可以控制外表面形成的酚醛樹脂的量，進(jìn)而調(diào)整C的含量。隨著甲醛和間苯二酚用量的增加，最終獲得三種擁有不同直徑范圍的微球結(jié)構(gòu)：FeNi3@C-1直徑在590～740 nm之間，F(xiàn)eNi3@C-2直徑在650～800 nm之間，F(xiàn)eNi3@C-3直徑在730～880 nm之間，且隨著微球直徑范圍的擴(kuò)大，碳?xì)さ暮穸戎饾u增加，表面也更為光滑。與FeNi3相比，F(xiàn)eNi3@C微球具有核殼結(jié)構(gòu)，可以獲得多界面和偶極極化及多散射，從而增強(qiáng)電磁波衰減。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eNi3@C-1在匹配厚度為1.5 mm時(shí)表現(xiàn)出出色的微波吸收性能，RLmin為-22.0dB，13.4GHz-17.9 GHz為有效吸收頻帶。FeNi3@C-2和FeNi3@C-3通過控制5.1～18.0 mm的薄匹配厚度，在1.5G～2.5GHz下具有連續(xù)的優(yōu)越電磁損耗，其中RL＜-20 dB占據(jù)整個(gè)X和Ku波段。

與磁性金屬材料類似，磁性金屬氧化物同樣具備優(yōu)良的磁損耗，因此同樣需要摻雜介電損耗型材料對(duì)其阻抗匹配進(jìn)行調(diào)節(jié)。Liu等采用低溫濕化學(xué)法制備核殼結(jié)構(gòu)的單質(zhì)鐵/氧化鋅（Fe/ZnO）納米復(fù)合材料。與單一的α-Fe和ZnO相比，所有Fe/ZnO納米復(fù)合材料的電磁波吸收性能均有顯著提高。隨著ZnO含量的增加，有效吸收帶向高頻方向移動(dòng)。當(dāng)厚度為1.59 mm時(shí)，F(xiàn)e/Zn摩爾比為1:0.75的Fe/ZnO納米復(fù)合材料在15.55 GHz時(shí)可達(dá)到-48.28 dB的最佳反射損耗，有效吸收帶寬為3.50 GHz（12.925G～16.425 GHz）。此外，當(dāng)Fe/Zn比為1:0.51時(shí)，最大有效吸收帶寬達(dá)到5.10 GHz (10.79G～15.89 GHz)。

2.4 陶瓷類復(fù)合吸波材料

近年來，陶瓷基類吸波材料得益于低密度、耐高溫、抗腐蝕、強(qiáng)吸收等特點(diǎn)，在制備輕質(zhì)寬頻吸波材料領(lǐng)域有著越來越廣闊的前景。通過與其他材料復(fù)合，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的寬頻吸波性能。作為典型的介電吸收體，陶瓷基通常摻雜其他磁性吸收體，如金屬顆?；蚱浣饘傺趸飦硇揎?，以調(diào)節(jié)阻抗匹配特性。

Wei等以間苯二酚-甲醛氣凝膠包覆二氧化硅為前驅(qū)體，在高溫下合成了高純立方碳化硅（β-SiC），再通過錫敏化化學(xué)鍍?cè)讦?SiC上涂覆各種濃度的銀納米顆粒（AgNPs），最后研究不同AgNPs含量對(duì)β-SiC介電和微波吸收性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AgNPs主要為3C晶型，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和抗氧化性，最佳濃度為1.0 g/L，得到最佳RL為-36.3 dB。但隨著AgNPs含量的增加，磁損耗過高對(duì)復(fù)合材料阻抗匹配產(chǎn)生一定不利影響，最終獲得有效吸收頻帶為1.6GHz。

Hou等采用乙酰丙酮鐵改性聚硅氧烷(PSA)聚合物衍生陶瓷(PDC)制備了非晶態(tài)SiCO陶瓷中的碳包覆Fe3Si納米顆粒(SiCO/C/Fe3Si)。通過改變藥劑含量改變陶瓷型復(fù)合納米顆粒狀Fe的含量，最終發(fā)現(xiàn)Fe含量為4.35%的復(fù)合物在9.2GHz下可以達(dá)到-32dB的電磁損耗，厚度為3.5mm，有效帶寬約為3.6GHz。Fe含量為12.3%的復(fù)合物在7.9GHz下可以達(dá)到-41dB的電磁損耗，厚度為3.5mm。

綜上，通過磁性顆粒的介入，磁介質(zhì)改良了陶瓷材料內(nèi)部磁損耗性質(zhì)，基于陶瓷材料耐高溫的性質(zhì)，該雜化材料在高溫環(huán)境下仍具有優(yōu)異的吸波性能，未來有較好的發(fā)展前景。

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結(jié)語與展望

主要綜述了幾種應(yīng)用前景比較廣泛的寬頻吸波材料，系統(tǒng)地介紹了導(dǎo)電聚合物復(fù)合吸波材料、生物質(zhì)衍生碳基復(fù)合吸波材料、磁性金屬?gòu)?fù)合吸波材料、陶瓷基復(fù)合吸波材料等。以電磁吸收原理為基礎(chǔ)，探究各材料的合成方法、合成條件、材料理化性質(zhì)。雖然目前的研究取得了一定進(jìn)展，但在制備工藝、批量化生產(chǎn)、實(shí)際應(yīng)用方面還有所欠缺，未來將不斷加深對(duì)介電損耗型材料與磁損耗型材料復(fù)合的探究，摻雜復(fù)合材料將成為研發(fā)寬頻吸波材料的最主要技術(shù)。