5G技术的广泛应用，为国防、医疗、通讯等领域带来了极大便捷，但在另一方面也导致了通信设备多样化和频段增加，使得电磁环境变得愈加复杂，威胁了电子设备的正常运行。此外，在军事领域，现代飞机、舰艇和导弹等作战平台和武器装备也需要降低其信号的可探测性，实现隐身。因此，在电磁污染治理和雷达隐身技术中有广阔应用前景的陶瓷基吸波材料成为各国的研究重点。

一、吸波材料的原理

一般金属材料在接收电磁波时会产生反射，干扰其他设备或通信系，而吸波材料能以绝缘损耗、磁损耗和阻抗损耗等方式吸收或者大幅减弱接收到来自其他电子设备发射的电磁波能量，在材料的结构内反射、散射或者透射，使电磁波的能量发生衰减并转换成热能或其他形式的能量，从而减少电磁波的干扰。因此，吸波材料必须满足两个要求：一是要减少电磁波发生表面反射。二是实现最大程度上的衰减，而这两者都和材料的电磁性能有关。一般而言，当吸波体阻抗与空气阻抗相等（阻抗匹配）时，电磁波在材料表面反射比例最小，进入内部的比例最大，而阻抗是否匹配与吸波体和空气之间的相对介电常数和相对磁导率有关，因此一般需要通过复合、改性或改变结构来调整吸波体的介电常数与磁导率。电磁衰减则通常依靠有较高的电导率或介电常数的电损耗类吸波剂（如SiC、Ti3SiC2等碳化物）以及有较高的磁导率和低介电常数的磁损耗类吸波剂（如金属和铁氧体等）来实现。

吸波材料的机理示意图

2、陶瓷基吸波材料的优势和种类

吸波材料根据成型工艺和承载能力可分为涂覆型和结构型两种。传统涂覆型吸波材料是直接在目标表面涂覆具有吸波能力的涂层，包括金属微粉、铁氧体粉、导电高分子等，由于存在热稳定性差、 机械性能差、增重大、易与基体分离等问题，其使用条件受到了较大限制。结构型吸波材料通常将吸波剂与基体结合，减小质量的同时使性能更加可靠。

复合吸波材料

陶瓷基吸波材料就是以陶瓷材料为基体，添加吸波剂制成的一类吸波材料，虽然大部分陶瓷材料属于低介电常数、低介电损耗类物质，也没有磁性，电磁波衰减能力较为有限，但由于具有良好的热稳定性、化学稳定性、高机械强度和透波性，常用作复合物基体或阻抗匹配层，使陶瓷基吸波材料除了可在高温高压等极端环境下保持可靠的吸波能力，还可能实现较强的承载能力。目前，可用于制备吸波材料基体的陶瓷种类大致有碳化物、氮化物以及氧化物三种。

1.碳化物陶瓷基吸波材料

碳化硅纤维

碳化物陶瓷是一类耐高温且超硬的材料，熔点通常可达 3000 ℃，适用于航空航天、军事等较为严苛的使用环境。其中SiC更是具备热膨胀系数小、低密度的特点，这使其可以在温差较大的工作情况下保持稳定的结构，并减轻整体结构的负担。同时，利用铁、钴、镍等掺杂改性后的SiC具备较高的电导率和介电常数，能够实现电磁衰减，且掺杂的元素种类和氧化程度均对SiC的力学性能和吸波性能也有较大影响，因此可以通过热处理、改性、结构设计等手段有效调控其介电常数和介电损耗能力。

聚合物转化法制备SiC陶瓷基吸波材料

通常，SiC陶瓷基吸波材料采用聚合物转化法合成，即将含 Si 的有机聚合物先驱体（如聚碳硅烷、聚甲基硅烷等）溶液或熔融体浸渍到碳纤维预制体中，干燥固化后在惰性气体保护下高温裂解，得到SiC基体，并通过多次浸渍裂解处理，获得致密度较高的复合材料。在这项工艺中，自由碳连接成网络可以增强材料的韧性，使其不易断裂，因此采用含碳量越高的碳纤维能使基体具备越高的抗弯强度，但其过高的碳含量和较大的晶粒同时也会增大电磁波反射率，而使材料不能实现有效吸波。正是这种力学性能和吸波性能的不平衡限制了 SiC 基吸波陶瓷材料的实际应用，不过目前有研究者发现，采用SiO2、金属等作为填充剂添加到浸渍液中可以便捷有效地对复合陶瓷的力学性能和吸波性能进行调节，这使得聚合物转化法制备碳化物陶瓷基吸波材料有一定的可行性。此外，通过聚合物先驱体分子结构设计及裂解工艺优化也可进一步调控材料结构实现较好的阻抗匹配。

2.氮化物陶瓷基吸波材料

氮化物陶瓷具有较高的分解温度、良好的化学稳定性以及机械性能等，在航空、电子、机械、半导体等领域均有广泛应用。其中Si₃N₄ 和AlN陶瓷在制备吸波材料较具前景。

氮化硅隔热吸波材料（来源：第十二届“挑战杯”省赛作品）

Si₃N₄陶瓷有较好的断裂韧性且耐高温不易传热，能抵抗能热冲击，在吸波领域，氮化硅通常是与碳化硅复合，制备能同时提升材料吸波性能和力学性能的隔热吸波材料。具体是说，是通过化学气相沉积将热解碳(PyC)和 SiC 沉积在碳纤维(Cf)表面，与以 Si3N4 为主体的陶瓷粉末混合后用凝胶注模法成型并进行后续烧结，在此过程中，碳纤维含量的增加，材料的断裂韧性也会大幅增强，同时采用泡沫凝胶注模工艺可以构建分层多孔结构，减少材料表面的反射，确保材料的阻抗匹配和吸收性能得到优化和平衡。

导热吸波材料

AlN 陶瓷除了具备氮化物普遍的机械性能和化学稳定性等优点外，还具备良好的导热性，因此AlN 基复合陶瓷除吸波功能外，可以兼顾高功率电子设备的散热问题，在高温热管理应用上有广阔前景。但AlN本身的介电常数较小，电导率也较小，其电磁损耗的表现并不明显，所以也常与SiC复合，采用过放电等离子烧结等方法制成AlN-SiC吸波复合材料，基体AlN提供优良的导热性能，SiC则提供电磁衰减性能。

尽管氮化物陶瓷具备良好的韧性和导热性等，在吸波领域有着广泛的应用前景，但氮化物陶瓷的烧结温度较高，在吸波剂的选择和复合物的制备上有一定挑战。

3.氧化物陶瓷基吸波材料

近年来，以氧化铝、氧化锌、氧化镁、氧化硅等氧化物陶瓷为基体的复合材料的吸波性能被大量报道。其中氧化物陶瓷因其低密度、高硬度、耐腐蚀、价格低廉被研究最多，常除了被用作抛光剂、耐火材料、陶瓷基板等，又因其良好的透波性能在雷达隐身技术中也有较多应用。

不同结构的氧化铝基体

在吸波领域中，氧化铝基吸波材料本身的介电性能限制了其损耗能力，因此可以采用多孔、网状、纤维等结构的Al2O3 陶瓷基体与Ti3SiC2、FeSiAl 等介电损耗较高的材料复合，不仅能满足吸波材料轻质的要求，其本身具有的孔径不仅具有调节电磁参数的功能，更能在电磁波入射时使电磁波产生多重反射和散射，增加电磁波在吸波材料中传播路径，从而达到增强吸波性能的功能。另外，多孔、网状等结构Al2O3陶瓷与其他材料进行复合时能够产生更多的界面，从而增强界面损耗，达到提高吸波性能的作用。不过美中不足的是，氧化铝基吸波材料表现出的脆性较大、韧性较差，不宜后续加工。

小结

吸波材料在总体上是向着高吸收、宽频带、厚度薄、质量轻、耐高温等方向发展。陶瓷基吸波材料相较于传统涂覆型吸波材料，能够减小质量的同时使性能更加可靠。碳化物吸波剂在陶瓷基吸波复合材料中使用较多，除了损耗能力强、高温稳定的优势外，碳基纤维对陶瓷基体脆性的改善也是非常重要的应用优势。氮化物陶瓷基吸波材料韧性较好，其中氮化铝更是具备良好的导热性，在热管理应用上游广阔前景，但吸波性能相对较弱；氧化物陶瓷基具备透波性好和价格低廉等优势，但脆性依然是制约其应用的关键所在。未来，对于吸波复合陶瓷表现出力学性能和吸波性能不平衡的问题，仍然需要大量研究来积累经验。

参考文献：

1、谭俊杰，赵国梁，徐晨．陶瓷基吸波复合材料研究进展[J/OL]．陶瓷学报

2、范冰冰,邱洪辰,李梦茹等.高熵陶瓷吸波材料研究进展[J/OL].硅酸盐学报；

3、袁浩泽. 氮化硅基耐热型复合材料的制备及吸波性能研究[D].安徽理工大学；

4、于娇娇. 多孔氧化铝基吸波材料的制备及电磁性能研究[D].长安大学.

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