碳基复合材料的吸波特性及其应用

　　碳基复合材料的吸波特性及其应用
　　在人类的发展历程中，电磁波科学做出了巨大的贡献。由于电子通信和雷达的发展，现代战争中的搜索和跟踪能力大大提高，因此现代武器也受到很大威胁。隐身技术用于减小被探测目标的雷达截面，从而降低雷达回波强度，从而大大提高战争武器的作战能力和生存能力。
　　隐身技术的原理
　　隐身技术可以分为很多类别，比如可见光隐身技术、雷达隐身技术、红外隐身技术、激光隐身技术等等。在战争中，雷达的应用已经成为Z可靠的探测手段，使用比例超过60%。因此，隐身技术的研究以雷达隐身技术为基础，向高性能、多方向发展。
　　隐身飞机的机理本质就像黑色物体容易吸收光线一样，隐身飞机的表面材料会与电磁波发生相互作用。隐身飞机吸收电磁波后，通过吸收材料将电磁波转化为热能或其他形式的能量，从而使雷达回波Z小化，达到隐身效果。
　　吸波材料简介
　　吸波材料是隐身技术的核心，吸收电磁波的效果直接决定了飞机被雷达探测到的概率。
　　吸收材料的分类
　　根据电磁波的吸收损耗机理，可分为介质损耗、传导损耗和磁损耗三大类。
　　(1)介质损耗型吸波材料是指介质通过反复极化产生“摩擦”，将电磁能转化为热能并加以消耗。(2)磁损耗吸收材料通过磁滞损耗、涡流损耗、磁共振等损耗方式实现损耗功能。(3)导电损耗吸收材料的机理与材料的导电性有关。材料内部会产生电流来抵抗外部磁场，这个电流会屏蔽外部磁场。
　　碳基材料作为介电损耗和导电损耗吸收剂受到广泛关注，而铁磁性金属粉末和铁氧体是磁损耗吸收材料的代表。
　　碳系吸收材料
　　碳材料主要依靠介电损耗衰减电磁波，具有一定的局限性。纳米碳材料与金属材料(如铁、镍、钴等)复合。)及其氧化物，得到的复合材料既具有磁性金属材料饱和磁化强度大的优越性能，又具有纳米碳基材料重量轻、抗氧化性好的优点，还满足电磁波的磁损耗和介电损耗。
　　当电磁波入射到纳米碳基金属复合材料表面时，电磁波的衰减效应主要是通过界面极化和共振效应实现的。

　　碳纤维复合吸波材料
　　碳纤维是一种含碳量在90%以上的纤维状碳材料，主要由高分子聚合物经纺丝、加热、拉伸制成。实心碳纤维具有良好的导电性。当微波到达其表面时，会有强烈的反射，达不到吸收微波的效果。但通过特殊的工艺处理，如中空多孔碳纤维、螺旋碳纤维等，可以提高碳纤维材料的介电性能或改变微波反射模式，从而达到吸收微波的效果。碳纤维材料一般具有高强度、高模量、高耐腐蚀性等特点，因此常与其他电磁材料复合制备新型吸波材料。
　　杨等研究了Fe3O4碳纤维复合材料的吸波性能。结果表明，引入Fe3O4后电磁损耗增加，包覆改性的吸波效果优于共混改性。
　　碳纳米管(CNTs)是由二维石墨片形成的无缝管状结构，其中碳原子的六方晶格以一定的螺旋角围绕心轴卷曲。其吸收机理主要是在电磁场的作用下作为偶极子产生耗散电流，耗散电流在周围基体的作用下衰减，使电磁能转化为热能进行耗散。
　　与碳纤维不同，碳纳米管具有可控的结构，可以被填充和修饰。林海燕等人研究了填充铁的碳纳米管复合材料的吸收性能。结果表明，随着吸收层匹配厚度的增加，样品的反射率向低频方向移动。吸收层在Ku波段具有良好的吸收效果。
　　石墨烯-金属复合材料
　　石墨烯是一种二维材料，具有由sp2杂化轨道组成的六方蜂窝状晶格。氧化还原法制备的还原氧化石墨烯(rGO)中存在大量的缺陷和官能团，降低了石墨烯的导电性。同时，这些缺陷和官能团的出现可以产生费米能级的局域态，有利于电磁波的吸收和衰减。同时，基于还原氧化石墨烯的复合材料具有三维层状结构，易于实现电子传输，极化损耗强。
　　含石墨烯的三元复合吸波材料是目前的研究热点之一，还原氧化石墨烯/磁性金属粉末/聚合物的三元协同增强复合材料在近期发展迅速。
　　吸收材料的应用
　　隐身技术
　　对于现代隐身飞机，除了保证高性能的电磁波吸收性能外，应用的吸波材料还应做到轻薄，有效吸收频率尽可能宽。有效吸收带宽的特点是衰减小于-10dB。　　
　　目前，除了战斗机，坦克、舰船等领域也越来越多地使用吸波材料来躲避侦察波。
　　电子抗干扰
　　随着电子技术的飞速发展和电子产品特别是移动通信、计算机、家用电器的普及，人们的生活环境受到了电磁波的严重污染，城市中高层建筑的增多造成了电子环境的恶化。吸波材料在减少电磁干扰的镅方面起着重要的作用。比如吸波材料广泛应用于RFID/NFC、无线充电等领域，解决RFID/NFC面临的金属干扰，解决无线充电的发热问题，提高无线充电的效率。
　　到目前为止，碳基吸波材料已经取得了一些突破，但离“强、宽、轻、薄”的要求还有一定差距。根据研究趋势和实际需求，碳基吸波材料的主要发展方向是材料复合化、结构多样化和机理协同化。