對不起 志陽來晚了系列G之廿八：吸波材料也來順便做一做吧

2018-03-21

吸波材料在隱身技術、保溫節能和人體防護等方面有著廣泛應用。如果我告訴大家美國及我國的第五代戰機都已經使用石墨烯應用在隱身塗料上，不知各位是否比較有興趣來了解這個課題。吸波材料是指能吸收投射到它表面的電磁波能量，並通過材料的介質損耗使電磁波能量轉化為熱能或其它形式的能量，一般由基體材料（或粘接劑）與吸收介質（吸收劑）複合而成。由於各類材料的化學成分和微觀結構不同，吸波機理也不盡相同，但工程上還是常用「介電常數」和「磁導率」來評價吸波材料的反射和傳輸特性。而材料吸收電磁波的基本條件是：

1、電磁波入射到材料上時，能儘可能不反射而最大限度地進入材料內部，即要求材料滿足「阻抗匹配」；

2、進入材料內的電磁波能迅速地幾乎全部衰減掉，即要求材料滿足「電磁損耗」，其中又包括：電阻損耗、介電損耗及磁損耗。

「電阻損耗」系電磁波在材料里感應產生電流，電流在材料內部傳輸受阻而轉化為內能。當電導率越大時，電場引起的電流和磁場引起的渦流越大，越有利電磁能轉變為熱能。「介電損耗」系電介質分子的極化需要一定的時間，而在交變電場的作用下，當這種極化落後於外電場的頻率時，便產生了極化的滯後，從而產生介電損耗。而「磁損耗」系磁性材料在磁化過程和反磁化過程中有一部分能量不可逆地轉變為熱能所損耗的能量。

吸波材料的電物理性能

1、電阻率（ρ），介質損耗很小或可忽略不計時，在金屬介質、半導體介質型吸波材料中，其吸波性能主要由泄漏電導決定的。所以電阻率對吸波性能有很大影響。對於金屬電阻的本質，在正常狀態下聲子和晶格缺陷所引起的電子散射是產生金屬電阻的原因。對於半導體晶體，電導率是由於導電的電子由價帶躍遷到導帶的熱效應的結果。此外，除了自由電子導電，半導體還有空穴導電的特徵。

2、復介電常數（ε）和復磁導率（μ），是吸波材料電磁特性的基本參數，其先進性和實用性是用來評價吸波材料性能優劣的主要依據。 ε = ε』 - ε」， μ = μ』 – μ」

3、介質損耗正切值（tanδ），是表徵吸波材料的重要的電磁參數，多應用於實踐。TanδE = ε」/ε』

4、反射損失（R），表徵吸波材料對於金屬平板反射的大小。R=20 lg｜Γ｜。

吸波材料的物理化學條件

1、當金屬粉或金屬組分的尺寸超過趨膚深度值一個數量級或者不多於一個數量級，而且有介電性能的組分使按容積均勻分布的金屬組分完全絕緣時，則材料的吸波能力最大；

2、在熱作用、腐蝕作用及其它影響的條件下，吸波材料的結構、成分及性能應具備高度的穩定性。

3、吸波材料的熱物理性能，影響吸波材料的性能穩定的重要因素之一。改善吸波材料的耐熱衝擊性，克服其在高溫條件下性能惡化，吸波材料的研究方向之一即提高其熱穩定性。吸波材料的熱穩定性與材料的成分、物理化學性能、機械性能及製品形狀、尺寸還有工作條件和實驗條件有關。

吸波材料分類

分為傳統型和新型吸波材料兩種，其中，傳統型按其微波損耗機理分為：電阻損耗型吸波材料、介電損耗型吸波材料和磁損耗型吸波材料。其中，碳化硅、石墨等屬於電阻損耗型吸波材料，電磁能主要衰減在材料電阻上；鈦酸鋇之類屬於介電損耗型吸波材料，其機理為介質極化弛豫損耗；磁損耗型吸波材料的損耗機理主要歸結為鐵磁共振吸收，如鐵氧體、羥基鐵等。我們先來比較傳統吸波材料的優缺點，金屬微粉主要通過磁滯損耗、渦流損耗等吸收衰減電磁波，主要包括金屬鐵粉、鐵合金粉、羥基鐵粉等，優點是介電常數大、密度大，及抗氧化、抗酸鹼能力差等缺點。石墨主要是通過電阻損耗來衰減電磁能，優點是密度低，缺點是高溫抗氧化性差。至於鐵氧粉具有吸收率高、塗層薄和頻帶寬等優點，及密度大、飽和磁化強度低、高溫穩定差等缺點。

新型吸波材料包括：納米材料、多晶鐵纖維、手性材料、導電高聚物、等離子體吸波材料和可見光、紅外及雷達兼容吸波材料等。其中，納米材料和多晶鐵纖維是眾多新型吸波材料中性能最好的二種。以納米材料來說，由於納米粒子比表面積大、表面原子比例高，懸掛的化學鍵增多，因此「界面極化」和「多重散射」成為重要的吸波機理。以石墨烯吸波材料來看，導電性很好屬於「電損耗型」吸波材料，但磁導率小則磁損耗很小，限制了在微波吸收性能上的提高。若是以石墨烯/聚合物基複合吸波材料型態呈現，由於尺寸小、比表面積大、具有高導電性，與聚合物複合成導電網路，也能提高複合材料強度，是種綜合性能優良的「電阻損耗」型複合吸波材料。再把 Fe、Co、Ni 等鐵磁性金屬或是鐵氧體等磁體包覆或負載到石墨烯微片形成石墨烯/磁性應鏈複合材料，將可兼顧電導率及磁導率，可實現全頻段吸波的目的。另外，「磁損耗」型吸波材料的吸波機理主要可歸結為以自然共振、疇壁共振、磁滯損耗和後效損耗等磁極化機制來衰減、吸收電磁波。其具有較高的正切磁損耗角，吸波能力較強，吸收頻帶較寬，是目前應用最為廣泛的吸波材料類型。

我現在手上有二個石墨烯吸波材料項目，分別屬於「電阻損耗」及「介電損耗」型，以後再來進行「磁損耗」型項目。其中，電阻損耗型吸波材料將並同屏蔽材料先從電導率從 10e0ohm.cm 降到 10e-2ohm.cm，得先來改善石墨烯層數問題。這裡僅列出介電損耗型吸波硅膠的表徵，正式宣示志陽進入電磁領域的決心！

感謝台灣元智大學蒲念文老師對石墨烯吸波硅膠項目協助。