轻质电性吸波材料设计与研究进展

Design and Research Progress of Lightweight Electrically Conductive Microwave Absorbing Materials

摘要: 近年来，随着无线通信技术的迅猛发展，电磁干扰与辐射问题日益严重，不仅影响设备正常运行，还可能危害人体健康和环境。因此，研发高性能轻质复合吸波材料成为解决电磁污染的关键。本文综述了电损耗型轻质复合吸波材料的最新研究进展，重点探讨了电导损耗型(如碳纳米管、石墨烯、导电聚合物)和介电损耗型(如陶瓷材料、过渡金属化合物)吸波材料的损耗机制及其优化策略。通过材料复合与结构设计(如多孔、核壳结构)，改善阻抗匹配并增强界面极化，从而提升电磁波吸收性能。本文为高效轻质吸波材料研究和设计提供了理论依据和技术参考，对推动电磁吸波及相关领域的发展具有重要意义。

Abstract: In recent years, the rapid advancement of wireless communication technologies has exacerbated issues of electromagnetic interference and radiation, which not only disrupt equipment operation but also pose potential risks to human health and the environment. Consequently, the development of high-performance lightweight composite microwave absorption materials has become crucial for addressing electromagnetic pollution. This review summarizes the research progress in lightweight composite microwave-absorbing materials dominated by electrical loss mechanisms, with a focus on elucidating the loss mechanisms and optimization strategies for conductive loss-dominant materials (e.g., carbon nanotubes, graphene, and conductive polymers) and dielectric loss-dominant materials (e.g., ceramic materials and transition metal oxides). Through material composite and structural design (e.g., porous, core-shell structure), impedance matching can be improved and interfacial polarization can be enhanced, thereby significantly boosting electromagnetic wave absorption performance. This review provides theoretical foundations and technical references for the research and design of efficient lightweight microwave absorbers, offering valuable insights to advance the fields of electromagnetic wave absorption and related technologies.

1. 引言

近年来，无线通信技术的快速发展催生了大量数字化新型基础设施，但伴随产生的电磁干扰与辐射问题日益凸显[1]。设备间电磁波相互干扰易引发通信故障甚至系统失控，高强度电磁辐射不仅会损伤人体视觉、免疫及神经系统，还会通过干扰生物节律导致认知功能衰退。军事领域中，先进雷达探测技术严重削弱武器装备的电磁隐身性能[2]。因此，研发高性能电磁吸波材料已成为保障设备运行和人体健康，提高武器装备战场生存能力的重要途径。

Figure 1. Mechanisms of electromagnetic wave absorption

图1. 电磁吸波机理图[4]

当电磁波入射到材料表面时，电磁波与材料表面的相互作用可以分为三个过程：在材料表面发生反射、进入材料内部而被吸收、穿过材料而发生透射(图1所示)。对于吸收材料，这就要求其能够最大限度地吸收电磁波而减少对电磁波的反射和透射[3]。

因此，吸波材料必须满足以下两个条件：

第一，电磁波能够尽可能多地进入材料内部，这就要求材料具有良好的阻抗匹配，当阻抗匹配系数Z约等于1时，意味着电磁波能够最大程度地进入材料并与发生电磁损耗。

阻抗匹配的表达式如下[5]：

$Z=\frac{Z_{\text{in}}}{Z_0}$ (1)

$Z_{in}=Z_0\sqrt{\frac{{\mu }_r}{{\epsilon }_r}}\tan h\left[j\frac{2\pi }{c}\sqrt{{\mu }_r{\epsilon }_r}fd\right]$ (2)

然而，自然界中的材料几乎难以实现完美的阻抗匹配(即Z = 1)，高效的吸波材料往往在优良的阻抗匹配与强的吸收能力之间寻找平衡的优化电磁参数。

因此，第二，进入材料内部的电磁波可以有效地从电磁能转化为热能或其他形式的能量，这就要求材料具有较强的电磁衰减能力。

反射损耗的表达式如下[6]：

$RL\left(dB\right)=20\lg \left|\frac{Z_{in}-Z_0}{Z_{in}+Z_0}\right|$ (3)

根据电磁波的损耗机制，可分为电损耗型和磁损耗型。电损耗的主要途径又可分为电导损耗和极化损耗[6]：(1) 电导损耗的机理是材料内部的载流子作定向运动而产生感应电流，将微波能量转化为热能；(2) 极化损耗是指材料中的电子、离子、极性分子、空间电荷在交变电磁场的作用下反复极化而导致电磁波能量耗散；(3) 磁损耗的主要包括自然共振、交换共振和涡流损耗等。

本文将重点介绍了近些年典型的电导损耗和极化损耗为主的轻质吸波材料研究进展。通过具有互补损耗机制的材料进行复合，以改善原主元材料阻抗失配现象，同时材料构筑出特殊的空间立体结构和丰富的界面，以降低材料密度和提高材料的综合电磁波衰减能力。

2. 电导损耗型轻质吸波材料

本电导损耗型吸波材料是一种基于电阻效应以吸收电磁波的材料。电导损耗是此类材料电磁波衰减的主要损耗方式，主要包括各种碳材料(例如石墨烯[7]、碳纳米管、碳纳米纤维、多孔碳等)和导电聚合物(例如聚苯胺、聚吡咯、聚乙炔等)。这类材料由于导电率大，因而均有着较高的介电损耗正切值。损耗机理可以解释为：在外加电磁场的作用下，材料内部产生电子极化或界面极化，导致电磁能转化为热能或其他形式的能量而耗散，从而有效衰减电磁波。电导率越高，电损耗能力越强。但需要注意，电导率过高会导致材料表面产生趋肤效应，造成材料表面与空气阻抗匹配度差，反而不利于电磁波的有效吸收。因此，为了使材料获得优异的电磁波吸收性能，其电导率需要保持在一个合适的范围内。通常采用的方法是将其与具有低导电性材料复合，以改善阻抗匹配性能，或者构建多孔、核壳等结构，以产生丰富的界面极化弛豫，从而改善其电磁波吸收性能。

碳基吸波材料具有稳定的骨架结构、低密度和优异的介电性能。其中碳纳米管(CNTs)因具有大的比表面积和纵横比，可以提供更多的电子转移通道和异质界面而受到广泛关注[8]。然而界面阻抗失配是单一CNTs有限损耗机制的主要原因。为改善吸波性能，将其与磁性或介电材料复合是简单可行且有效的方法。Zhang等人[9]通过退火工艺制备了CNTs/Co复合材料。磁性纳米颗粒的掺入使复合材料获得磁损耗能力，此外CNTs包裹Co纳米颗粒可以增强电磁波的多次反射和散射，从而增强电磁波的衰减。最终获得的材料在厚度为1.6 mm、频率为4.67 GHz时呈现出最优的电磁波吸收性能，最小RL可达到−52.7 dB (图2(b))。Zhao等人[10]通过可扩展的湿化学工艺和退火方法制备了CNTs和NiCo杂化颗粒的复合材料(图2(a))。观察微观形貌可以发现，通过控制退火温度，成功地调节了CNTs表面NiCo杂化颗粒的大小和组成，结果表明随着退火温度的升高，NiCo氧化物颗粒逐渐变大(图2(e)~(g))。最终CNT@NiCo600样品在填充率为10%时表现出优异的电磁波吸收性能，当厚度仅为1.5 mm时，其最小RL值可达−50.1 dB。

除了CNTs外，石墨烯气凝胶由于具有相互连接的二维纳米片，并呈现出三维组装的分层孔隙结构，能够对电磁波进行多次反射、散射，为了提高损耗能力，可以将其与过渡金属硫化物结合。Li等人[11]采用两步水热法制备了具有三维层状多孔结构的rGO/MoS₂气凝胶(图2(c)和图2(d))。MoS₂纳米片的引入补偿了rGO由于导电性过高而导致的阻抗失配，并促进了电磁波的多次反射和散射。此外，非均相界面的构建增强了复合材料的界面极化率。最终使rGO/MoS₂样品在2.1 mm处获得6.56 GHz的有效吸收带宽，该工作为轻型和宽带电磁吸收提供了潜在的候选材料。

Figure 2. (a) Process flow diagram of CNT-NiCo oxide composites. (b) Two-dimensional reflection loss diagram of CNTs/Co composites. (c) SEM image of the rGO/MoS₂-2 sample. (d) Process flow diagram of rGO/MoS₂ composites. (e)~(g) SEM image of the CNT@NiCo-X sample

图2. (a) CNT-NiCo氧化物复合材料的制备流程图。(b) CNTs/Co复合材料二维反射损耗图。(c) rGO/MoS₂-2样品的SEM图像。(d) rGO/MoS₂复合材料制备示意图。(e)~(g) CNT@NiCo-X样品的SEM图像

除了不同形态的碳材料外，导电聚合物由于其密度小、质量轻、耐高温和可调谐的电磁特性在电磁波吸收领域得到广泛应用。聚苯胺(PANI)作为一种电导型吸波材料，其介电常数大，磁导率较小，使得吸波材料具有较差的阻抗匹配。研究发现通过在PANI中掺杂磁性材料，可以改善材料的阻抗匹配。例如，Wang等人[12]采用改进Stober工艺和原位聚合法制备了具有核壳结构的FeCo@SiO₂@PANI纳米复合材料。该复合材料在匹配厚度为1.8 mm时，最小RL值为−31 dB，在匹配厚度仅为1.9 mm时，有效吸收带宽可达7.25 GHz。此外还可以通过掺杂调节其电导率，所引入的掺杂体可以作为介电材料参与衰减和平衡阻抗匹配过程。例如，Zhang等人[13]通过水热法和超分子自组装法制备了吸收强度和带宽可调的高效电磁波吸收体(图3(a))，该复合材料将聚金属氧酸盐、PANI和NiCo₂O₄有序连接，其中PANI作为电导损失相支撑在NiCo₂O₄上，其他组分作为介电或磁损失相支撑，使该材料在厚度仅为1.6 mm时，最小RL值为−52.4 dB，在厚度为1.9 mm时，有效吸收带宽达到6.5 GHz (图3(f))。

同样，聚吡咯(PPy)由于制备方法简单，电导率高，密度低，化学稳定性好等优点被广泛应用于吸波材料。例如，Qumar等人[14]采用水热和原位聚合技术合成了花状CoS/Fe₃O₄@PPy (CFP)异质结构。Fe₃O₄微球分散在Co纳米片和PPy涂层之间，具有高度粗糙的表面(图3(c)和图3(d))。通过调节PPy的用量，可以有效调节复合材料的吸波性能。当PPy的加入量为200 µL，厚度为3.1 mm时，其最小RL值为−58.4 dB，有效吸收带宽为5.55 GHz (图3(b)和图3(e))，电磁波吸收机理如图3(g)所示。

Figure 3. (a) Preparation method of ISNiCo₂O₄@BCDPANI/α-[SiW₁₁Mn(H₂O)O₃₉]⁶⁻ nanocomposites. (b) Minimum RL values and EABs for different samples. (c)~(d) SEM plots of CFP at different folds. (e) Minimum RL and EAB for CFP-200 samples at different thicknesses. (f) Three-dimensional absorption properties of ISNiCo₂O₄@BCDPANI/α-[SiW₁₁Mn(H₂O)O₃₉]⁶⁻ nanocomposites. (g) Schematic diagram of the electromagnetic absorption mechanism of CFP composites

图3. (a) ISNiCo₂O₄@BCDPANI/α-[SiW₁₁Mn(H₂O)O₃₉]⁶⁻纳米复合材料制备方法。(b) 不同样品的最小RL值和EAB。(c)~(d) CFP在不同倍数下的SEM图。(e) CFP-200样品在不同厚度下的最小RL和EAB。(f) ISNiCo₂O₄@BCDPANI/α-[SiW₁₁Mn(H₂O)O₃₉]⁶⁻纳米复合材料三维吸波性能图。(g) CFP复合材料的电磁吸收机理示意图

3. 介电极化损耗型轻质吸波材料

介电损耗型吸波材料的电导率比电导损耗型吸波材料低，在电磁场的作用下，材料内部很难形成有效的电流通路。然而这类材料通常有较强的介电极化、弛豫损耗能力，可以用来弥补电导率不足以获得优异的吸波能力。损耗机理可以解释为：在外加电磁场作用下，材料内部的电子会发生位移，产生极化弛豫现象，通过丰富的偶极极化或界面极化来衰减电磁波。然而，这类材料难以获得较宽的有效吸收带宽且材料厚度较厚。为了改善电磁波吸收能力，通常选择与具有高电导率的材料结合。介电损耗型吸波材料主要包括陶瓷材料、过渡金属的各种碳化物、氧化物和氮化物和硫化物等。

Figure 4. (a) Process flow diagram of SAs-H-H. (b)、(e) Three-dimensional and two-dimensional absorption performance maps of SiO₂/SiCnw. (c)~(d) SEM images of SiO₂/SiCnw at different magnifications. (f) Comparison of SiC aerogel properties with previously reported SiC aerogels. (g) Schematic diagram of SiO₂/SiCnw growth mechanism. (h) Schematic diagram of the SiO₂/SiCnw synthesis device

图4. (a) SAs-H-H的制备流程示意图。(b)、(e) SiO₂/SiCnw的三维和二维吸波性能图。(c)~(d) SiO₂/SiCnw在不同放大倍数下的SEM图。(f) 与之前报道的SiC气凝胶性能比较图。(g) SiO₂/SiCnw生长机理示意图。(h) SiO₂/SiCnw合成装置原理图

陶瓷吸波材料主要包括碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)等。SiC是一种宽间隙介质材料，具有优异的介电性能和突出的机械性能(如高强度、耐腐蚀、抗氧化、高温稳定性和可调电导率) [15] [16]。而相对于颗粒，SiC气凝胶和SiC纳米线(SiCnw)在EMW吸收领域得到了更为广泛的应用。例如，Yan等人[17]通过简单的连续烧结–蚀刻退火工艺制备了具有空心SiC微管骨架和SiC-SiO₂非均相结构的高孔隙率、低密度的SiC气凝胶(SAs-H-H) (图4(a))。该气凝胶在匹配厚度为3.3 mm时具有6.7 GHz的有效吸收带宽，远优于之前报道的SiC气凝胶(图4(f))。其吸波性能的改善归因于SiO₂与SiC材料的有效配合，改善了阻抗匹配。Xie等人[18]采用化学气相沉积技术制备了SiO₂/SiCnw复合材料，原理如图4(h)所示。该复合材料由SiO₂包覆在SiCnw表面，具有很高的纵横比并形成高度复杂的纳米级空隙(图4(c)和图4(d))。且证明了较高的反应温度有利于SiO₂/SiCnw的生长，生长机理如图4(g)所示。在1600℃下制备的SiO₂/SiCnw复合材料具有最佳的EMW吸收性能。在厚度为3.3 mm时，最小RL值为−50.40 dB。在厚度为1.5 mm时，有效吸收带宽为4.52 GHz (图4(b)和图4(e))。

过渡金属包括铁、钴、镍、铬、锰、铜、锌、钼等。过渡金属氧化物制备方法简单且成本较低，可以采用各种方法应用于吸波材料。二氧化锰(MnO₂)作为一种过渡金属氧化物，具有独特的晶体结构和可调节的形态，在电磁波吸收领域得到了广泛的研究。由于导电性较差，因而将其与碳材料复合被认为是一种有效的办法。例如，Shi等人[19]以一种特殊的中空凹陷碳纳米颗粒(SC)为衬底(图5(c)和图5(d))，将MnO₂纳米片与二维rGO结合，制备了轻质三元SC@MnO₂/rGO (SCMR)复合材料(图5(a))。通过加入MnO₂和rGO并调整两者的比例后，最终的SCMR3获得最佳的电磁波吸收性能(图5(e))。在厚度为1.47 mm、频率为13.12 GHz时，SCMR3的最小RL值可达−60.95 dB，当厚度为1.23 mm时，有效吸收带宽为4.08 GHz。获得优异性能的原因可归因于SC的下陷结构以及高导电性rGO和MnO₂纳米片的协同效应。此外，石墨烯类过渡金属二硫族化物(TMDs)由于具有高比表面积、活性位点丰富、多相微观结构等特点，在电磁波吸收中得到了广泛的应用，其中以MoS₂为代表。例如，Jiang等人[20]采用微波水热法对MoS₂的相结构和组成进行了控制。通过在材料内部以1T/2H的形式创建不同的相位界面，实现了传导损耗和极化损耗之间的平衡。结果表明，增加1T相含量可以有效调节MoS₂的阻抗匹配，增强其电磁波衰减能力。具体来说，在1T相含量为51.5%时，表现出最佳的电磁波吸收性能。在厚度为2.8 mm时，其最小RL为−64.9 dB，有效吸收带宽为4.6 GHz (图5(b))。

Figure 5. (a) Process flow diagram of SCMR. (b) Frequency-dependent RL and |Z_in/Z₀| ratio of the sample. (c)~(d) SEM images of SC and SCMR3 samples. (e) RL_min and EAB for different samples

图5. (a) SCMR的制备过程示意图。(b) 样品RL和|Z_in/Z₀|值随频率变化图。(c)~(d) SC和SCMR3样品的SEM图。(e) 不同样品的RL_min和EAB

4. 结论

本文系统综述了电导损耗型与介电极化型吸波材料的最新研究进展，着重探讨了通过多尺度结构设计与组分调控提升材料电磁波吸收性能的有效策略。研究表明，通过组分掺杂与调控、多元材料复合以及多级结构构筑(包括核壳结构、多孔结构及异质界面设计)，可显著改善材料的阻抗匹配特性。同时，构建多元组分体系以协同多重损耗机制(包括电导损耗、界面极化、偶极极化和磁共振损耗等)，是实现宽频带强衰减特性的关键路径。通过系统分析发现(如表1)，具有三维网络骨架的轻量化复合材料(如石墨烯气凝胶、碳基泡沫及多孔陶瓷)不仅展现出优异的电磁波衰减能力，同时满足薄层化、宽频带及低密度的工程应用需求。通过整合材料组分优化–结构设计–性能调控的构效关系，为新型吸波材料研发提供了理论支撑与技术路线参考，对推动第五代隐身技术发展具有重要指导意义。

Table 1. Comparison of absorption performance of lightweight electrical absorbing materials

表1. 轻质电性吸波材料吸收性能比较

材料体系		RLmin (dB)	厚度(mm)	EAB (GHz)	厚度(mm)	潜在优势
电导 损耗型	CNTs/Co	−52.70	1.60	4.67	1.60	Co改善电导率过高引起的阻抗失配现象
	CNT@NiCo	−50.10	1.50	/	/	通过控制退火温度可改变NiCo颗粒大小而精确调控吸波性能
	rGO/MoS2	/	/	6.56	2.10	分层多孔结构增强界面极化、界面 散射与反射
	FeCo@SiO2@PANI	−31.00	1.80	7.25	1.90	核壳结构增强界面极化，掺杂磁性 组分可控调节吸波性能
	CoS/Fe3O4@PPy	−58.40	3.10	5.55	3.10	花状异质结构增强界面反射与散射
介电 损耗型	SiO2/SiCnw	−50.40	3.30	4.52	1.50	高度复杂纳米级孔隙，双组分复合 改善吸波性能
	SiC-SiO2	/	/	6.70	3.30	非均相结构拓宽SiC的吸波带宽， 制备工艺简单
	SC@MnO2/rGO	−60.95	1.47	4.08	1.23	中空凹陷碳纳米颗粒，多组分协同 调节吸波性能
	1T/2H MoS2	−64.90	2.80	4.60	2.80	调节1T/2H两相组分实现电导损耗 和极化损耗之间的平衡

基金项目

南京理工大学大学生创新创业训练计划立项资助，项目编号为202410288099Z；山东省自然科学基金，项目编号为ZR2024QE129。