吸波材料——電磁波的隔離與過濾

在我們身邊，電磁波無處不在。手機沒信號的時候，為找不到電磁波苦惱；打開微波爐的時候，又害怕釋放的電磁波把我們給「燒壞」了。電磁波應用領域中，電磁波的增強和削弱是兩個難捨難分的「冤家」。

電磁波的傳輸勢必伴隨著電磁波與周圍環境的相互串擾，信號越強，干擾往往越大。因此，如何消除電磁波的干擾成為電磁波應用領域的一個重要問題。

如何隔離電磁波？不讓出去、不讓進來，以及有去無回

電磁波干擾問題的場景大致可以分為以下三種：(a)無泄漏型；(b)無透射型；(c)有去無回型。三種場景示意如圖1。

a場景要求電磁波源產生的電磁波不能泄露到盒子（即某一區域）外面；b場景要求盒子外部電磁波無法進入盒子內部；c場景要求盒子內或盒子外產生的電磁波到達盒子表面時，不僅不能穿過盒子，還要求反射電磁波（圖1c中藍色箭頭所示）為零（儘可能的小）。其中，以c類場景要求難度最大。

實際應用場景可能為三種形式的結合，更為複雜。通俗的說，電磁波的去干擾過程就是電磁波的隔離過程。

圖1 電磁波干擾的三大場景

吸波材料：電磁波隔離的「中堅力量」

電磁波的隔離主要通過吸波材料來實現。場景a和場景b為電磁波隔離的常規模式，像常規手機屏幕、數碼相機電路板等所產生的電磁干擾就屬於該類型（如圖2所示），主要通過導電材料（銅箔、鋁箔、導電高分子、石墨烯等）和高導磁材料（FeSiAl、硅鋼等）基本可以滿足應用需求。

場景c為電磁波隔離的複雜模式，這類場景常用到的吸波材料多數為複合材料，如羰基鐵、碳材料、鐵氧體、高分子等複合材料均可用作c場景吸波材料以滿足各種具體場景的應用需求。

實際應用中，吸波材料必須兼具材料（塗層）厚度小（薄）、密度小（輕）、吸收頻帶大（寬）、吸收強度高（強）四大特點，其中如何拓寬吸波材料的吸收頻帶是當前吸波材料關注的熱點。常用電磁波頻段從米波（~MHz）到毫米波（~GHz），再到太赫茲電磁波（~THz）都有著廣泛的應用。

當前，以5G通訊技術為代表的先進通信技術，將通信頻段從700 MHz拓展到6GHz甚至到毫米波。一方面，工作頻率的提升，將通信基站壓縮到了一個手提箱大小，電磁信號之間的干擾增強；另一方面，手機等信號接收端需要增加新的天線，進一步縮減了接收端的設計空間，電磁信號之間的干擾作用進一步增強。這些實際應用情況的出現，不僅要求吸波材料更薄，還要求吸波材料吸收頻帶更寬。

為了讓一種吸波材料儘可能多的滿足多頻段電磁波吸收的需求，寬頻吸波材料成為一種首選。然而，這並不是一件很容易的事情。

圖2 吸波材料常用領域

新材料，多層結構吸收寬頻帶電磁波

為了解決吸波材料的寬頻吸收問題，中科院寧波材料所的科研人員通過數字模擬技術設計並製備出了一種可以吸收寬頻帶電磁波的多層結構，如圖3所示。該多層結構利用碳納米管的高導電性以及其在複合薄膜中形成的導電網格，實現了電磁波的頻段分離，通過電磁波的分頻段吸收實現電磁波的寬頻吸收。

其電磁波吸收原理為：吸收層1設計為能夠吸收高頻段電磁波的材料，吸收層3設計為能夠吸收低頻段電磁波的材料，吸收層2經過模擬計算設計成具有隔離高頻段電磁波和低頻段電磁波功能的隔離層，從而實現電磁波的分頻段吸收。因此，該結構的關鍵在於電磁波隔離層的設計。

本工作基於碳納米管的高導電性和導電網路的特殊微觀結構，可實現電磁波頻段隔離，從而實現長波段和短波段電磁波的同步吸收。最終，以2.4mm的厚度實現了將近13GHz頻寬（涵蓋了C、X、Ku三個主流頻段）的吸收，電磁波能量吸收強度達到90%以上。

圖3 電磁波過濾的層狀結構

這種多層結構大大拓寬了電磁波吸收頻帶，同時厚度也比同等性能的材料更薄。可以預期，如果能進一步降低吸收層1和吸收層3的厚度，這種多層結構的整體厚度也能進一步降低，能更好的滿足電子設備及器件的小型化應用需求。如果能夠實現電磁波過濾層的可控調製，實現更多頻段的隔離，就能實現更寬頻段的電磁波吸收，進而滿足寬頻化的應用需求。

來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所，語音合成技術由科大訊飛提供

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