从1864年英国科学家J.C.Maxwell预测电磁波的存在，到如今电磁波在当今社会的广泛应用。短短一百多年，电磁波经历了一个从未知到认同的过程，从日常生活所能接触到的一些家用电器如微波炉、电脑、手机等，到隐身飞机、雷达等国防军事装备，无处不涉及到电磁波的应用。然而事物总有两面性，电磁波的广泛应用虽然极大的便利了我们生产生活，但其也带来了许多问题，信息泄露、电磁辐射等问题不断困扰着我们，制约着电磁波的进一步发展。

吸波涂层材料作为一种应用最广泛的吸波材料，追求“薄、轻、宽、强”一直是国内外学者研究的重点。羰基铁作为一种传统的吸收剂，具有磁导率高、磁损耗大的优点，但用其作为单一吸收剂制备出来的吸波涂层很难达到“薄、轻、宽、强”的要求，如何提高羰基铁吸波涂层的吸波性能成为了研究的重点^[1-5]。

本文以聚氨酯为基体材料，羰基铁作为主要吸收剂，炭黑和SiO₂作为复合吸收剂，制备出一系列吸波涂层，通过改变复合吸收剂的加入量，提升涂层的吸波性能，并研究不同的复合吸收剂加入对涂层吸波性能影响的机理，为以后制备出具有更好吸波性能的吸波涂层提供思路。

1 实验 1.1 实验材料及吸波涂层的制备

羰基铁粉(CIP)由陕西兴化化学股份有限公司生产；炭黑(CB)由辽宁抚顺东信化工有限公司生产，为了减小炭黑的尺寸和活化炭黑表面，在使用之前先将炭黑球磨5 h；二氧化硅(SiO₂)由河南省纳米材料工程技术研究中心提供；聚氨酯由东莞左镕工实业有限公司生产。

首先将乙酸乙酯和乙酸丁酯按1:1的比例配成一定量的稀释剂，然后将配好的稀释剂按一定的比例加入到聚氨酯中，充分搅拌均匀以后，再按照实验要求加入经过预处理的吸收剂，以480 r/min的转速机械搅拌半小时后，再将混合溶液放入超声振荡仪超声振荡半小时。随后再往溶液中加入一定比例的二月桂酸二丁基锡，机械搅拌10 min后，得到混合均匀的膏状物。将所得的膏状物涂覆到200 mm×200 mm的铝板上，并通过自制的装置对涂层的厚度进行精确的控制。最后将涂覆完成的涂层放置在室温条件下自然固化成型，固化成型后对涂层进行脱模处理，以便后续对样品的修整和测试。试样的具体参数见表1。

1.2 性能表征

涂层的断面形貌通过扫描电子显微镜(SEM，Zeiss SUPRA55)进行观察，采用弓形法对涂层的吸波性能进行测试，测试频段范围为2~18 GHz，实验设备为矢量网络分析仪(VNA，Agilent8720B)。

2 结果和讨论 2.1 形貌

图1(a)为羰基铁涂层断面的扫描电子显微镜图，从图中可以看出，球状的羰基铁粒子较为均匀的分散在聚氨酯基体中，并没有出现明显的团聚现象。图1(b)是羰基铁/二氧化硅复合吸波涂层的断面形貌图，由于二氧化硅的粒径很小，所以大量二氧化硅存在于聚氨酯基体中，被聚氨酯所包覆。图1(c)是羰基铁/炭黑复合吸波涂层的断面形貌图，从图中可以看出，由于炭黑粒子和羰基铁粒子的粒径差，所以炭黑粒子倾向于聚集在羰基铁粒子之间的间隙处，被聚氨酯基体所包围。

2.2 吸波性能分析 2.2.1 吸波理论

根据传输线理论，当电磁波垂直入射到以理想导体作为基板的单层吸波涂层时，涂层的电磁辐射的反射损耗值可以定义为^[6]

${R_L} = 20\lg \left| {\frac{{{Z_{\rm in}} - {Z_0}}}{{{Z_{\rm in}} + {Z_0}}}} \right|$

(1)

${Z_{{\rm{in}}}}{\rm{ = }}\sqrt {\frac{{{\mu _r}}}{{{\varepsilon _{\rm{r}}}}}} \tanh \left[ {{\rm{j}}\left( {\frac{{2{\rm{\pi }}fd}}{c}} \right)\sqrt {{\mu _r}{\varepsilon _r}} } \right]$

(2)

式中：Z_in表示吸波材料的输入阻抗，Z₀表示空间的本征阻抗，其值为377 Ω，d为吸波材料的厚度，c是光速，f表示频率，μ_r和ε_r分别表示材料的相对磁导率和介电常数。

2.2.2 羰基铁涂层的吸波性能

图2为不同成分的羰基铁涂层的吸波性能，从图中可以清楚发现，随着羰基铁的成分(羰基铁与聚氨酯质量比)从3:1增加到6:1，涂层的吸波性能出现了先提升后减弱的现象，吸收峰值所对应的频率随成分增加逐渐向低频区域移动，吸收峰值则先降低后上升，当羰基铁成分达到5:1时，涂层具有最低吸收峰值，其值可以达到-17.1 dB。-8 dB以下的有效吸收频宽也从3:1时的4.3 GHz(8.6~12.9 GHz)先增加到5:1时的5.4 GHz(6.1~11.5 GHz)，最后减小到6:1时的3 GHz(4.4~7.4 GHz)。

已知涂层要获得良好的吸波性能，需要同时满足阻抗匹配和有效损耗两个条件^[7]，根据有效介质理论可以知道^[8]，随着涂层中吸收剂的含量增加，涂层的磁导率(μ_r)和介电常数(ε_r)也随之变大，涂层对电磁波的损耗能力必然随之增强，即涂层的有效损耗条件是随着涂层中吸收剂含量的增加而增强的，但是根据式(2)可以知道，涂层的输入阻抗(Z_in)也是随着羰基铁的含量增加而增加的，当输入阻抗增加到一定值时，必然会导致其与空间的本征阻抗的差值增大，使得涂层的阻抗匹配条件恶化，大量的电磁波在涂层表面被反射掉，无法进入到涂层内部被羰基铁所损耗，这也就解释了羰基铁涂层吸波性能随着羰基铁含量的增加，出现先增强后减弱的现象。

2.2.3 羰基铁/SiO₂涂层的吸波性能

SiO₂的加入对羰基铁涂层吸波性能的影响见图3。从图中可以看出，SiO₂的加入显著提升了涂层的吸波性能，涂层的吸收峰值出现了明显的下降，且随着添加的SiO₂含量的增加，峰值的降低越来越显著，当加入的SiO₂量达到0.05:5:1(SiO₂、羰基铁与聚氨酯质量比)时，此时涂层的吸收峰值达到了−39.5 dB，较没添加SiO₂之前的−17.1 dB，峰值的下降十分明显。于此同时可以观察到，吸收峰值所对应的频率以及−8 dB以下的有效吸收频宽，均未出现显著的变化。

根据之前的研究发现^[9-11]，SiO₂作为一种透波材料，本身并不具备很强的介电损耗和磁损耗性能，当其加入到涂层中，会为电磁波在涂层中的传播提供渠道，有利于改善涂层的阻抗匹配性能，使得更多的电磁波可以进入到涂层中来，提高涂层的吸波性能。

2.2.4 羰基铁/炭黑涂层的吸波性能

图4为不同成分羰基铁/炭黑复合吸波涂层的吸波性能，从图中可以清楚地看出，炭黑的加入有助于涂层吸波性能的提升，随着加入炭黑含量的增加，吸收峰值所对应的的频率逐渐向低频进行运动，而吸收峰值则出现了先降低后增加的现象，当炭黑含量达到0.1:5:1(炭黑、羰基铁与聚氨酯质量比)时，此时涂层具有最佳的吸波性能，吸收峰值在6 GHz处达到了−22.1 dB，此后随着加入的炭黑量的增加，吸收峰值增加，涂层的吸波性能变差。

与单一的羰基铁涂层相比，炭黑的加入对涂层吸波性能的提升具有很大的影响，一方面因为炭黑是一种典型的电阻型吸收剂，当其加入到涂层中时，会在涂层中形成局部的导电网络，增加涂层的涡流损耗；另一方面，炭黑的加入有助于改善涂层的阻抗匹配能力，使电磁波更多的进入到涂层内部。但当炭黑的含量达到一定程度之后，会使涂层的导电性能大幅度增加，反而恶化了涂层的阻抗匹配条件，使电磁波的反射增强，吸波性能下降^[12]。

3 结论

1) 考察了羰基铁含量对羰基铁涂层吸波性能的影响，当羰基铁含量为5:1(羰基铁与聚氨酯的质量比)时，此时涂层具有最佳的吸波性能，吸收峰值可以达到−17.1 dB。−8 dB以下的有效吸收频宽达到了5.4 GHz(6.1~11.5 GHz)。

2) 成功制备了羰基铁/SiO₂复合吸波涂层，SiO₂的加入有助于提升羰基铁涂层的吸波性能，涂层的吸收峰值均出现了明显下降，且随着SiO₂加入量的增加，峰值逐渐降低，当SiO₂含量达到0.05:5:1(SiO₂、羰基铁与聚氨酯质量比)时，涂层的吸收峰值达到了−39.5 dB。

3) 炭黑的加入有助于改善涂层的阻抗匹配条件，提升羰基铁涂层的吸波性能，涂层的吸收峰值下降，但由于炭黑粒子较强的导电性，当其在涂层中的成分过高时，会造成对电磁波的强反射，降低涂层的吸波性能。当炭黑含量达到0.1:5:1(炭黑、羰基铁与聚氨酯质量比)时，此时涂层具有最佳的吸波性能，吸收峰值在6 GHz处达到了−22.1 dB。