《陶瓷学报》JOURNAL OF CERAMICS第31卷第1期2010年3月Vol.31,No.1Mar.2010文章编号：1000-2278（2010）01-0538-04陶瓷吸波材料的研究进展范跃农1，2龚荣洲2（１．景德镇陶瓷学院，景德镇：３３３４０３，２．华中科技大学，武汉：４３００７４）摘要简述了在当今世界能提高各类武器在战争中的生存能力、防卫能力和攻击能力的隐身技术，对其在现代高技术武器装备中的重要作用进行了肯定。
对隐身技术中占重要地位的电磁波吸收材料的种类、吸波原理及吸波方式做了进一步阐述。
重点讨论了陶瓷吸波材料的吸波原理、组成结构和方式，并着重介绍了几种最近几年陶瓷吸波材料的最新研究成果，列举了它们的吸波性能参数。
最后，对陶瓷吸波材料发展方向进行了展望。
关键词隐身技术，陶瓷，吸波材料，研究进展中图分类号：ＴＱ１７４文献标识码：Ａ１引言随着电子技术的发展,新型雷达、探测器及精密制导武器相继问世，军事空中防御能力和反导弹能力日益增强，使得武器系统，特别是大型作战武器，如飞机、导弹、舰艇、坦克等所面临的威胁越来越大，作为提高战争中的生存能力、防卫能力和攻击能力的隐身技术，普遍受到世界各国的高度重视。
隐身技术是指降低目标的雷达、红外、激光、磁信号等特征，使其在一定范围内难以被探测，从而提高其生存能力的技术。
已经成为现代电子战争的重要组成部分，它伴随着武器攻击、防卫技术的发展而产生，其最终目的是使武器系统能在多个的频率范围，进行多方位的隐身。
隐身技术发展的关键在于材料技术的发展，要求材料具有质量轻、适应性强的特点。
为了适应未来战争的需要，世界各发达国家都在积极致力于开发新型高效的吸波材料，并对其吸波机理进行更进一步的研究[1]。
吸波材料是隐身技术中不可缺少的组成部分，隐身兵器主要依靠吸波材料来吸收和衰减雷达波以达到隐身的目的。
２吸波材料的分类按照吸波材料的结构，可将其分为涂料型吸波材料、贴片型吸波材料、吸波腻子、吸波复合材料等[2]。
按照吸波机理可以将吸波材料分为磁损耗型吸波材料、介电损耗型吸波材料和“双复”型吸波材料三类。
陶瓷吸波材料属于介电损耗型吸波材料，主要包括碳化硅、Si 3N 4、莫来石、钛酸钡、Al 2O 3、AlN 、堇青石、硼硅酸铝、粘土和炭黑等一类陶瓷材料，同铁氧体、复合金属粉末等比较，这一类材料的吸波性能好，而且还可以有效地减弱红外辐射信号，能有效损耗雷达波的能量。
由于它们比重小、耐高温、介电常数随烧结温度有较大的变化范围，是制作多波段吸波材料的主要成分，有可能通过对显微结构和电磁参数的控制，来获得所希望的吸波效果。
此外，由金属微粉和陶瓷微粉共烧而成的以金属为分散相，陶瓷为连续相的金属陶瓷也属于这一类。
这一类材料对雷达波能量的吸收、转移主要以热能形式散发[3]。
要达到良好的吸波效果，必须具备以下两个条件：(l)入射来的电磁波要尽可能多地进入吸波材料而不被反射；(2)材料要能将电磁波损耗吸收掉[4]。
因此，收稿日期：2009-10-11通讯联系人：范跃农DOI:10.13957/ki.tcxb.2009.04.022陶瓷吸波材料多采用具有阻抗渐变的多层吸波体结构，通过阻抗匹配层的匹配作用，使空间入射来的电磁波尽可能多地进入吸波材料而被损耗吸收。
优化设计结果表明，阻抗变换层具有较低的介电常数时，有利于雷达波进入吸波材料内部，从而表现出较好的吸波性能[2]。
３陶瓷吸波材料的最新研究进展３．１碳化硅吸波材料在陶瓷吸波材料中，碳化硅（SiC）是制作多波段吸波材料的主要成分，通过它能实现轻质、薄层、宽频带和多频段吸收的目的，应用前景广阔[5]。
国外耐高温陶瓷吸收剂的研究报道多以碳化硅为主。
它不仅是一种性能优异的结构陶瓷材料，具有高硬度、大高温强度、抗蠕变、耐腐蚀、抗氧化、小的热膨胀系数、高的热传导率等特点；它的粒径、热处理时间等对其吸波性能的影响也很大，所以可以通过控制制作过程的工艺参数，来对其显微结构和电磁参数进行控制，从而获得理想的吸波效果[6]。
碳化硅陶瓷吸波材料的损耗机理较为复杂，一般认为是多种损耗机制的共同作用。
在不同条件下(如热处理、晶粒大小、形貌以及掺杂等)，以不同的损耗机制作为吸收的主要原因。
在一定条件下，碳化硅的损耗机制以介电极化为主。
目前，碳化硅吸波材料的应用形式多以碳化硅纤维为主，即吸收层是由碳化硅的纤维组成。
这种吸收剂在强度、耐热和耐化学腐蚀方面的性能较好，并且能得到满意的宽频带吸收性能。
碳化硅陶瓷纤维最初是由日本东北大学教授矢岛圣使在1975年采用先驱体转化法制备的[7]。
运用超声将平均粒径30nm的超细金属钴粉均匀分散到聚碳硅烷中，通过熔融纺丝、烧结等处理，制备出具有良好力学性能、电阻率连续可调的掺杂型磁性碳化硅陶瓷纤维。
将这种纤维正交铺排，与环氧树脂复合，制备出三层结构吸波材料，具有良好的微波吸收特性。
一种合成厚度为6mm的三层结构吸波材料在8.0～12.4GHz频率范围内，反射衰减可高达-12dB以上，最大可达-16.3dB，其中小于-15dB的宽度约为1.2GHz[8]。
北京工业大学的葛凯勇等人，以化学还原的方法制备出粒度约为0.2μm左右的超细镍粉，与碳化硅混和，在一定的配比下制备成吸波涂层材料，使吸波涂层最小的反射率都能够达到-23.59dB。
他们提出了微观层复合的设想，并利用化学镀的方法对碳化硅粉表面进行了改性处理，使金属镍沉积在碳化硅颗粒的表面，材料在合理配比下的最小反射率为-22.07dB。
他们还采用宏观层复合的方法，将超细镍粉涂层与碳化硅涂层复合制备成多层吸波材料，改善了吸收峰值和吸收带宽[9]。
３．２ＳｉＣ（Ｎ）吸波材料济南大学的周东等人，对SiNCO粉末的吸波性作了研究。
他们对以氯硅烷为单体合成的聚硅氮烷，经裂解、球磨制得的黑色粉末进行了红外、相分析、元素分析及吸波性测试，并通过改变单体配比，改变粉末中C元素的含量，探究粉末吸波性的变化。
实验结果表明，SiNCO粉末在38.0～39.5GHz高频带表现出较好吸波性，衰减大于-10dB；SINCO粉末与Fe3O4按一定比例复配后，在32.0～39.5GHz (Δ=7.5GHz)，衰减大于-10dB，最高达-25.8dB[10]。
西北工业大学的罗发等人，在SiC(N)吸波材料与空气之间添加LAS玻璃陶瓷后，降低了电磁波在空气与吸波材料界面上的反射，使更多的电磁波进入了吸波材料中。
在SiC(N)/LAS吸波材料中，纳米SiC (N)吸收剂是N原子取代了纳米SiC中的C原子，形成的具有晶格缺陷的纳米SiC。
由于N只有三价，只能与三个Si原子成键，而另外的一个Si原子将剩余一个不能成键的价电子形成一个带负电的缺陷。
这个电子可以在有限的范围内运动，故被称为“准自由电子”。
在电磁场中，这种“准自由电子”的位置随电磁场的方向而改变，导致电子位移，“准自由电子”从一个平衡位置跃迁到另一个平衡位置，要克服一定的势垒，从而运动滞后于电场，出现强烈的极化弛豫，损耗电磁波能量。
另一方面，虽然碳是很强的电磁波反射材料，但是由于形成的碳界面层很薄，而且均匀分散于吸波材料之中，电磁波能够在穿透过程中被损耗掉，因此，正是碳界面层与纳米SiC(N)的共同作用，提高了吸波材料对电磁波的吸收率[11]。
３．３莫来石陶瓷西北工业大学的罗发等人还对莫来石陶瓷的与陶瓷吸波性能密切相关的复介电常数进行了研究。
莫来石陶瓷具有耐高温、抗氧化、低热导率、低膨胀系数、低蠕变、低弹性模量、高温下强度不会衰减等优良特性，加之化学稳定性好、抗腐蚀耐磨、来源方便、价格便宜，可作为优质的高温结构材料，在航空航天领域有着极好的应用前景，其适中的复介电常数将有利于制备出具有良好力学性能和吸波性能的高温吸波材料。
莫来石陶瓷复介电常数的实部和虚部与莫来石陶瓷的烧结致密度、烧结助剂有关。
烧结致密度升高时，莫来石陶瓷复介电常数的实部和虚部均升高，添加MgO烧结助剂后，莫来石陶瓷复介电常数的实部和虚部也有所升高，直接提高材料的吸波性能；且其复介电常数无明显频散效应[12]。
３．４铁氧体中国海洋大学的侯进、陈国华等人对铁氧体/SiC/石墨系列三层复合吸波涂层进行了研究，他们以铁氧体、SiC和石墨作为吸波剂，制备出了具有阻抗渐变结构的三层复合吸波涂层，并详细探讨了三种吸波剂含量、各层涂层厚度以及中层SiC粒度等因素对吸波性能的影响。
他们得出的结论是：（1）增加底层铁氧体含量、中层SiC含量、表层石墨含量以及涂层厚度，复合吸波涂层的吸波性能曲线会向低频方向移动。
（2）复合吸波涂层的反射损耗和频宽均随底层铁氧体含量的增加而增加，当铁氧体含量由30％增加到60％时，最大反射损耗可以增加-10.36dB，而-10dB以下的频宽则拓宽至2.80GHz。
如果考虑涂层的附着力和涂层密度等问题，铁氧体的质量百分含量选为60％为佳。
（3）当底层铁氧体含量为60％，中层SiC（320目）含量为46％和50％，表层石墨含量为23％时，制得了两种三层吸波涂层，-5dB以下的频宽分别为6.52GHz和5.16GHz，-10dB以下的频宽分别为3.52GHz和2.84GHz，对应的最大反射损耗分别为-35.74dB和-39.25dB。
当底层铁氧体含量为60％，中层SiC（1000目）含量为33％，表层石墨含量为23％时，制得的三层吸波涂层在-5dB和-10dB以下的频宽分别为8.68GHz和4.08GHz，对应的最大反射损耗则为-18.78dB。
（4）适当增加涂层的厚度可以改善吸波效果。
对于底层铁氧体含量为60％、中层SiC（320目）含量为33％和表层石墨含量为23％的三层涂层，各层厚度分别增加一倍，均可提高涂层的反射损耗和吸波频宽；其中增加底层厚度反射损耗和吸波频宽的增加最为显著，-5dB和-10dB以下的频宽分别增加到4.72GHz和2.48GH z，对应的最大反射损耗为-37.88dB[6]。
陶瓷吸波材料的种类很多，近几年来的发展也很快，但限于篇幅，这里只能介绍这几种目前开发得比较快、性能较理想的材料。
４结束语隐身技术不仅影响着现代战争的胜负,而且还将影响现代战争的模式,随着高科技的发展,未来的武器系统将综合采用各种隐身技术来提高武器系统的突防和攻击能力,实现宽频段、全方位、多功能的隐身将成为隐身技术发展的总趋势。
经过几十年的努力、吸波材料的研究己取得了一定的进展,但是还存在一定的不足之处。
为适应实际战争的需要,吸波材料要满足“薄、轻、宽、强”和的耐腐蚀性要求，由于陶瓷吸波材料本身在这些方面的性能优势，所以对陶瓷吸波材料的开发将任重而道远。
参考文献1焦桓,周万城.雷达吸收剂研究进展.材料导报,2000,14（3）:pp 11～122李鹏.高温吸波材料研究应用现状.航空制造技术.2008,（6）: 26～293吴小光,车晔秋.国外微波吸收材料.长沙:国防科技大学出版社],19924HeYanfei，GongRongzhou，NieYan，et al.Journal of Applied Physics，2005，98(8):084903-15罗发,周万城,焦桓等.西北工业大学学报.2004,22（1）:116～1196侯进,陈国华.水滑石、石墨、碳化硅以及铁氧体复合吸波涂层制备与性能研究（博士论文）.20077Yajim a S,et al.J Am Ceram Soc,1976,59(7-8):3248王丽熙,张其土.材料导报,2005,19(9):26~299葛凯勇,王群,张晓宁等.碳化硅吸波性能改进的研究.功能材料与器件学报,2002,（3）10周东,费沂虹,苏玉臻等.SINCO陶瓷粉末吸波性的初步研究.高分子材料科学与工程,2000,311罗发,周万城等.SiC(N)/LAS吸波材料吸波性能研究.无机材料学报,2003,18(3):580~58412张富宽,罗发,朱冬梅等.莫来石陶瓷的制备、微波介电特性及其对材料吸波性能的影响.航空学报,2005,26（2）:250～253RESEARCH STATUS OF ELECTROMAGNETIC WAVEABSORBING CERAMICS MATERIALSFan Yuenong1,2Gong Rongzhou2(1.Jingdezhen Ceramics Institute,Jingdezhen333001;2.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan430074)AbstractStealth technology which can improve survivability,defense capability and attack capability of all kinds of weapons in the present world has been summarized,and its vital role in the modern high technology military hardware has been confirmed.The category,wave-absorbing theory and wave-absorbing methods of electromagnetic wave absorbing materials,which occupy an important position in stealth technology,have also been presented.Wave-absorbing theory and wave-absorbing methods of electromagnetic wave absorbing ceramic materials have been discussed,and several new research results of wave-absorbing ceramic materials have been introduced.Also the development trends of wave-absorbing ceramic materials are prospected.Keywords stealthy technology,ceramics,radar-wave absorbing material,research statusReceived on Oct.11,2009Fan Yuenong。