综述：电磁波吸收涂层：通过填料-基体体系与结构设计优化性能的策略

《Journal of Alloys and Compounds》：Electromagnetic wave absorbing coatings: strategies for optimizing performance through filler-matrix systems and structural design

电磁波吸收涂层（EMWAC）通过微观损耗机制与宏观结构工程的协同设计实现高效吸波，重点优化树脂基体改性、多频段填料（磁性/介电/协同复合）的分散及结构设计（如梯度、微纳孔结构）对阻抗匹配和吸波性能的提升，同时提出宽带兼容、轻量化、环境适应性及多功能集成等挑战与未来方向。

　　

宁玉洁|黄星|朱庆伟|吴金燕|高梦|曹文斌|吴浩

北京新建筑材料股份有限公司，中国北京102209

摘要

电磁波吸收涂层（EMWAC）是解决电磁污染、实现设备隐身以及确保电子系统稳定运行的关键材料。与以往仅关注单一材料合成的研究不同，本研究通过将微观尺度下的损耗机制与宏观尺度的结构工程相结合，建立了EMWAC的全面设计框架。本文综述了树脂基体的物理化学性质和改性方法，并解释了吸波填料如何调节电磁参数并形成多种损耗途径。此外，文章还介绍了包括多层渐变结构和微纳结构在内的新型EMWAC设计，这些设计有助于优化阻抗匹配并提升电磁波衰减性能。最后，总结了EMWAC在宽带兼容性、薄层轻量化设计、环境适应性和多功能集成方面面临的主要挑战，并对未来研究方向进行了展望，以指导该领域的进一步发展。

引言

随着信息技术和电子技术的快速发展，电磁波（EMW）的广泛应用推动了人类文明的进步[1]、[2]、[3]、[4]。5G/6G通信的大规模部署、高精度卫星导航系统的全球覆盖、多功能雷达网络的密集建设以及无线充电设备的广泛采用，导致人类环境中各种电子设备的数量前所未有地增加[5]、[6]、[7]、[8]。这种集中趋势加剧了有限的电磁频谱资源紧张问题，并加剧了电磁干扰和辐射污染[9]、[10]、[11]。在密闭空间中，高强度电磁波的相互耦合和串扰可能导致精密电子设备的性能异常或功能故障，从而影响通信系统的稳定性、数据安全和服务可靠性[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。此外，长期暴露在高功率密度或特定频率的电磁波辐射下可能引发头痛、失眠、认知障碍或潜在的基因损伤[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。特别是在军事领域，传统的金属基屏蔽材料虽然由于其导电性能够高效反射电磁波，但会生成二次辐射场，这大大增加了被敌方系统探测到的风险，同时其高密度也增加了结构重量[23]、[24]、[25]。因此，这类材料越来越无法满足现代武器系统的综合需求，这些系统需要具备宽带雷达隐身、轻量化设计、高效的热管理以及多功能性能[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。

在这种背景下，电磁波吸收涂层（EMWAC）作为一种关键的解决方案应运而生，用于减轻电磁污染、实现设备隐身并确保电磁兼容性（EMC）。EMWAC通过内在的损耗机制将入射的电磁波能量转化为热能或其他形式的能量[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。EMWAC的性能源于树脂基体、吸波填料和辅助组件之间的多尺度协同效应（见图1）[37]、[38]、[39]。树脂基体通常由高性能聚合物组成，如环氧树脂（EP）[40]、[41]、[42]、酚醛树脂（PF）[43]、聚氨酯（PU）[45]、[46]和硅橡胶[47]、[48]。作为EMWAC的基础，它们提供了机械支撑、柔韧性和对基底的粘附性。此外，树脂基体的固有电气特性，特别是介电常数（ε）和介电损耗正切（tanδ），直接决定了EMWAC的整体阻抗特性。通过分子极化和松弛现象，树脂基体有助于介电损耗并调节EMWAC与自由空间之间的阻抗匹配，这是电磁波有效穿透和随后耗散的前提[49]、[50]、[51]、[52]、[53]。吸波填料是EMWAC的功能核心，其性能和结构直接决定了EMWAC的吸收效率和应用范围[54]、[55]、[56]。这些填料主要包括磁损耗填料（例如铁氧体[57]、[58]、[59]、羰基铁粉（CIP）[60]、[61]、[62]、金属纳米颗粒[63]、[64]、[65]）、介电损耗填料（例如石墨烯（GR）[66]、[67]、[68]、氧化石墨烯（GO）[69]、[70]、[71]、碳纳米管（CNT）[72]、[73]、[74]、碳化硅纤维（SiC）[75]、[76]、[77]、MXenes[78]、[79]、[80]和钛酸钡[81]、[82]），以及磁介电协同复合填料（见图2）。吸波填料通过介电损耗、磁损耗和协同效应将入射的电磁波能量转化为其他形式的能量（热能和机械能），从而防止电磁波的反射和散射，最终实现吸波和降噪的目的[83]、[84]、[85]。辅助组件，如分散剂、耦合剂、消泡剂和专用固化剂，确保吸波填料在树脂基体中的均匀分散，防止聚集，并形成有效的渗透网络。它们还通过化学或物理相互作用增强填料与基体之间的界面结合，从而提高吸波性能和机械耐久性。此外，它们还可以根据不同的应用过程调整流变性能，并提供环境稳定性（例如耐湿性、耐热性、抗紫外线辐射和耐腐蚀性），确保长期性能的稳定性。

EMWAC的应用已迅速扩展到除军事隐身之外的多个高科技领域。在国防和安全领域，高性能EMWAC是实现军事平台雷达隐身的核心技术，能有效降低雷达截面积（RCS），从而直接影响战场生存能力和穿透能力[86]、[87]、[88]、[89]。在航空航天领域，面对极端条件和复杂的电磁环境，EMWAC为卫星、空间站和高超音速飞行器提供了关键的电磁干扰（EMI）抑制和电磁兼容性（EMC）保护，减少了内部电子系统之间的相互干扰，并屏蔽了太阳风暴和高功率微波等强烈的外部电磁辐射源[43]、[90]、[91]、[92]、[93]。这确保了在极端条件下机载精密导航、通信和传感设备的可靠运行，这对飞行安全和任务成功至关重要。随着5G/6G通信技术的快速发展，工作在毫米波和太赫兹频率范围内的EMWAC对于保证通信质量和信息安全至关重要，在基站屏蔽和终端设备中的电磁干扰吸收方面也有广泛应用[94]、[95]、[96]、[97]、[98]、[99]。同时，随着电子设备向小型化和高集成密度发展的趋势，EMWAC在抑制电路板之间的串扰、减少电磁辐射污染和提升信号完整性方面发挥着关键作用[100]、[101]、[102]。

尽管在EMWAC研究方面取得了显著进展，但现有研究主要集中在吸波填料的电磁参数和损耗机制上，往往未能系统地解决包括结构设计、界面调节以及从整体涂层系统性能角度出发的填料-基体协同作用等关键技术问题。此外，目前的大部分工作集中在实验室规模的吸波填料合成和表征上，忽视了实际工程挑战，如工艺兼容性、环境耐久性和可扩展制造。因此，本文以EMWAC系统作为分析单元，从基体和填料到结构设计逐步展开分析，系统地探讨了各个组件和结构如何协同调节性能。重点关注了树脂基体的改性策略、不同类型吸波填料的电磁响应机制，以及微观和宏观结构（如渐变结构和多孔结构）对阻抗匹配和损耗能力的提升效果。最后，本文指出了该领域持续存在的挑战，包括可扩展制造、环境耐久性、薄层宽带兼容性和智能响应性，并提出了下一代高性能、多功能和轻量化的EMWAC的发展方向。本综述旨在为进一步研究提供理论基础和技术路径。

部分摘录

微波吸收理论

EMWAC的核心目标是在最大化吸收入射电磁波能量的同时，最小化反射和传输。EMWAC的工作原理基于麦克斯韦方程和电磁波的电磁参数，特别是复相对介电常数（ε）和复相对磁导率（μ），其中介电常数的实部（ε′）和磁导率的实部（μ′）决定了EMWAC的电磁波吸收能力。

树脂基体设计

树脂基体不仅仅是被动粘合剂，还是决定EMWAC性能的关键组成部分，其分子结构和流变性能直接影响吸波填料的均匀分散和连续相的形成。通过确定基线复介电常数，它影响阻抗匹配特性（见第2.1节）。

结论与展望

本综述系统地探讨了EMWAC在协同损耗机制和阻抗匹配设计方面的最新进展，旨在将基础理论与实际涂层系统、填料设计和结构工程紧密联系起来。以“填料-基体-结构”多层次系统为主线，首先阐明了基础理论，包括传输线理论、介电和磁损耗机制，提供了微观物理基础。

CRediT作者贡献声明

曹文斌：撰写 – 审稿与编辑。吴浩：撰写 – 审稿与编辑，项目管理。吴金：可视化、软件开发、研究。高梦：可视化、软件开发、研究。黄星：可视化、软件开发、研究。朱庆伟：验证、软件开发、研究。宁玉洁：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化、软件开发、方法学研究、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。