电磁波吸收剂微结构设计研究进展

Research progress in microstructure design of electromagnetic wave absorbents

摘要

当前电磁环境愈发复杂，电磁防护愈发重要，传统吸收剂的吸收机制单一，无法满足吸波材料“薄、轻、宽、强、广”的现实需求。需将多种类吸收剂进行结合，丰富电磁波损耗机制，并对吸收剂进行微结构设计，增强其阻抗匹配与损耗衰减性能，可促进入射电磁波的多重反射与散射。本文综述了国内外对吸收剂微结构设计及其性能调控的研究进展，分析了微结构设计对吸收剂的损耗机制、最佳反射损耗系数和有效吸收带宽的影响，最后对吸收剂的损耗机制探究、体系筛选与微结构设计的研究方法以及多功能性吸波材料的未来发展等方面进行了总结与展望。

Abstract

The electromagnetic environment has been increasingly complicated， requiring more effective electromagnetic protection. However traditional absorbents possess a single absorption mechanism which is unable to achieve comprehensive excellent performance. Therefore， it is necessary to integrate multiple types of absorbents to enrich the mechanisms responsible for electromagnetic wave loss. Moreover， the microstructures of absorbents are designed to enhance their impedance matching and loss attenuation performance. These approaches can facilitate multiple reflections and scattering of incident electromagnetic waves. In this work， the progress of researches on absorbent microstructure design and its performance control are comprehensively reviewed， both domestically and internationally. Then the influence of microstructure design on absorbent loss mechanisms， optimal reflection loss coefficients， and effective absorption bandwidths are analyzed. Finally， the exploration of absorbents loss mechanism， research methods of system screening and microstructure design， as well as the future development of multifunctional absorbent materials are summarized and prospected.

Graphical abstract

关键词

电磁波吸收 / 复合吸收剂 / 微结构设计 / 吸收机理

Key words

electromagnetic wave absorption / composite absorbent / microstructure design / absorption mechanism

随着电子信息技术的迅猛发展，电磁波对生产生活的影响愈发显著，电磁防治成为亟需研究的重点领域，针对电磁波的防治能力和水平是国家材料研发电磁技术实力的重要体现之一^［1-3］。目前，电磁波的防治方法主要分为两类：电磁屏蔽技术与电磁防护技术。但是，电磁屏蔽技术存在着“治标不治本”的缺点，容易失效并造成二次辐射危害；而电磁防护技术是利用吸波材料将电磁波能量损耗吸收，从而实现电磁波的有效防治。吸波材料则是利用吸收剂的电损耗、磁损耗等机制将电磁波能量转化为热能等其他形式能量，其理想效能应满足“薄、轻、宽、强、广”的电磁波防护要求，即材料厚度薄、整体质量轻、作用频段宽、吸波能力强、应用场景广^［4-6］。

吸波材料的核心关键是吸收剂，根据电磁波损耗原理，可以分为介电损耗型和磁损耗型。近年来，各类吸收剂的性能虽不断改善，但由于其本征缺点，吸波性能与军民领域需求仍有较大差距。介电型吸收剂主要依靠介质的电子级化或界面极化来吸收电磁波，但其损耗机制的多样性不足；磁介质型吸收剂主要利用共振和磁滞损耗等机制发挥吸波作用，但其存在密度较大、易被氧化等缺点，并且部分磁性吸收剂具有趋肤效应，不利于电磁波的顺利入射。

当前电磁防护领域对吸收剂的最佳反射损耗值与有效吸收带宽的要求较高，吸收剂的质效亟需进一步提升，对吸收剂进行多组分复合与微结构设计是提高吸收剂性能的最佳途径之一^［7-8］。已有研究人员在多个方面对吸收剂的微结构设计进行探索，改善了传统吸收剂的各类本征缺点，大幅提升其吸波效能，具有复杂微结构的复合吸收剂已能达到较宽频域的高效吸收，如Li等^［9］通过原位合成制备了Co₃Fe₇@C吸收剂，在2 mm的匹配厚度下，最佳反射损耗值为-35.3 dB，有效吸收带宽可达8.4 GHz，优化了磁性吸收剂的不足之处，充分发挥了介电损耗与磁损耗之间的协同作用。

本文以提升吸收剂的吸波性能为目标，阐述吸收剂的概况与发展现状，梳理并论述了吸收剂微结构设计的研究进展，重点综述了吸收剂微观形貌、核壳结构、中空及多孔结构和复杂三维结构的设计与研究现状，分析并指出了吸收剂及吸波材料的发展方向。

1 电磁波吸收的基本原理及其吸收剂概述

电磁波是以波形式传播的电磁场，其作用是将在空间中同相震荡、相互垂直的电场与磁场的能量进行发射并传输，具有典型的波粒二象性特点。当电磁波由自由空间入射至吸波材料表面时，其传输情况如图1所示。电磁防护的核心是减少入射电磁波向自由空间的反射、折射和透射，避免发生辐射污染或信息传递，因此必须使电磁波能量尽量多地被吸波材料损耗与吸收^［4］。吸波材料根据其吸收机制可以分为两类，一是利用介质吸收电磁波能量，例如，电损耗型和磁损耗型；二是利用相位相消和结构损耗的作用吸收电磁波能量。

理想的吸波材料需满足两个基本要求：一是阻抗匹配，即要确保入射电磁波尽量多地入射进入吸波材料内部，减少其向自由空间的各种散射，由材料的反射系数R决定，其表达式如式（1）所示^［1］。最理想的阻抗匹配模式是电磁波全部入射进入吸波材料，即不存在反射波，此时材料的反射系数R应为0，自由空间阻抗Z₀与吸波材料输入阻抗Z_n完全匹配。

R=\frac{Z_{\mathrm{0}}-Z_n}{Z_{\mathrm{0}}+Z_n}（1）

二是损耗衰减，吸波材料要迅速且高效地将入射电磁波能量损耗与吸收，通常用衰减系数α来表示单位长度中电磁波的衰减量，其表达式如式（2）所示^［10］，材料的介电常数虚部与磁导率虚部越大，衰减系数α越大，其对入射电磁波的吸收能力越强。

\alpha =\frac{\sqrt[]{\mathrm{2}}\mathrm{\pi }f}{c}\times \sqrt[]{\left({\mu }_{}^{″}{\epsilon }_{}^{″}-{\mu }^{\mathrm{\text{'}}}{\epsilon }^{\mathrm{\text{'}}}\right)+\sqrt[]{{\left({\mu }_{}^{″}{\epsilon }_{}^{″}-{\mu }^{\mathrm{\text{'}}}{\epsilon }^{\mathrm{\text{'}}}\right)}^{\mathrm{2}}+{\left({\mu }_{}^{″}{\epsilon }^{\mathrm{\text{'}}}+{\mu }^{\mathrm{\text{'}}}{\epsilon }_{}^{″}\right)}^{\mathrm{2}}}}（2）

式中：f为频率；c为光速；{\epsilon }^{\mathrm{\text{'}}}与{\epsilon }_{}^{″}、{\mu }^{\mathrm{\text{'}}}与{\mu }_{}^{″}分别代表复介电常数与复磁导率的实部和虚部。

但若一味提高材料的电磁参数，则会导致阻抗失匹现象，使得电磁波无法顺利地入射进入吸波材料内部。因此必须在保证阻抗匹配的前提下，提升吸波材料的损耗衰减能力，实现高效的电磁防护^［5］。

为便于衡量吸波材料的综合吸波性能，根据传输线理论，常用反射损耗系数RL表示吸波材料对电磁波的综合吸收能力，其表达式如式（3）所示^［1］。当RL<-10 dB，表明90%以上的电磁波能量被有效吸收，此时对应的RL被称为最佳反射损耗值，达到RL值的频段宽度被称为有效吸收带宽（EAB）。

\mathrm{R}\mathrm{L}=\mathrm{20}\mathrm{l}\mathrm{g}\left|\frac{Z_{\mathrm{i}\mathrm{n}}-Z_{\mathrm{0}}}{Z_{\mathrm{i}\mathrm{n}}+Z_{\mathrm{0}}}\right|（3）

Z_{\mathrm{i}\mathrm{n}}=Z_{\mathrm{0}}\sqrt[]{\frac{{\mu }_{\mathrm{r}}}{{\epsilon }_{\mathrm{r}}}}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{h}\left(\mathrm{j}\frac{\mathrm{2}fd\mathrm{\pi }}{c}\sqrt[]{{\mu }_{\mathrm{r}}{\epsilon }_{\mathrm{r}}}\right)（4）

式中：Z_in为材料的输入阻抗；ε_r与μ_r为材料的复介电常数与复磁导率；d为材料的厚度。

吸波材料的核心组分是吸收剂，其发挥着吸收电磁波能量的关键作用。根据材料种类，吸收剂主要包括：碳系吸收剂、导电高聚物、磁性吸收剂和陶瓷吸收剂^［11-15］，吸收剂的种类、损耗机制及典型材料等如表1所示。

2 吸收剂的微结构设计方法

上述各类吸收剂虽然已广泛应用，但均存在着本征缺点，尤其是电磁波吸收机制较为单一，无法满足高效吸波的性能要求。因此，必须将不同种吸收剂结合，充分发挥各组分的优势吸波特性、丰富吸波机制；并对其进行微结构设计，利用电磁波在复杂结构中的散射、反射等无规则传播，增强吸收剂与电磁波的相互作用，促进电磁波的损耗衰减效果，提升吸波性能^［16-18］。

吸收剂的微结构设计是针对复合吸收剂的各个组分及其整体进行结构设计，从而提升其RL与EAB，如图2所示，主要包括：吸收剂的形貌设计、核壳结构、蛋黄壳结构、多层壳结构、包覆结构、中空结构、多孔结构和复杂三维结构等。

2.1 吸收剂形貌设计

吸收剂的微观形貌直接影响其本征电磁参数及电磁波损耗机制^［19-21］。当磁性吸收剂的形貌近似于球状时，其吸波性能较弱，而棒状与薄片状形貌吸收剂的吸波能力有明显提升^［22］。这是由于棒状、片状形貌所具备的各向异性效应能够在一定程度上突破Snoek极限，从而获得较高的初始磁导率。片状吸收剂的Snoek表达式如式（5）所示^［23］，片状形貌的大长径比使得其H_ha ≫ H_ea，因此在相同的共振频率下，片状形貌的磁性吸收剂磁导率可以得到大幅度提升，磁损耗效能明显增强^［24］。

\left({\mu }_{{\mathrm{r}}_{\mathrm{0}}}-\mathrm{1}\right)f_{\mathrm{0}}=\frac{\gamma M_{\mathrm{s}}}{\mathrm{3}\mathrm{\pi }}\sqrt[]{\frac{H_{\mathrm{h}\mathrm{a}}}{H_{\mathrm{e}\mathrm{a}}}}（5）

式中：{\mu }_{{\mathrm{r}}_{\mathrm{0}}}为材料的初始磁导率；f₀为共振频率；M_s为饱和磁化强度；γ为旋磁比；H_ha为面外各向异性场；H_ea为面内各向异性场。

独特的花状结构对入射电磁波的散射作用十分明显^［25-26］，Cheng等^［27］对具有花状微结构的MoSe₂吸收剂进行了细致调控，如图3（a）所示，电磁波在不同的花型和分层花瓣之间能发生多次反射与散射，增强了入射电磁波被损耗吸收的概率。随着花状结构开花程度的变化，MoSe₂中的孔隙和空隙逐渐增多，导致复介电常数下降，吸收剂等效厚度增加，有效吸收频带向低频段偏移；如图3（b）~（d）所示，花苞状结构对Ku波段微波吸收作用明显，开花状结构的有效吸收频带为X波段，空心花状结构在C波段和X波段等低频段的吸波能力较为优异。

海胆状和刺球状等各向同性形貌拥有特殊的尖端放电效应，这也有利于电磁波的损耗吸收^［28］，Rehman等^［29］采用溶剂热合成法制备了刺球状的C/CoNiO₂，刺球状的异质结构以及电子在二价与三价镍离子间的迁移变化显著增强了吸收剂的介电常数、磁导率和电导损耗，改善了其吸波性能。多面体碗状、杨梅状等多种新型特殊形貌也具有独特的优势吸波特性，但对吸收剂形貌调控的相关研究还有较大探索空间，微观形貌对电磁参数的影响规律也需进一步研究^［30-31］。

2.2 核壳及其衍生结构

单一组分的吸收剂通过形貌设计与优化，能够在一定程度上提升其吸波性能，但无法同步实现较优的阻抗匹配和损耗衰减性能，而若将不同种类的吸收剂进行复合并进行微结构设计，能够显著改善其综合吸波能力。根据电磁波吸收原理，核壳及其衍生结构对吸收剂的电磁参数、阻抗匹配和损耗衰减性能等均有显著增强效果^［32-34］：一是其各个组分的微观形貌仍然可调，在复合前可对单一吸收剂进行预先设计与优化；二是核壳结构的外壳、夹层空腔、芯层以及核壳的相对位置均具有可设计性，能够有效改善吸收剂的阻抗匹配与损耗衰减特性；三是复合吸收剂中的微结构能够产生额外的界面极化、偶极极化和电磁波的多重散射与反射等损耗机制，进一步提升吸波性能。

Gai等^［35］综述了以碳球、碳纳米管、石墨烯和三维结构碳等作为芯材和壳层的复合吸收剂性能现状及其制备方法，如图4（a）所示。Yang等^［36］采用液相还原法制备了Fe@Ag核壳结构的纳米线，如图4（b）所示，金属银能够适当调控电磁参数，银层厚度可由Fe与Ag的摩尔比控制；该吸收剂具有非均相的多重界面极化特点，其一维纳米线的结构具备小尺寸效应且形成了高效导电网络，从而具备了丰富的损耗机制，吸波性能有较大提升。其在石蜡中填充量为25%（质量分数）、匹配厚度为3.36 mm、频率为7.53 GHz时，最佳反射损耗值为-58.69 dB，有效吸收频带覆盖了C波段与X波段的宽频域。

蛋黄壳结构是在常规核壳结构的层间加入了空心层，如图4（c）所示，进一步凸显了核壳结构的性能优势，拓宽了有效吸收带宽^［37-38］。Zhu等^［39］采用原位涂敷、热处理、蚀刻和碳化还原反应等一系列工艺制备了Co₃Fe₇/FeO@C的蛋黄壳结构吸收剂，如图4（d）所示，其在12.3 GHz时的最佳反射损耗值可达-57.6 dB，有效吸收带宽为7 GHz。分析其吸波机理：第一，Co₃Fe₇与FeO形成的异质界面增强了界面极化；第二，蛋黄壳结构中丰富的固体/空气界面有利于改善阻抗匹配特性；第三，核壳之间的空腔能够延长电磁波传播路径，促进电磁波的反射和散射，提升其损耗效能。

多壳层的核壳结构设计也具备特殊的吸波优势，能够提供更多重的反射、散射损耗机制，如图4（e）所示^［40-43］。Wen等^［44］以MXene二维材料为切入点，首先在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）表面以Ti₃C₂T _x 薄片构建三维微球核壳结构，而后在Ti₃C₂T _x 表面定向生长纳米级尖晶状Ni，最终制备出双层壳状PMMA@MXene@Ni微球型吸收剂，如图4（f）所示；该结构具有大面积的活性表面，能够显著提升损耗衰减能力，海胆状Ni尖晶的引入提供了强效的磁损耗机制；Ti₃C₂T _x 的存在构建了三维导电网络，并且为Ni纳米晶的生长提供了活性位点；PMMA虽然在芯部，但能够起到防止Ti₃C₂T _x 聚集的重要作用；该复合吸收剂在1.5 mm匹配厚度下，最佳反射损耗值可达-59.6 dB，有效吸收带宽为4.48 GHz。事实上，多壳层状结构的可设计性更强，进一步强化了各组分吸收剂间的协同作用，带来了更高的损耗机制与更高的电磁波散射概率，在吸收剂的微结构设计研究中有很大的发展空间^［45］。

除能够改善吸收剂的吸波性能外，核壳类结构还具有保护芯层的重要作用，提升吸收剂的耐热性与工作温度^［46］。Jia等^［47］以ZrO₂@ZrB₂核壳纳米微粒为增强相，SiOC陶瓷为基体相，得到陶瓷基复合吸收剂；纳米级的核壳界面有利于电磁波的入射，优化了阻抗匹配性能，纳米级微粒的固定作用能够保护SiOC基体，ZrO₂能够改善陶瓷结构的初始电导率，改善极化损耗效果。另外，得益于陶瓷材料优异的耐热性，该吸收剂在600 ℃时的微波吸收能力仍能维持在常温时的水平，有效吸收频带几乎覆盖整个Ku波段。

包覆结构是典型的类核壳结构，解除了对于芯层形状的限制，适用于不规则形状的芯层材料，并且其致密的外包覆层能够提供更优异的芯层保护效果，显著提升吸收剂的力、热等综合性能^［48-50］。本文综述的核壳及其衍生结构吸收剂的吸波性能如表2所示^{［9，34，36-39，41-46，48-49］}。

2.3 中空与多孔结构

中空与多孔结构均具有类似于小型微波谐振器的特性，能够提供多重电磁波散射和共振效应，调控优化电磁参数、增加微观界面面积、提升损耗衰减性能，可应用于多种复杂电磁环境^［51］。

Yang等^［52］制备了壳厚可调的空心碳球（HCS），在其外层覆盖MnO₂层，与实心碳球相比，空心碳球结构的吸收剂存在多重极化弛豫，如图5（a）所示实验中测得其拥有3个介电损耗峰；如图5（b）所示，空心碳球框架由许多有序的石墨化区和不规则的碳基体区组成，由于两区边缘的亲电性不同，产生了更多的偶极子中心，石墨化区的缺陷也会产生额外的偶极子中心，这些偶极子弛豫的频带范围与强度均有差异，因此导致了多个损峰的出现。如图5（c）所示，当匹配厚度为1.5 mm时，该吸收剂的最佳反射损耗值为-53.5 dB，有效吸收带宽为4.8 GHz。另一方面，空心的结构特点还能显著降低整体吸收剂的密度，如图5（d）~（e）所示^［53-54］。

Zhang等^［55］通过模板辅助法制备了具备多孔的中空结构碳球（PCHMs），如图5（f）所示，通过调节热解温度即可调控孔径与壳厚等尺寸；该结构不但增强了电磁波的多重散射，而且多孔洞及其内部空穴的协同作用使得界面极化强度得到显著增强。Li等^［56］用FeCo@C修饰多孔氧化还原石墨烯纳米片（HRGO），如图5（g）所示，该复合吸收剂在匹配厚度为1.7 mm、频率为16.64 GHz处的最佳反射损耗值高达-76.6 dB；石墨烯纳米片上独特的多孔结构使得复合吸收剂的比表面积明显增大，显著提高阻抗匹配性能，石墨烯片上的孔洞经过FeCo@C修饰后产生许多活性位点，使得吸收剂的宏观导电能力得到改善、损耗衰减性能有较大提升。

多孔结构既是中空结构的组成部分，也是独特的优势吸波结构，平行且有序的孔洞有利于自由空间电磁波的入射，复杂交错的孔壁有利于电磁波的多重散射。在损耗机制方面，多级孔隙构成了高效的导电网络、提升了材料对电磁波的损耗衰减能力，其所形成的大量界面及空隙产生了许多能够作为界面和偶极极化中心的缺陷，同步增强了介电损耗效能^［57-58］。

泡沫材料得益于其本征的孔洞结构，是典型的多孔结构材料^［59］。Zhang等^［60］采用模版刻蚀法构建出超轻的三维有序多孔碳泡沫材料（EDCF），依据等效取代思想探究了孔体积与比表面积对材料吸波性能的影响，结果表明：当比表面积一定时，孔体积主要影响阻抗匹配性能；在保持孔体积不变的情况下，比表面积越小，材料的电导损耗能力越强。该吸收剂在填充量为5%时，有效吸收带宽可达7.12 GHz，最佳反射损耗值为-58.08 dB，该研究还表明，多孔材料能够提供丰富的损耗机制，在宽频域内电导损耗与极化损耗交替发挥主导作用，协同提升吸波效能。

不同于泡沫本身具备的多孔结构，Li等^［61］综述了以生物质材料为基础制备多级孔结构的研究进展，并将制备方法归纳为活化法和热解法，其中活化法高度适用于无明显多孔结构的生物质材料，由此表明绿色吸收剂的制备可行性与发展必要性。大量研究表明，热解法能够使金属有机框架结构材料在适当的热解温度下转化为多孔碳材料，但金属有机框架的整体结构更加复杂多变，并且可以被金属材料进一步修饰，改善了多孔结构材料通常不具备磁损耗能力的缺点，使其具有更加高效的电磁波损耗能力^［62］，因此将其归类于复杂三维结构中进行综述与讨论。中空与多孔结构吸收剂的吸波性能如表3所示^［51-60］。

2.4 复杂三维结构

三维结构的复杂性更高，可设计行更强，对吸收剂性能的提升效果也更显著^［63］。将复杂三维结构的材料与具备本征吸波能力的传统吸收剂相结合，能够制备出吸波性能优异的复合吸收剂，其主要结构包括：金属有机框架结构、多层结构和气凝胶结构等。这类吸收剂既拥有高效的吸波性能，还具备其他优异性能，如承载能力、防隔热能力等。但复杂三维结构的存在也会导致吸收剂体积较大，微结构调控难度较高，制备工艺繁琐，吸波机理复杂多变难以探究等缺点。

金属有机框架（MOF）是由金属和有机配体组成，具有周期性结构的有机多孔材料，其比表面积大、结构均匀、电磁性能优异、电磁波损耗机制丰富^［64-66］。Shu等^［67］以MOFs为前驱体，通过高温热解制备出纳米级Fe₃O₄-C/RGO吸收剂，独特八面体结构的碳骨架在Fe₃O₄颗粒的修饰下均匀的分布在石墨烯表面，除传统吸收剂的本征电磁波损耗机制外，电子能够在石墨烯和碳骨架间不断迁移，持续消耗电磁波能量，石墨烯表面诱发的偶极极化和缺陷极化也有助于进一步消耗电磁波能量，其结构内部丰富的非均相界面可等效为电容器模型，具有衰减入射波功率的关键作用。该吸收剂在填充量为25%、频率为4.8 GHz和3.6 mm的匹配厚度下的最佳反射损耗值达到-60.5 dB，当匹配厚度为1.5 mm时，有效吸收带宽达到5.5 GHz。Wu等^［68］通过静电纺丝和碳化硫化工艺制备出Cu₉S₅/C纳米复合纤维，MOF衍生的八面体Cu₉S₅/C颗粒均匀地分散在碳质纤维中，带来了独特的层次结构，构建出三维的导电网络，其纳米级的微观协同效果大幅提升了阻抗匹配性能，如图6（a）所示；该吸收剂在20%的填充量下具有优异的电磁波吸收性能，最小反射损耗值为-69.6 dB，有效吸收带宽达到5.81 GHz。

MOF结构不但有利于增强吸波性能，还能促进综合性能的提升，Xie等^［69］采用水热法合成了双金属NiZn-MOF复合吸收剂，Ni/Ni₃ZnC_0.7颗粒致密的包覆在MOF结构表面，使得整体吸收剂兼具高效吸波性能与优异耐蚀性；其在匹配厚度为2.4 mm时的最佳反射损耗值为-56.8 dB，2.34 mm时的有效吸收带宽为5.9 GHz，R_ct值可达10⁵ Ω·cm^-1，表明其具有优异的耐蚀性能。

MOF结构优异的可设计性为吸收剂微结构设计提供了多样化思路，多层结构也具备这样的特点，其各层均可与传统吸收剂结合，能够充分发挥复合吸收剂具有丰富吸波机制的优势^［70-71］。Huang等^［72］采用高温爆炸法热解含能有机金属框架，得到Co-Fe装饰的分层多孔碳海绵（PCS），金属团簇与基体碳之间的相互作用和电子耦合效应改善了其损耗衰减性能，多层结构中纳米孔洞处丰富的极化作用促进了电磁波能量被快速高效吸收，Co-Fe间的强电磁耦合诱发了强磁损耗，对吸收剂的损耗衰减与阻抗匹配性能起到独特的平衡调节作用。

非常规的多层结构对吸波性能的提升更加明显，Xu等^［73］制备了二维手风琴状的SiC/C吸收剂，通过调节碳热还原的温度对手风琴结构进行细观调控，如图6（b）所示，该吸收剂具有丰富的非均相界面和强烈的偶极极化效果，手风琴状的多层结构提供了多通路的电导损耗，并且促进了电磁波入射及后续的多重散射，同步提升阻抗匹配与损耗衰减性能，其在8.72 GHz下的最佳反射损耗值为-54.52 dB，有效吸收带宽的范围在7.6~18 GHz之间，该研究对吸收剂的新型微结构设计具有指导意义。

气凝胶结构是构筑轻质高效吸收剂的良好基体，其本身三维多孔的结构能够营造优异的电磁波多重散射环境，该结构还具备可观的抗压、隔热等性能，适用于多种复杂环境^［74-77］。Dai等^［78］采用界面强化和双向冻结的方法制备出轻质、坚固的多层Ti₃C₂T _x MXene/聚酰亚胺气凝胶（MP），片状Ti₃C₂T _x 层间具有各向异性的多层波状结构，在多层、多孔、片状等优势吸波结构的作用下，其有效吸收频带覆盖了整个X波段，并且在3.9~18 GHz的宽频范围内可调；该吸收剂还拥有优异的可逆压缩性能，波状片层的交错排列可以使MP气凝胶在X轴方向上引发较大的面外变形时，不发生结构崩塌，能够承受较大的几何变形。

Wu等^［79］制备出CuS@RGO复合气凝胶吸收剂，探究了还原方式对吸收剂的结构及吸收性能的影响，采用抗坏血酸还原法制备的复合吸收剂的极化效应更加剧烈，具有更高的RL值，当匹配厚度为3.5 mm时，RL值可达-60.3 dB；采用热还原法则可以产生更多缺陷与更大孔隙，使有效吸收带宽得到显著改善，可达8.44 GHz。使用红外热像仪对该吸收剂进行监测，在加热30 min后其温度仍可保持在原本温度附近的较小范围内波动，证明其拥有较好的隔热性能和红外隐身能力。

3 结束语

吸收剂的微结构设计主要分为微观形貌设计、核壳结构、中空及多孔结构和复杂三维结构。微观形貌设计的材料组分较简单，便于设计与机理研究，但对吸波性能的调控效能有限；核壳结构、中空及多孔结构能够显著改善阻抗匹配和损耗衰减性能，但对材料的形状和种类存在限制，进一步发展潜力较小；复杂三维结构既能够调节吸波性能，又具备高效的综合性能，可设计性强、发展空间大，有望广泛应用于多种材料体系。

面对“薄、轻、宽、强、广”的吸波需求，电磁波吸收剂可利用组分和微结构设计，深入分析其在电磁波吸收中的优劣势及损耗机理，最大限度发挥体系材料的电磁波损耗能力。从吸收剂微结构设计及应用的角度分析，仍存在以下几点不足：一是吸收剂的发展方式呈现多样化，缺乏系统性；二是吸收剂组分筛选与结构设计的科学性不足，且当前高性能吸收剂的制备流程较为复杂，不利于工程化应用；三是宽频域、宽温域的吸收剂研究力度不够。在未来研究中，以下4个方面值得重视。

（1）深入探究电磁波吸收剂的损耗机制。损耗机制决定着吸收剂的作用效能，影响着吸收剂研究方向及其未来发展的系统性与科学性。

（2）加强吸收剂新型结构与新质材料体系的创新性研究。吸收剂的综合性能来源于材料体系与结构，选取具有丰富损耗机制的材料体系，构建吸波有利的材料结构，能够突破性地增强吸波材料的性能，同时需充分考虑其“效费比”和应用可行性。

（3）电磁波吸收剂及其吸波材料面临更宽的频段和温域应用要求，需重点关注材料的工作温度、频段等。

（4）综合性能优异、适用场景宽泛的电磁波吸收剂及其吸波材料是未来发展的热点方向之一。需要强化电磁波吸收剂与其他功能性材料的结合程度，提升多功能性复合材料的研究进度，例如，吸波/超疏水材料、智能频选吸波材料、吸波/承载一体化材料和红外/雷达隐身材料等。

随着信息化技术、智能化研究的迅速进步，吸波材料有望彻底实现大数据模拟微结构设计、人工智能预测评估微结构对吸波性能的提升效能等关键高新技术，关于吸波机理的研究也必将被进一步探索与揭示，电磁波吸收剂及其吸波材料的综合设计性与工程应用性必能得到大幅提升，使吸波材料继续蓬勃发展。

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基金资助

国防科技大学自主创新科学基金(22-ZZCX-076)