吸波材料专栏（三）：不过时的传统吸收剂—羰基铁粉

第一期讲到的雷达吸波材料按材料成型工艺和承载能力，雷达吸波材料可分为涂敷型吸波材料和结构型吸波材料。本期介绍一下传统的涂覆型吸波材料中应用最为广泛的吸收剂—羰基铁粉。

羰基铁粉由于其温度稳定性好、磁导率高以及生产成本低的特点，在吸波材料中具有广泛的应用前景，是国内外研究最深入、应用最广泛、吸波性能优秀的电磁波吸收剂，并且大量应用于现役的武器装备上。例如，美国的F/A-18C/D“大黄蜂”飞机，为了降低其雷达反射截面积（RCS），在机身表面及机翼上使用了羰基铁粉为主的雷达吸波材料，F-15SE“静默鹰”是F-15重型战斗机的最后改进型，为了保证其面对三代及三代半战斗机的空中优势，对其隐身性能进行了改进，在表面缝隙连接处、机翼、机身的诸多部位使用了大量的羰基铁粉为主的雷达吸波材料，使其正面的雷达反射截面积降低到了F-35的水平。

羰基铁粉是由羰基铁直接分解得到的铁粉，五羰基铁化合物Fe（CO）₅倍加热到70~80℃时开始分解成Fe和CO，在155℃时大量分解，最后形成葱头状结构的羰基铁粉，所生成的羰基铁粉主要为铁。常见的羰基铁粉有球形和片状两种形貌，图1为两种形貌羰基铁粉颗粒在扫描电镜下的照片。球状羰基铁粉的高频磁性受限于Snoek极限，难以满足“薄、轻、宽、强”的吸波性能要求，而片状羰基铁粉则可以突破极限获得优异的高频电磁性能。

图1. 球状羰基铁粉       

               图2.片状羰基铁粉

具有良好吸波性能的材料，一是尽可能大的在吸波材料内部对入射雷达波损耗掉；二是雷达吸波材料的阻抗和入射雷达波的阻抗相互匹配，达到了无反射的条件。要达到条件一，介电常数和磁导率是影响电磁波和介质相互作用的重要参数。其中介电常数：ε=ε'-iε^" 。磁导率为μ=μ'-iμ^" ，ε^" 及μ^"分别表示介电损耗和磁损耗。对于介质材料来说，有着对电磁波耗散和吸收的能力。要达到条件二, 在自由空间中，阻抗为Z₀ 时，雷达波投射到阻抗为Z₀ 的介电层表面，可以发生部分反射，反射系数R =(1 –Z/ Z₀)/(1 + Z/ Z₀)。

实际上尽量要求吸波材料满足条件二，即在一定频带宽度范围内对电磁波有强烈吸收衰减：

（1）阻抗匹配条件：降低电磁波的反射系数，即当电磁波入射到材料表面时，让其最大限度地进入材料内部；单层吸波涂层的反射损耗RL（dB）可由复介电常数和复磁导率通过公式计算而得。

式中：Z_o为自由空间的特征阻抗，Z_in为吸收涂层的输入阻抗，f为电磁波的频率，d为吸波涂层厚度，c为真空光速。

当微波垂直入射到涂层表面时，其振幅反射率ρ为：

要达到无反射，即，由可知需满足以下条件：

式中：为自由空间的相对磁导率，为自由空间的相对介电常数，值均为1^[10]；、为材料的相对磁导率、相对介电常数，根据上述条件可得。由此可见，若阻抗完全匹配即微波完全进入涂层无反射，则需涂层的相对磁导率与相对介电常数相等，但是目前这种材料仍未找到。因此若实现好的阻抗匹配，需使材料的相对介电常数与相对磁导率相差越小越好。

衰减条件：电磁波在材料内部传播时能够迅速衰减。电磁波在材料内部传播时，材料对微波的吸收率为：

式中：为涂层的吸收率，a为涂层的衰减系数，d为涂层的厚度。由此可见，若使进入涂层的微波完全衰减，即完全被吸收，则等式左侧，因而必须无限接近于0，故a或d需要无限大。实际上没有a为无限大的涂料，d为无限大也没有实用意义；a的值与材料的磁导率尽正相关，因而若满足衰减条件需提高材料的磁导率。但是a值大和阻抗匹配是矛盾的，一般涂料的a值越大，其本征阻抗越小，越难与自由空间的特征阻抗匹配。因此要根据实际需要尽可能满足阻抗匹配和衰减两个基本条件进行设计。

同时也可以看出，无论要满足阻抗匹配，还是满足衰减条件，吸波材料性能的好坏与材料的介电常数及磁导率密切相关。因而吸波材料的探究从本质上是对其电磁参数的研究，而材料的电磁参数又取决于其组分、结构以及外观形貌。因而通过探究材料的组织结构以及外观与材料电磁参数的关系，调整其结构特征，从而获得优异的吸波性能。因此实现对吸收剂微波电磁参数的自由调控是探究材料吸波性能的关键所在。羰基铁粉因具有高饱和磁化强度和价格低廉等优点是目前吸波剂领域中最主要的研究对象之一。

吸波材料专栏第二篇：吸波材料专栏（二）：三大结构型吸波材料梳理

吸波材料专栏第一篇：提高武器装备战场生存能力的‘神器’—雷达吸波材料

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