Самые ранние материалы, поглощающие микроволновое излучение (MAM), были изготовлены в начале 20 века для военных целей, чтобы препятствовать обнаружению радаров. В настоящее время применение MAM существует во всех сферах жизни человека для предотвращения излучения и помех. В работе представлены микроволновые поглощающие и микроволновые поглощающие покрытия, классифицированные по составу, включающие сплавы, оксиды металлов, проводящие полимеры, углеродные материалы, керамические материалы как в традиционных, так и в инновационных формах. Учитывая суровые и сложные условия применения, используются MAM с высокой термостойкостью и инфракрасно-совместимыми скрытыми характеристиками. Метаматериалы, демонстрирующие превосходные электромагнитные свойства, которые намного превосходят возможности материалов, в том числе идеальные поглотители, управляющие метаматериалы с цифровым кодированием, бионические конструкционные материалы и регулируемые интеллектуальные метаматериалы, также специально представлены в этой работе. Кроме того, для исследования электромагнитного отклика абсорбента рассмотрены расчеты из первых принципов. В этой работе участвуют электромагнитные свойства, механизмы потерь, структура, метод изготовления, подходы к регулированию, принципы проектирования, текущие приложения и будущие перспективы МАМ. В этой работе дается всесторонний обзор MAM с точки зрения их теоретических и экспериментальных достижений за последние годы, включая материалы-невидимки для военных радаров (диапазон частот 2–18 ГГц), соответствующие материалы-невидимки, совместимые с инфракрасным излучением (инфракрасно-видимый, инфракрасный радар, инфракрасный-лазер) и другие материалы-невидимки с многочастотной адаптируемостью.
Введение
MAM впервые были предложены в начале 20-го века для военных целей, первоначально применялись для коммерческого использования в период Второй мировой войны и быстро развивались в середине-конце того века. Материалы будут взаимодействовать с падающими на них электромагнитными (ЭМ) волнами в формах отражения, поглощения, пропускания, а также вторичного отражения и пропускания на основе оптических правил. MAM могут ослаблять и поглощать электромагнитные волны, преобразовывая электромагнитную энергию в тепловую или другую форму энергии, чтобы уменьшить отражение и передачу волны. В настоящее время MAM применяются во всех сферах жизни человека, включая противорадиационные устройства, здания, одежду и стелс-покрытия на боевых самолетах, военных кораблях, транспортных средствах и т. д., для защиты здоровья людей, предотвращения электромагнитных помех и избегания радаров. обнаружение. Чтобы удовлетворить растущие требования к MAM, были исследованы различные современные материалы. Безусловно, разработка МАМ невозможна без широкой поддержки со стороны других областей науки и техники, включая нанотехнологии, химию материалов, науку о полимерах, физику твердого тела, оптику, электромагнетизм и т. д. МАМ обычно состоят из абсорбента с эффективным ослаблением микроволн, и матричные материалы с хорошими свойствами пропускания волн [1–7]. Помимо типа материалов, механизмы потерь, состоящие из диэлектрических потерь, магнитных потерь и кондуктивных потерь, являются наиболее общим способом классификации абсорбента МАМ [8-11]. Поскольку микроволны можно рассматривать как сочетание колебательного взаимогенерирующего электрического поля и магнитного поля, распространяющихся в одном направлении, МАМ ослабляют и поглощают их за счет взаимодействия с одним или обоими из этих двух полей. Согласно уравнениям Максвелла, возмущение ЭМ поля, возникающее в результате взаимодействия с вещественной средой на любом из этих двух полей, может вызвать отклик на другом поле. Диэлектрические и кондуктивные потери являются характеристиками, непосредственно применяемыми к электронному полю для ослабления всего электромагнитного поля. Когда электромагнитная волна падает на немагнитный диэлектрический материал, в котором в процессе проводимости участвуют редкие электронные носители, связанные заряды и другие частицы притягиваются в аналогичном движении с очень ограниченным смещением, чтобы достичь состояния поляризации, но меняются местами и очень быстро восстанавливаются. быстрое, соответствующее осциллирующему электрическому полю. В этом повторяющемся процессе расположения частиц возникает рассогласование между движением и внешним ЭМ полем, что делает диэлектрическую проницаемость комплексным параметром (ε = ε′ − ε˝j).

Мнимая диэлектрическая проницаемость (ε˝) количественно определяет диэлектрические потери электромагнитной волны в этом процессе [1,12–14]. Действительная часть (ε′) количественно определяет потенциал без потерь, генерируемый материальной средой на электромагнитной волне, когда диэлектрические поляризованные частицы возвращаются в исходное состояние [15,16]. В общем, диэлектрическая поляризация возникает из-за связанных зарядов, атомов, ионов, определенных функциональных групп и чувствительна к границам раздела, дефектам, кристаллической структуре, примесям, форме частиц, размеру зерна, пористости, микротрещинам и ориентации кристалла. В то время как кондуктивные потери всегда возникают в проводящих материалах, большое количество свободных электронных носителей которых может образовывать наведенный ток под переменным ЭМ полем и выделять тепло для ослабления ЭМ энергии. Согласно теории Дебая, ε˝ = εp˝ + εc˝, где εp˝ = (εs − ε∞)ωτ/(1 + ω2τ2), εc˝ = σ(T)/ε0ω и σ(T) связаны к диэлектрическим потерям, кондуктивным потерям и электропроводности, зависящей от температуры, соответственно. Кондуктивные потери увеличиваются с увеличением электропроводности материалов, а также могут быть количественно определены мнимой частью диэлектрической проницаемости. Магнитные потери являются доминирующими механизмами потерь, возникающими в магнитных материалах, и представляют собой специфическое взаимодействие для магнитного поля. Подобно электрическим потерям (диэлектрические и кондуктивные потери), магнитные потери также могут быть выражены комплексной характеристикой, известной как комплексная магнитная проницаемость (μ = μ′ − μ˝j) [17]. µ˝ количественно определяет магнитные потери, вызванные вихревыми токами, естественным резонансом, потерями на магнитный гистерезис, резонанс доменной стенки, магнитное последействие и т. д. Из-за частотно-зависимого характера этих механизмов потери на магнитный гистерезис, резонанс доменной стенки, магнитным последействием можно пренебречь, а в гигагерцовом диапазоне частот в механизме потерь преобладают вихревые токи и собственный резонанс [17]. Поскольку потери на вихревые токи увеличиваются по мере увеличения электропроводности, магнитные сплавы всегда имеют огромные потери на вихревые токи. Помимо внутренних характеристик материалов, магнитные свойства МАМ также зависят от размера частиц, дефектов кристалла, внутреннего напряжения, формы частиц и т. д. Будут представлены более подробные сведения о магнитных характеристиках и механизмах магнитных потерь. Наиболее применяемыми MAM с преобладанием диэлектрических потерь являются немагнитные оксиды металлов, такие как ZnO, TiO2, MnO2 и BaTiO3, диэлектрическая керамика, такая как SiC, и другие неорганические неметаллические материалы, такие как SiO2. MAM с преобладанием кондуктивных потерь относятся к материалам с превосходной электропроводностью, таким как углеродные материалы [18,19] и проводящий полимер. MAM с преобладанием магнитных потерь часто содержат материалы с высокой проницаемостью, такие как магнитные сплавы и магнитный оксид металла. В токопроводящих материалах легко образовать большой ток проводимости. В то время как погоня только за большой проводимостью или диэлектрической проницаемостью обернется противоположностью, потому что огромная «разница», приводящая к несоответствию импеданса между материалами и свободным пространством, заставит большинство электромагнитных волн отражаться, прежде чем попасть внутрь материалов.

По этой причине, чтобы сбалансировать требование легкости, высокой поглощающей способности и широкой поглощающей полосы, материалы всегда используются в виде смесей и композитов. Кроме того, в этом обзоре также всесторонне обсуждаются подходы к улучшению характеристик MAM, такие как атомное легирование, проектирование состава, регулирование микроструктуры и т. д. Кроме того, МАМ часто приходится работать в суровых высокотемпературных условиях. Например, температура поверхности высокоскоростного самолета может достигать более 300 ◦ C, хотя на большой высоте температура некоторых критических частей, таких как реактивная труба двигателя и регулировочные листы, может достигать более 700 ◦ С. Как известно, электропроводность и магнитные свойства материалов сильно зависят от температуры. Кроме того, согласно упомянутой выше теории Дебая, τ как температурно-зависимая релаксация время будет влиять на процесс диэлектрической поляризации и диэлектрические потери [20–23]. Таким образом, термические свойства, включая стабильность при высоких температурах, стойкость к высокотемпературному окислению и свойства поглощения микроволнового излучения при высоких температурах, будут иметь решающее значение для МАМ в практическом применении. Мы также рассматриваем недавний прогресс для высокотемпературных MAM в этой работе, также обсуждаются факторы их влияния и перспективы развития. Современные численные методы позволяют исследовать электромагнитный отклик абсорбента посредством расчетов с использованием проверенных теоретических методов для поддержки их экспериментальных исследований. Диэлектрическую проницаемость и магнитную проницаемость можно исследовать, анализируя информацию о магнитном моменте, переносе заряда, электрическом диполе и т. д., которые существенно зависят от структуры и поведения электрона. Связь между электромагнитным откликом и поведением электронов включает интеграцию динамики атомных уровней, неравновесной термодинамики, физики дефектов и т. д., которые можно дополнительно исследовать с помощью расчетов из первых принципов, основанных на теории функционала плотности (DFT) [24–28]. В этой статье мы представим некоторые теоретические исследования. Помимо абсорбента, упомянутого выше, субволновая структура МАМ также играет важную роль в поглощающих характеристиках. Многие конструкционные поглощающие системы обладают превосходными поглощающими свойствами, намного превосходящими свойства тех же синтетических материалов. Благодаря специальной конструктивной конструкции структурные MAM могут уменьшить поперечное сечение отражения радара (RCS) и улучшить согласование импеданса, чтобы уменьшить отражение электромагнитной волны, сигнал электромагнитной волны, который может быть обнаружен радиолокационным устройством, также уменьшается. Чтобы улучшить обнаружение военных целей, инфракрасное обнаружение применяется вместе с радиолокационным обнаружением для поиска военных целей. Энергия инфракрасного излучения тесно связана с термодинамической температурой. Большинство объектов имеют более высокую температуру, чем фон, а МАМ на поверхности целей выделяют большое количество тепла при ослаблении электромагнитных волн, что позволяет легко обнаруживать их инфракрасным детектором. Кажется несовместимым, чтобы материалы обладали как хорошими характеристиками поглощения микроволн, так и низким коэффициентом излучения инфракрасного излучения.

В то время как было предложено множество подходов к изготовлению материалов-невидимок, совместимых с инфракрасными радарами, например, для разработки многослойных функциональных покрытий или для управления диапазоном инфракрасного излучения цели за пределами атмосферного окна. В этой статье также будут обсуждаться исследования стелс-материала с низкой излучательной способностью в инфракрасном диапазоне. Метаматериалы также являются разновидностью конструкционных материалов, обладающих неестественными электрическими и магнитными свойствами (то есть отрицательной или сверхвысокой диэлектрической и магнитной проницаемостью, которой нет в природных материалах), что в основном связано с их особой искусственной структурой. Периодическая структура помогает получить превосходные свойства поглощения микроволн, которые намного превосходят возможности материалов, даже некоторые материалы без потерь могут демонстрировать огромное поглощение микроволн. Эффективная диэлектрическая и магнитная проницаемость МАМ могут регулироваться путем проектирования единой массивной структуры. По сути, метаматериалы уменьшают отражение электромагнитных волн за счет улучшения согласования импеданса между материалами и свободным пространством и увеличивают поглощение за счет электрического и магнитного резонанса между элементами массива в структуре. В настоящее время исследования метаматериалов, применяемых в качестве MAM, таких как невидимый плащ и широкополосные адаптируемые MAM, привлекли большое внимание. В последнее время природные существа вдохновили исследователей на разработку бионических структурных метаматериалов, чтобы получить широкополосное поглощение, которое охватывает даже несколько электромагнитных диапазонов. Помимо традиционного метаматериала без аналоговой схемы, в последние годы предлагаются усовершенствованные метаматериалы, такие как метаматериал активной аналоговой схемы с регулируемой интеллектуальной производительностью. Этот обзор ограничится в первую очередь МАМ военного назначения, основное внимание будет уделено материалам-невидимкам для военных радаров (диапазон частот 2–18 ГГц), задействованы материалы-невидимки, совместимые с инфракрасным излучением (инфракрасно-видимое, инфракрасно-радиолокационное, инфракрасно-лазерное), и другие материалы-невидимки с многочастотной адаптируемостью. В конечном счете, масштабы и сложность этой области пугают и потребуют огромное количество глобальных исследовательских усилий, которые должны быть всесторонне объяснены. Поэтому этот обзор ни в коем случае не является исчерпывающим списком, мы лишь сфокусируем его на ряде интересующих нас MAM-систем. Многие системы упоминаются лишь поверхностно. Технологические революции быстро совершенствовались за последние сто лет и, вероятно, будут развиваться с большей скоростью в следующие сто лет, если это позволяют универсальные свойства.
…………
Заключение
Этот обзор ограничивается главным образом модулями MAM, работающими в диапазонах 2–18 ГГц. В настоящее время представлены наиболее часто исследуемые МАМ, включая углеродные материалы, оксиды металлов, керамические материалы, проводящие полимеры и сплавы. Также задействованы MAM, применяемые для суровых высокотемпературных условий, для целей, совместимых с инфракрасным излучением, и метаматериалы для многодиапазонной совместимости. Мы представляем MAM с точки зрения их электромагнитных свойств, механизмов потерь, структуры, метода изготовления, подходов к регулированию, принципов проектирования, текущих приложений и будущих перспектив, которые касаются многих областей науки и техники, включая нанотехнологии, химию материалов, науку о полимерах, физику твердого тела, оптика, электромагнетизм и т. д. Таким образом, всесторонний обзор теоретических и экспериментальных достижений MAM за последние годы можно резюмировать следующим образом: 1. Интеграция двух или более видов материалов является полезной стратегией для достижения выдающихся характеристик поглощения. , который был посвящен настройке электромагнитных параметров и настройке характеристик согласования импеданса. Значительные синергетические эффекты и улучшенный межфазный интерфейс могут быть получены путем объединения магнитных (сплавы, ферриты, оксиды металлов), диэлектрических (керамика, MnO2, ZnO) и проводящих материалов (проводящие полимеры, углеродные материалы) через гетерогенные электромагнитные связи. 2. Микроструктура значительно влияет на характеристики поглощения микроволн. Модификация поверхности, термообработка, атомное легирование, шаровая мельница, химический контроль и т. д. используются для регулирования микроструктуры. Сплавы с чешуйчатыми частицами, демонстрирующие большую анизотропию формы, могут иметь большую проницаемость и лучшие характеристики поглощения электромагнитного излучения, чем другие сплавы. Некоторые материалы со структурой нанопроводов, нанотрубок, наностержней и ядра-оболочки могут обеспечивать уникальный электрический транспорт или возбуждающее излучение. Структура сети, состоящая из различных наночастиц, может увеличить удельную площадь поверхности материала и улучшить потери проводимости, что связано с миграцией активированных электронов в сети. 3. В настоящее время для изучения и оптимизации высокотемпературных диэлектрических свойств чаще всего используются керамические и углеродные материалы. Керамические материалы устойчивы к высоким температурам, коррозии, окислению и т. д., обладают высокой прочностью, модулем, твердостью за счет ковалентной и ионной связи. Кроме того, материалы, поглощающие высокие температуры в суровых условиях, должны обладать хорошей структурной стабильностью, стойкостью к окислению и температурной стабильностью диэлектрической проницаемости. HEA является одним из новых кандидатов на использование MAM в условиях высоких температур. При этом основной причиной, ограничивающей применение сплавов при высоких температурах, является их низкая температура Кюри. Контроль состава, модификация материала и оптимизация структуры могут быть использованы для улучшения магнитных свойств сплавов. 4. Расчет из первых принципов является одним из наиболее широко используемых методов для анализа энергии, электронных свойств, магнитных свойств, информации о структуре, взаимодействий микрочастиц и т. д. Они в основном сосредоточены на объяснении различий в диэлектрических характеристиках между дефектной моделью и моделью. модели происхождения, а также о магнитных материалах для анализа двойникования при фазовом переходе путем оценки энергии дефекта упаковки и температурно-зависимой фазовой стабильности различных структур. 5. Помимо состава абсорбента, его микроструктура, толщина покрытия и структура покрытия также могут влиять на характеристики поглощения микроволн покрытием. Метаматериалы представлены для получения превосходных свойств поглощения микроволн, которые намного превосходят свойства материалов, которые могут быть достигнуты, даже некоторые материалы без потерь могут демонстрировать огромное поглощение микроволн. Благодаря проектированию структуры, цифровому кодированию и активному контролю метаматериалы могут демонстрировать многодиапазонную совместимость при поглощении микроволн.