随着现代工业化和数字化的推进，电子设备的发展较快。许多电子设备已经提出电磁干扰的问题，即电子元器件产生的电磁辐射对外界的干扰，简称电磁干扰(EMI)[1-2]。同时人们越来越关注电子产品产生的辐射对人体的潜在危害。传统的电磁屏蔽材料只能对电磁波达到屏蔽效果，电磁波射入到材料表面被反射而不是吸收，有可能会造成电磁波的二次污染[3-5]。因此，吸波材料引起研究者的关注，吸波材料通过表面反射电磁波、内部吸收和消散电磁波或两者组合，以最大限度减少电磁波的产生[6]。材料吸波效果通过回波损耗(RL)参数表示。强度和韧性是高性能复合材料的两个基本性能，并决定其应用领域和使用寿命[7]。碳纤维(CF)表面化学反应较弱，导致CF复合材料的界面强度和韧性较差。目前，已有相关策略对CF进行表面改性，以改善CF复合材料的界面性能[8-9]。碳纤维增强复合材料(CFRP)界面强度和韧性存在矛盾，改善其中一种性能往往导致另一种性能下降[10]。因此，构建既具有较高强度又具备良好韧性的界面对于CFRP是一项复杂的任务。本研究介绍了吸波材料的作用机理和电磁波损耗机理，从CFRP改性和CFRP表面涂层处理两方面综述了近年来国内外CFRP吸波改性的研究进展。并探讨了影响v屏蔽性能和力学性能的各种因素，指出了新型CFRP吸波材料的未来前景和研究方向。1微波吸收机理1.1吸波材料作用机理图1为电磁波入射物体表面的过程。从图1可以看出，电磁波入射到物体表面会发生反射、折射、散射等情况。吸波材料指的是能够吸收或者大幅减弱其表面接收到的电磁波能量[11]，并且反射、折射和散射都很小的一类材料，从而减少电磁波的干扰。为实现有效吸波，吸波材料必须满足两个基本条件[12-13]：匹配特性和衰减特性。通常阻抗匹配反映入射电磁波发生反射的能力[14]，衰减系数α为单位长度上电磁波的衰减能力，是指吸波材料能够吸收电磁波的程度。吸波材料应该能够在所需的频率范围内吸收大部分的电磁波能量，并将其转化为其他形式的能量[15-16]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.021.F001图1电磁波入射物体表面的过程Fig.1The process of electromagnetic wave incident on the surface of the object1.2电磁波损耗机理1.2.1反射损耗反射损耗是对电磁波进行反射达到目的，而有效的反射屏蔽是能够反射大部分的入射波[17]。反射损耗是由带电粒子在传导材料中与电磁场的交互作用引起的，损耗能量与材料的电导率(σr)以及相对于真空的磁导率(μr)的大小有关，一般来说，吸波材料的电导率越大，磁导率越小[18]，电磁波产生反射损耗的比例越大。1.2.2介电损耗当电磁波作用于介电材料时，电介质中的导电载流子在一个外加电场的作用下形成一种传导的电流，并将电能转换成热量，从而产生介电损耗[19-20]。介质损耗正切值(tanδe)计算公式为：tanδe=ε'' ε' （1）此外，在大多数吸波材料中，极化弛豫现象也比较常见。根据经典德拜理论，通过分析ε'和ε''之间的关系，使用Cole-Cole图像分析包含偶极极化和界面极化的弛豫过程[21]。根据经典德拜方程消去ωτ，得到的公式为：(ε'-εs-ε∞2)2+ε''2=(εs-ε∞2)2 （2）由式（2）推断出ε′对ε′′的曲线应为半圆形，即Cole-Cole曲线，Cole-Cole半圆越大，极化弛豫过程越强。2CFRP改性2.1磁性金属改性吸波材料CFRP金属改性吸波材料本质是提高其吸波性能，以满足广泛的应用需求。现有的解决措施主要涉及金属配位聚合物、前驱体一步碳化法[22]等，通过引入金属离子或前驱体中的金属材料，形成金属纳米颗粒或化合物，改善材料的磁性、界面极性、介电性等性质，从而提高吸波性能[23]。金属配位聚合物是一种常用的金属改性方法。该方法利用金属溶液中游离金属离子生成配位物，形成具有一维、二维或三维结构的无机聚合物的分子笼[24-25]。Cheng等[26]用单宁酸(TA)溶解于FeSO4·7H2O获取TA-Fe2+。TA-Fe2+纳米网络对Fe2+有一定的固定作用，提高材料对Fe2+的吸附能力，还原得到的铁纳米离子引入磁损耗，并且改善界面极性，使得材料具备一定的吸波性能。Gao等[27]利用金属配合物研制出一种具有磁性的Fe3C的二维CFRP，Fe3C可以显著改善复合材料的磁性能。在13.53 GHz下，Fe3C含量为10%的情况下，该材料的反射损耗为-46.78 dB，有效的吸收频带为5.01 GHz。材料良好的吸波特性与界面极化、碳材料的介电性、Fe3C的磁性等因素有关。除了通过配合物引入金属外，可利用前驱体一步碳化改性CFRP，金属材料前驱体通过化学反应引入CFRP基体中。2.2纳米改性为进一步改善CFRP的吸波性能，一些学者提出用碳纳米管(CNTs)、纳米纸、石墨烯等材料对CFRP进行改性。在所有吸波材料中，CNTs具有高介电损耗正切角、纵横比、力学强度和量子效应等特点[28-29]。表1为具有优异微波吸收性能的碳纳米纤维增强复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.021.T001表1具有优异吸波性能的碳纳米纤维增强复合材料Tab.1Excellent wave absorption properties of carbon nanofiber reinforced composite样品填料含量/%RLmax/dB厚度/mm频率/GHZ带宽/GHZ文献来源CeO2/MWCNT45.0-51.102.68.903.40Wu等[30]LaOCl/LaFeO3 CFs4.0-40.102.017.206.40邢岩等[31]Co/CNF3.0-43.604.57.903.30魏武超等[32]Co nanoparticle/C7.0-31.001.515.704.50张飒等[33]CoFe2O4/CNT8.0-46.651.514.404.91Liu等[34]SmCo@SWCNTs/Ni0.5Zn0.5 Fe2O420.0-31.202.013.205.50Duan等[35]Fe/MWCNT/SiO220.0-41.301.29.803.80Zhou等[36]Co@NCNT10.0-21.002.04.965.28Zeng等[37]CNT/BaFe12O192.0-43.901.512.603.90Wang等[38]CNT/Fe3O442.4-35.903.07.124.32Ren等[39]尽管CNTs是一维纳米材料，但CNTs具有金属和半导体的特性，电子可以沿管轴运动，导电程度取决于管壳中碳原子的直径和管的螺旋度[40]。Hu等[41]报告直径为7 Å的CNT将显示超导特性。Zhang等[42]开发一种在3D纳米多孔碳(NPC)上形成由双金属碳化物Ni3ZnC0.7和CNTs复合而成的分级结构Ni3ZnC0.7/CNT/NPC增强复合材料。结果表明：Ni3ZnC0.7/CNT/NPC增强复合材料表现出超强反射损耗(-66.6 dB)和高达7.04 GHz的吸收带宽。Zhan等[43]采用快速感应加热法制备的CNTs/CF复合材料质量轻、柔韧性好，满足增强材料的基本要求。由于CNTs形成致密的空间导电网络，在14.16 GHz下反射损耗达到峰值-44.46 dB，吸收带宽达到7.44 GHz，包含了全部X波段和1/4 Ku频段。将各种吸波剂与基体复合制备的吸波材料维护成本高、力学性能差[44]。随着纳米技术的不断发展，纳米纸因具有均匀、连续、高韧性等优点，是一种新型的吸波材料，国内外学者对其进行了初步研究[45-46]。卢少微等[47]将Fe3O4纳米粒子接枝到CNTs上制备Fe3O4-MWCNTs杂化碳纳米纸复合材料。通过分析电磁特性，发现外贴一层杂化碳纳米纸（厚0.1 mm）后，碳纳米管共混复合材料的磁损耗明显增加，在8.2~18 GHz微波频段内吸波反射率基本小于-10 dB（频宽大于9.7 GHz），在15.42 GHz位置，反射损耗峰达-43.18 dB。目前，CFRP吸波材料纳米改性仍存在一些潜在问题，例如，纳米材料引入可能导致材料力学性能差、吸波剂分布缺乏均匀性、吸收带宽有限等，可以通过优化纳米材料的添加方式，以保证其分布均匀，并且不会对基体材料的力学性能产生不良影响。2.3表面结构改性三维多孔体系具有特殊的优点而受到研究者的重视，其表面积大、孔隙丰富，与碳骨架连接形成了良好的阻抗匹配，从而实现对入射波的多次反射[48]。以往研究表明，具有三维多孔结构的CFRP具有优异的电磁波吸收性能[49]。Liu等[50]制备了具有开放网状结构的N掺杂石墨烯多孔泡沫(NGF)，有助于偶极弛豫损耗，而石墨加入导致NGF电导率增强，导电损耗增加。与传统的二维材料相比，三维结构中除单个石墨烯片上的电子迁移外，相邻石墨烯片之间还存在电子跳跃，这增加了复合材料的导电损耗。当填料含量为5%时，NGF的RLmin为-53.9 dB，相应的吸收带宽为4.56 GHz。Chen等[51]采用单向冷冻铸造法制备具有定向结构的3D多孔石墨烯泡沫增强复合材料。在材料内部，石墨烯片几乎平行地组装在一起，形成排列整齐的孔隙。通过优化排列孔隙与入射电磁波的耦合，NGF具有超高电磁波吸收性能，RLmin为-65 dB。蜂窝状吸收材料是一种具有代表性的结构型吸波材料，具有密度低、电磁性能优异、比强度高、比刚度大等优点[52]。蜂窝状吸收材料加入后，复合材料具有优良的力学性能，同时还具有电磁波吸收的能力。蜂窝结构吸波材料通常由透射层、反射层和轻质吸波蜂窝芯组成，蜂窝芯作为吸波功能层，直接决定吸波性能，被认为是改善CFRP吸波性能的重点研究方向[53-54]。Khurram等[55]用碳粉作为吸收填料制造蜂窝状吸收芯，碳粉质量增加10%时，复合材料的RLmin值为-7 dB(80%)。Shi等[56]用多孔石墨烯制备蜂窝复合材料，石墨烯基复合材料在8.8 GHz达到-15 dB的最大反射损耗。Bi等[57]以碳纳米管为吸附填料，采用浸渍法制备聚氨酯蜂窝复合材料，图2为该蜂窝结构复合材料的制备。改性后复合材料在4~18 GHz的宽频率范围内RL-10 dB。复合材料的抗压强度和弹性模量相比未改性材料分别提高64%和123%。但是大多数蜂窝结构材料具有较窄的吸收带宽，并且电磁波吸收能力一般，因此，开发具有宽吸收频带的高性能蜂窝吸波材料仍然是值得研究的方向。碳纳米管与蜂窝结构复合是制备高性能CFRP吸波材料的一种潜在途径。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.021.F002图2蜂窝结构复合材料的制备Fig.2Preparation of honeycomb composites3CFRP表面涂层处理3.1复合涂层复合涂层是目前CFRP吸波改性中广泛使用的策略[58-59]。SiO2和SiC是理想的涂层候选材料，SiO2和SiC与碳材料具有良好的相容性，使得复合材料具有优异的吸波性能[60-61]。Bu等[62]采用等离子电解喷涂技术在CFRP表面成功制备SiC/SiO2涂层。在7.1 GHz频率下，2.3 mm厚度时，复合材料的RLmin为-11.6 dB。在CFRP表面制备SiC/SiO2涂层不仅具有较好的电磁波吸收性能，而且具有良好的耐高温性能。朱云斌等[63]采用硅溶胶为前驱体，制备出表面被SiO2壳包覆的羰基铁吸收剂，明显提高了羰基铁的抗氧化性，同时降低其介电常数和磁导率，能够改善复合涂层与空气之间的阻抗匹配。在X波段，涂敷的羰基铁对电磁波的吸收得到显著改善。当吸收剂质量分数为70%，复合涂层厚度为1.8 mm时，在8.2~12.4 GHz频域中，材料的反射损耗均小于-10 dB。目前，CFRP表面复合涂层也是一种比较受青睐的改性方法，而SiO2/SiC复合涂层材料引起研究者的广泛关注，但CFRP表面涂覆SiC涂层的相关研究集中于纳米纤维、纳米线、纳米花[64]等纳米级材料，对SiC阵列涂层的研究相对较少，独特的SiC阵列涂层结构有望改善材料的吸波性能。3.2梯度涂层浓度梯度涂层是采用两种或两种以上性质不同、浓度不同的材料，使涂层的组成、结构和功能沿着厚度方向逐渐变化的一种方法[65-66]。梯度涂层有助于提高抗氧化和抗烧蚀性能[67]。梯度涂层的制备方法主要有低压等离子喷涂法、浆料法和快速热喷涂法。低压等离子喷涂法的优点是涂层沉积效率高、涂层性能优异。但该方法的设备和维护成本高，不适用于制备复杂异形构件[68]。梯度涂层在吸波材料涂层结构设计中受到许多学者的关注[69-70]。杨平安等[71]为解决吸波剂羰基铁粉颗粒在CFRP上存在密度较大、涂层厚度过大的问题，利用梯度涂层方法，在孔隙率和孔径分别为16%和0.325 mm参数下，梯度递减分布的最小反射损耗提升8.8%(-14.53 dB)，吸收频带提高了11.6%(6.12 GHz)。Younes等[72]设计一种3D蜂窝结构涂层改善CFRP的吸波性能，并对复合材料的结构参数进行优化。研究了Fe3O4多颗粒纳米团簇(MGNCs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)组成的MWCNTs/MGNC纳米复合材料随频率变化的介电常数和磁导率特性。通过有限元分析(FEM)研究了倾斜角度对反射损耗(RL)的影响。对于倾斜角为0的常规蜂窝结构，得到X波段的平坦RL。当倾斜角从0增加至4°，增加了RL，并在最大倾斜角4°时形成一个峰值。在规则蜂窝结构上涂覆一薄层MGNC/MWCNT可增强EMI。此外，随着涂层蜂窝结构的倾斜角从0增加至4°，在入射波角为0和90°的8.2~12.4 GHz频率范围内，电磁波吸收性能显著增加。4结论文章综述了CFRP在微波吸收性能方面的研究进展，指出相对于其他复合材料，CFRP不仅具有良好的微波吸收性能，同时提高了力学性能，这是多样化的电磁波损耗方式和各组分结构之间的协同效应。（1）基体改性：通过引入金属材料可以增加材料的磁损耗，优化材料表面阻抗匹配，从而提高材料的吸波性能.纳米材料具有较大的比表面积、较高的介电损耗和电导率，以及低密度等特点。在此基础上，建立一种特殊的导电网络，可以使其具有最佳的吸波特性，从而提高材料的吸波性能。（2）结构改性：通过结构改性可以增加材料的吸波特性，并提高其力学性能。特别是在三维多孔结构中，材料可以在介质中多次反射，具有较高的强度和较轻的质量，可以同时提高材料的吸波性能和力学性能。（3）涂层处理：与基体改性相比，涂层技术更为简洁的方法使材料获得更长的时间微波吸收能力，如何快速修复吸波涂层并延长其使用寿命是其研究的重点。梯度涂层方法更为复杂，梯度递减涂层设计能够最大限度地提高阻抗匹配程度，吸波效果改善明显，进一步简化其制备工艺是今后研究的重点。