吸波材料在物联网技术中的应用研究

　　史旭丹

　　（苏州工业园区工业技术学校，江苏 苏州 215000）

　　摘要：文章主要综述吸波材料的进展和最新发展情况，指出吸波材料研究不仅在军事上有重大意义，而且对物联网的四大技术领域都有重要作用，对物联网的开发起着推进作用。目前，吸波材料已向产品化方向发展，且应用范围不断扩大，有极大的潜在市场。

　　关键词：吸波材料；物联网；传感设备　　文献标识码：A　　中图分类号：TN27

　　文章编号：2096-4137（2022）18-32-03　　DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2022.18.10

　　随着物联网电子设备在军事、通讯、医疗、交通等领域的广泛应用，电磁干扰和电磁辐射问题日益加剧。电磁吸波材料可以将进入材料内部的电磁波能量转化为热能或其他形式的能量耗散掉，是一种直接有效的电磁污染防控手段。因此，国内外学者围绕高性能吸波材料的开发及应用进行了大量研究。其中，吸波材料铁氧体在工业中应用广泛。在抗电磁干扰中，铁氧体是一个十分重要的角色。近年来，吸波材料在高速发展的RFID 物联网系统和NFC 短距离电子支付系统的读写器及标签和在金属材质的一体化安装环境中发挥着显著的隔离干扰作用。

　　1　物联网

　　1.1　物联网定义

　　Internet of Things 也称Web of Things，是指通过各种信息传感设备，如传感探测技术、射频识别技术、全球定位系统、终端设备等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。

　　1.2　物联网主要组成技术

　　当前，物联网正在全球范围得到发展和应用，它的主要组成技术有四大类。第一类技术是传感探测技术，包括红外传感、声传感、湿度传感、温度传感、气体传感以及电磁辐射传感。要实现物联网，首先要探测到信号，其次是要把这个信号送出去，也就是第二类技术，利用射频识别技术发射信号。第三类技术是全球定位系统，提供实时的、全天候的、全球性的导航服务。第四类技术是终端设备，是用于信道两端收发信号的通道设备，将采集到的信号进行处理后返回给相应设备或人员。

　　2　吸波材料

　　2.1　吸波材料

　　从字面来看，吸波材料适合广泛的频段。最早应用的吸波材料应当是声波，如任何一个剧场、电影院，它的墙面都会使用一些吸音材料，以此减少声音的反馈，这就是一种吸音材料，但它是声波。现在谈的吸波材料是指在电磁波频段，包括一部分红外光波段，主要是指吸收电磁波能力，把电磁波的能量转化为其他能量的一种材料，如空中无处不在的电磁波、发射的雷达。如果能够把雷达发射的电磁波吸收掉而没有反射，这个雷达就不可能探测到这个目标。这就是隐身技术的物理基础，这个物体就必须能够吸收电磁波。

　　2.2　吸收电磁波方法

　　从物理学上讲，有两个办法吸收电磁波。第一个办法是从结构外形上吸收电磁波，即电磁波打到物体表面以后没有反射，也就是要求物体表面达到光滑。第二个办法是从材料上能够把电磁波吸收掉，这就是吸波材料。吸波材料必须解决两个问题：一是电磁波能进去，二是吸收电磁波后要能高效率地吸收。

　　2.3　吸波材料设计

　　吸波材料主要由吸收剂和基体材料组成，吸波材料的设计需要考虑三项内容。

　　2.3.1　频宽设计

　　频宽设计由透波材料决定，透波材料构筑了吸波材料的基体，透波材料在吸波体中担负着传输电磁波通道的作用，未来拓展吸收频宽应保持吸波体基体的连续性和传输通道网格化，透波材料的连续与贯通对拓展电磁波的吸收频率极为有利。与入射电磁波相垂直的断面尺寸以及内部传输通道的发达程度，不仅对拓展频宽极为有利，也可为吸收效能的提高创造了先决条件，因此在吸波体设计中应该优先注重拓展频宽的作用。

　　2.3.2　吸收效能设计

　　吸波剂承担着吸收电磁波的任务，吸波剂的形状（微粒、纤维、薄片）大小及分布对吸收效能有重要影响，沿着透波通道均匀分布的导电材料能最大限度地发挥吸收效能，如果吸波的粒子或纤维占据或堵塞了电磁波的传输通道，将会引起电磁波反射，导致电磁波不能透入到被占据处，此处以及后续的吸波剂非但不能发挥吸收电磁波的功能，反而会增大吸波体的厚度，如果导电粒子或者纤维只是缩小了电磁波的传输通道的有效截面，将会缩小频率范围，进而降低吸收效能。

　　2.3.3　形状或厚度设计

　　利用结构设计可以实现电磁波的多次反射、谐振，从而增大吸收效能，也可以利用透波材料将电磁波引入具有较大空间夹层（CAH 系列角锥）中，装在夹层内部的大量吸波材料可以充分地发挥吸收功能。

　　2.3.4　组成

　　透波材料和吸收剂的有机搭配解决了阻抗匹配、吸收效能、吸波体厚度的问题。

　　2.4　吸波材料分类

　　2.4.1　外形分类

　　尖劈型吸波材料、块状吸波材料、胶板吸波材料、蜂窝型吸波材料、泡沫型吸波材料、涂层吸波材料等。

　　2.4.2　损耗机理分类

　　按材料的不同，电磁波的损耗机制可分为电损耗型和磁损耗型两类，而电损耗型又可细分为电阻损耗型和介电损耗型。电阻损耗型材料在通过电介质中电场传输过程中也有损耗，与电场相互作用吸收电磁波，电磁能大部分衰减在材料的电阻上，如炭黑、石墨、碳纳米管、导电高聚物等均属于电阻型；介电损耗型材料主要通过介质的电子极化、分子极化或界面极化等效应吸收电磁波，钛酸钡、碳化硅、氮化硅等就是其中的典型代表；而磁损耗型材料主要靠磁滞损耗、畴壁共振损耗、铁磁共振损耗及涡流损耗等多种机制吸收和衰减电磁波，这类材料主要有铁氧体、羰基铁、超细金属粉、多晶铁纤维等。

　　3　吸波材料在物联网主要组成技术中的应用

　　3.1　吸波材料在传感探测技术中的应用

　　吸波材料在雷达探测领域、红外探测领域均有应用。探测方面，如滩地的雷达采用吸波材料后，滩地雷达天线的指向更明确，探测深度也会增加，成像效率也会提高。被探测方面，修的掩体先用一层吸波材料，避免被探测到的危险，这也是一种对抗与反对抗，这是一个很简单的逻辑关系—— 探测与反探测。再如红外传感器，特别是夜视的红外传感，采用吸波材料后能吸收红外，隐蔽性更好。

　　3.2　吸波材料在射频识别技术中的应用

　　在RFID（125kHz，13.56MHz）设备中，回型天线标签要集成或贴合到电子设备中，作为读卡部件发挥功能，往往因空间有限而不可避免地要将RFID（125kHz，13.56MHz）标签贴在PCB 板或电池等金属物体表面。这样回型天线标签在读卡器发出的信号作用下激发感应出的交变电磁场，很容易受到金属的涡流衰减作用，而使信号强度大大减弱，导致读取过程失败。因此，为了使产品能够更好地应用读卡，需要在产品中增加抗金属吸波材料，用于改善RFID 读写器、标签在金属上的接收灵敏度。

　　3.3　吸波材料在GPS 全球定位系统中的应用

　　GPS 实现导航的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据，即可确定接收机的具体位置。若GPS 内不同芯片之间存在电磁干扰，或受到外界的电磁干扰就会使设备无法正常工作，出现导航错误或者导航致盲等状况。吸波材料可以压制电源干扰，贴合在芯片压制马达干扰，贴合在线路板以及缠绕线缆上减少辐射途径。压制二次电源电磁干扰，可使用吸波材料将内外两侧空间进行电磁隔离，可解决小型监测无人机电源模组干扰GPS 的问题，解决辐射超标、元器件互相干扰的问题。当无人机GPS 系统因电池产生变化的大电流时，会发生电磁干扰，使GPS 系统受到干扰，致使准确度和灵敏度都出现问题。这时需要发挥吸波材料的功能，将吸波材料贴在干扰源上或对电磁波敏感的芯片上，防止电磁波干扰让设备内实现 EMC。

　　3.4　吸波材料在终端设备中的应用

　　传统模式下，将一个大设备装在机箱里，通常是用金属外壳装起来防止电磁泄漏。现在由于频率越来越高，波长越来越短，渗透的概率增大。很多机柜中使用吸波材料，如交换机、高频设备的机壳上就使用了吸波材料，防止电磁干扰。

　　4　吸波材料的其他应用

　　随着现代科学技术的发展，电磁波辐射对环境的影响日益增大。在机场，飞机航班因电磁波干扰无法起飞而误点；在医院，移动电话常会干扰各种电子诊疗仪器的正常工作。吸波材料是一种对电磁波具有优异吸收能力的复合材料，是将合金通过物理细化和磁场处理形成高磁导率的磁性合金，并将其均匀分散在高分子中形成的复合材料。

　　吸波材料可用于数码相机、无线充电器、航天军工、智能机器人、无人机、物联网等高端装配制造业，还可用于着落灯等机场导航设备。将吸波材料应用于各类电子产品，如电视、音响、VCD 机、电脑、游戏机、微波炉、移动电话，可使电磁波泄漏降到国家卫生安全限值（10 微瓦/ 平方厘米）以下，确保人体健康。将其应用于高功率雷达、微波医疗器、微波破碎机，能保护操作人员免受电磁波辐射的伤害。

　　随着吸波材料的快速发展，有些吸波材料已经广泛应用于发达国家的武器系统中，并作为军事领域中首要的高科技被列为战略竞争的基本要素。优良的吸波材料应具备强吸收、轻质、宽频和结构简单的特点，而目前的吸波剂还很难达到上述要求。所以，要继续探索新型吸波材料，特别是碳吸波剂，对于轻质的要求可能会取得突破。

　　作者简介：史旭丹（1984-），女，江苏常州人，苏州工业园区工业技术学校讲师，研究方向：物联网。

　　参考文献

　　[1]刘丹莉，刘平安，杨青松，等．吸波材料的研究现状及其发展趋势[J]．材料导报，2013（17）：74-78．

　　[2]崔玉理，贺鸿珠．吸波材料的研究现状及趋势[J]．上海建材，2011（1）：20-23．

　　[3]郭小芳，王长征，吴世洋．吸波材料的研究现状与发展趋势[J]．甘肃冶金，2010（4）：48-50．

　　[4]邱琴，张晏清，张雄．电磁吸波材料研究进展[J]．电子元件与材料，2009（8）：78-81．

　　[5]张亚君，殷小玮，张立同，等．吸波型SiC陶瓷材料的研究进展[J]．航空制造技术，2014（6）：113-118．

　　[6]唐欣．氧化物基磁性复合材料的制备和电磁性能研究 [D]．上海：上海交通大学，2007．

　　[7]来侃，陈美玉，孙润军，等．吸波材料在雷达隐身领域的应用[J]．西安工程大学学报，2015（6）：655-665．

　　（责任编辑：葛　佳）

关注读览天下微信， 100万篇深度好文， 等你来看……