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铁氧体吸波材料研究进展

摘 要：吸波材料是飞行器规避探测的重要手段之一。本文对目前研究较为成熟的铁氧体吸波材料进行介绍，按照晶型结构对其进行分类并分别介绍其晶体结构和研究进展，概述了铁氧体材料吸波性能改进的研究概况，并总结了在选择适宜材料时应重点关注的性质。
关键词：铁氧体吸波材料;晶体结构;吸波性能
Abstract：Absorbing material is one of the important means for aircraft to avoid detection.In this paper，the ferrite absorbing materials are introduced，and their crystal structure and research progress are introduced separately.The research situation of improving the absorbing properties of ferrite materials is summarized，and the properties that should be paid attention to when selecting suitable materials are summarized.
Key words：Ferrite absorbing materials;Crystal structure;Absorbing property
1 绪论
吸波材料应用于被探测目标上可将照射其上的电磁波转化为其他能量，大幅度减弱其反射，使雷达无法辨识，一直是各国军事电子对抗领域的研究重点之一。[1]荷兰研究人员在20世纪30年代开发出由二氧化钛和炭黑组成的第一种吸波材料，经过近90年的发展，吸波材料现已在多型飞行器上得到应用，如美国的B-2、F-35战斗机，国内的歼-20隐身战斗机等，代表着吸波材料发展在实际应用方面的新高度。相对于吸波材料在战斗机上的应用，吸波材料在导弹上的应用研究相对滞后，目前相关报道只有美国AGM-129隐身巡航导弹，可能与导弹体积小、飞行速度快，且可采取低空飞行等方式规避雷达探查有关，但随着导弹具备自主目标识别等功能，其巡航高度必然有显著提高，且电子对抗技术发展日新月异，使得隐身导弹的研制势在必行。
铁氧体吸波材料既具有磁性，又具有介电性，同时又具有较好的阻抗匹配性能，是应用最为广泛的吸波材料，且研究通过在铁氧体中加入辅助材料的方法得到性能改善的铁氧体复合材料也是目前的研究热点。[2，3]因此本文首先介绍了三种晶体结构不同的铁氧体吸波材料的晶体结构和研究进展，然后介绍了铁氧体材料吸波性能的改善方法及所得成果，以期对导弹后续研究中隐身材料的选择提供依据。
2 铁氧体吸波材料
按照晶体结构，铁氧体可分为尖晶石结构型、石榴石结构型和磁铅石型六角晶系铁氧体三类。[3]本文按照晶体结构分别对铁氧体吸波材料进行介绍。
2.1 尖晶石型铁氧体
此种铁氧体化学组成为MeFe2O4，Me为金属离子如Co2+、Mg2+等，铁离子多为正三价，为图1所示的Fd3M空间结构，是面心立方密堆积结构，[4]Fe3+处于氧离子之间的空隙中。氧离子的空间位置有两种，一种为四面体结构，内部空隙较小（图中左下侧）;另一种为八面体结构，相对较大（图中右下侧）。一般而言，二价金属离子半径较大，易于占据八面体结构的空隙中，形成反式尖晶石，离子产生的相反方向的磁距数目存在差异，使得材料表现出磁性，具备吸波能力。[5]
尖晶石型铁氧体是铁氧体吸波材料中应用最多的一类，具有高磁晶各向异性、高饱和磁化强度等特性，其中CoFe2O4介电常数和磁导率适中，具备较好的吸波能力。Chen[6]等人采用自组装法，以部分镍取代的CoFe2O4中的钴，得到铁氧体粉末样品，对于频率11.52GHz的电磁波最小反射损耗达到-362dB。Ni[7]等人制备出纳米级Fe3O4晶体材料，2.5mm厚且Fe3O4晶体含量为30%的样品对于频率为8.16GHz的电磁波最大反射损耗达到-21.2dB。
2.2 石榴石型铁氧体
该型铁氧体为立方晶系，分子式可表示为R3Fe5O12，R为三价稀土离子，可为铁氧体带来高密度各向异性电磁场和低介电损耗特性，晶体结构如图2所示。
石榴石型铁氧体中磁距相互抵消较为严重，吸波能力偏弱，吸波方面报道较少。[8]Sharma[9]等人制备出此种结构的含钇铁氧体纳米薄膜材料，厚度3mm的样品对20GHz的电磁波最小反射损耗达到-28dB。
2.3 磁铅石型铁氧体
该型铁氧体为六角晶系，具有对称性，从而产生了较强的磁晶各向异性和高共振频率，化学组成为MeFe12O19，Me以Ba2+最為常见，形成如图3所示M型晶体结构。M型铁氧体由图中的S、R或两者旋转180°的S*、R*构成结构单元。其中S结构为立方密堆积，R结构为六角密堆积。除了Ba2+离子形成的M型外，还存在W、Z等结构[4，5]。
Singh[10]等人制备了M型的Ba0.5Sr0.5Co2Al2Fe8O19铁氧体，表现出良好吸波性能，1.4mm厚样品对于11.72GHz的电磁波最小反射损耗达为-40.4dB。Qin[11]等人采用溶胶凝胶法制备了W型Ba（MnZn）0.4Co1.2Fe16O27铁氧体，2.8mm厚样品对于7.3GHz的电磁波最小反射损耗达为-40.7dB，反射损耗超出10dB的频宽达到66GHz。Zhou[12]等人制备了Z型Ba3（MnZn）xCo2（1-x）Fe24O41铁氧体，当x为0.4，2.2mm厚样品对于3.8GHz的电磁波最小反射损耗为-38.5dB。
3 铁氧体材料性能改进研究进展
铁氧体材料既有磁性，又有介电性，表现出良好的吸波性能，但单一铁氧体也存在吸收频带有限，密度大、高温下性能降低的问题，[12-14]为此研究人员开展了多方面的研究以改善上述问题，主要集中于以下几个方面。
3.1 稀土掺杂
多数稀土元素的4f轨道未充满，且被外层电子屏蔽，带来了特殊的电磁性能，可以与铁氧体中常见的Fe、Co等发生磁相互作用，增加了材料的磁损耗，而且稀土元素离子半径较大，取代其他离子后引起晶格畸变，改变铁氧体的介电性能，产生额外的介电损耗。上述改变增加了铁氧体的吸波强度，同时稀土离子电子数目较多，原子能级更多样，掺杂会减小材料能级之间的能量差，扩展了铁氧体的吸收频带。[12，13]
Liu[15]等人通过溶胶凝胶发制备出含镧离子的Sr0.9La0.1Fe12O19铁氧体，对于频率为15.25GHz的电磁波最小反射损耗为-22.8dB，对于频率在14.3-16.1GHz的电磁波反射损耗均超过10dB。Wang[16]等人制备了釔离子掺杂且复合了石墨烯的铁氧体复合纳米颗粒材料，对于频率为14.88GHz的电磁波最小反射损耗为-36.1dB，可对14-16GHz的电磁波产生有效吸收。
3.2 金属颗粒/铁氧体复合材料
金属对电磁波同时具有较强的吸收和反射能力，较小的金属颗粒可作为吸波材料使用。电磁波照射到颗粒后，部分穿透颗粒传播，部分被散射，形成新的球面波，还有部分电磁波被金属颗粒中产生的电磁效应吸收。金属颗粒与铁氧体组成的复合材料中，穿透、散射的电磁波会继续在铁氧体中传播，进一步被吸收，从而提高吸波性能，加大吸收频宽，同时可以避免金属颗粒易腐蚀的问题。[17]
Zhou[18]等人将Ag和铁氧体复合，制备出纳米级颗粒。Ag的添加改善了铁氧体的吸波性能。Chen[19]等人以Fe纳米纤维为还原剂，制备了AgFe/Fe3O4纳米复合材料。产物表现出更好的吸波性能，对于7.68GHz电磁波最小反射损耗为-43.5dB，反射损耗超出10dB的频宽达到4.85GHz。
3.3 石墨烯/铁氧体复合材料
石墨烯的特殊分子结构使其产生具备特殊电传导现象，易于能量跃迁，还会引入弛豫现象，均有利于材料的吸波性能，同时该材料也具备介电损耗性能。石墨烯的问题在于阻抗匹配特性差，吸波能力较弱，可通过与铁氧体复合进行改善。[20]
Song[21]等人合成了石墨烯/Fe3O4纳米级复合材料，对频率为9GHz的电磁波最小反射损耗为-26dB，反射损耗大于10dB的带宽达到9GHz。Wang[22]等人制备的石墨烯/Fe3O4纳米复合材料厚度为5mm时最小反射损耗为-40.36dB。
3.4 介孔铁氧体制备
除了采用掺杂其他材料的方法外，微观形貌特征也会对影响到材料的吸波性能。多孔铁氧体尤其是介孔铁氧体是近几年来发展出的一种新型的吸波材料，表现出了良好的吸波特性。介孔是指直径2nm<d< p>
Wu[23]等人在Ni2O3纳米颗粒包覆高有序介孔炭的方法制备出介孔复合吸波材料，在10.9GHz处最小反射损耗-39dB，表现出了介孔材料的优异性能。在介孔铁氧体吸波材料方面，Zhan[24]等研究者制备了平均孔径为12.5nm的NiCo2O4介孔铁氧体，厚度1.50mm时对14.86GHz的电磁波最小反射损耗-35.76dB。
4 结语
国内吸波材料尚存在吸收频带窄，密度大，吸波能力弱等问题，应用受到限制。[25]为了满足导弹对吸波材料要求，在研究和选用吸波材料时需要中和衡量以下性质：
（1）高电磁波吸收。只有高电磁波吸收的吸波材料才可以有效减少反射，避免被敌方雷达发现，具有实用价值。目前认为吸波材料具备有效吸收多是以电磁损耗-10dB为准，现在认为在此情况下，该材料可吸收90%的电磁波，具有了实用价值。
（2）宽频带响应。电磁波，特别是军用雷达所用电磁波频带非常宽，而吸波材料只能在一定频段内起作用。因此实用的吸波材料其可吸收带宽应当大一些。研究发现宽频带响应和高电磁吸收是矛盾的，因此在研究中应注重在有效吸收的前提下，尽量增加频带响应范围。在导弹选用材料中要充分考虑作战对手的频带范围，选用吸收频带相近的材料。
（3）低密度，薄厚度。吸波材料多是以涂层的形式涂覆于物体表面，密度和厚度影响到涂层的质量，过重的涂层会增加导弹质量，只能通过减少燃料、减少组件的方式补偿，产生不利影响。
（4）吸波材料还要求好的机械加工性能以及恶劣环境适应性和低成本等特点，以满足导弹使用的正常需求。
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