电磁波吸收材料广泛应用于无线通信领域，在当代智慧经济中发挥着重要作用。具有介电损耗特性的电磁波吸收材料因其独特优势而备受研究关注。然而，以往的研究多集中于材料合成，鲜有研究系统阐释介电损耗机理。在此，深圳北理莫斯科大学程俊业副教授&复旦大学车仁超教授&北京化工大学刘宾副教授团队以介电基因概念为切入点，以德拜弛豫模型为“罗盘”，详细阐述了不同频率下电磁波吸收对各介电参数的依赖性，并构建了用于预测电磁波吸收特性的动态趋势模型，进而探讨了电磁波吸收材料的发展与未来展望，为未来介电损耗吸收材料的设计提供启发。

图1：介电基因主要影响因素示意图

图2

(a) 德拜模型中关键参数对介电常数和反射损耗的影响；(b) 基于介电基因的合理设计范式。

图3

（a）PP包覆磁性石墨烯的示意图。（b）在NF纳米片上生长的多层PP薄膜。（c）NF和NF-P复合材料的电磁参数。（d）电导率影响反射损耗的示意图。（e）CSN-Zn₄复合材料中电磁波衰减机制的示意图。（f）限域调控Fe₃O₄簇的反射损耗。（g）三维花状Co₃O₄-MWCNT结构的组装示意图。（h）空心Fe₃O₄−Fe/G复合材料的高分辨透射电镜图。（i）空心Fe₃O₄−Fe/G复合材料的反射损耗值、拟合厚度、计算匹配厚度及归一化特征阻抗模量。

图4

(a) CMF的设计策略及微波吸收机理。(b) 不同尺寸CMF的模型。(c) 不同弛豫强度下的反射损耗曲线。(d) 反射损耗曲线的对比。(e) Fe/RGO复合材料制备流程示意图。(f) 填充量为2 wt.%的Fe/RGO复合材料的电磁波吸收性能分析。(g) Fe₂O₃纳米片的扫描电镜图像。(h) Fe/RGO-2复合材料的透射电镜图像。(i) Fe/RGO-2复合材料的高分辨透射电镜图像。(j) RGO、Fe/RGO-1、Fe/RGO-2、Fe/RGO-3和Fe/RGO-4复合材料的εc″与εp″曲线。

图5

(a) CSC气凝胶的结构示意图及形貌图。(b) MCS复合材料的吸收机理图。(c) 多壳层Fe@C@TiO₂@MoS₂微球的合成示意图。(d) Fe@C@TiO₂@MoS₂复合材料的微波吸收机理示意图。(e) Fe@C@TiO₂@MoS₂复合材料反射损耗绝对值的三维图和等高线图。(f) BiFeO₃、La掺杂BiFeO₃和Nd掺杂BiFeO₃的结构图；以及对应的差分电荷密度图。(g) Nd掺杂BiFeO₃的反射损耗图。(h) BiFeO₃及La/Nd掺杂BiFeO₃中弛豫过程的弛豫时间随温度的变化关系图。

图6

(a) 计算得到的硅树脂复合材料（填充量10 wt%）的反射损耗随频率变化曲线。(b) 通过方程（20）模拟计算得到的、基于具有不同损耗角正切（tanδ）的人工介电常数的有效吸收区域（RL < −10 dB）随频率和厚度的变化关系：t_m = 1 mm，t_m = 2.8 mm，t_m = 5 mm。(c) 对于有效反射损耗RL_eff分别为−5、−8、−10和−15 dB时，K因子的实验统计结果。(d) 理论衰减常数α_the的阈值随厚度和有效反射损耗变化的光谱图。(e) 利用本工作及文献报道研究中测得的α_mea对理论α_the的验证。(f) 理论衰减常数α_the与实测衰减常数α_mea的对比。(g) 样品F-1与样品F-1-HEO的α_mea对比。

图7

不同界面处微波损耗机制的示意图 (a,b): (a) 具有显著功函数差异（ΔΦ）的异质界面接触引起的极化损耗机理。(b) 具有较小ΔΦ的同质非晶/晶态异相界面接触产生的极化与导电机制。(c) Fe-H样品的高分辨透射电镜图。(d) 介电损耗机理图。(e) Fe-A、Fe-H 和 Fe-C 样品的六项参数对比。(f) Co-A、Co-H、Co-C、Ni-A、Ni-H 和 Ni-C 样品的六项参数对比。(g) 所制备的 SiCN/M 陶瓷的电磁能量转换示意图。(h) 金属有机框架材料与聚硅氮烷前驱体之间潜在反应路径的示意图。(i) SiCN/Fe-1200 陶瓷中的异质界面。(j) SiCN/Fe 陶瓷的电磁波吸收机理示意图。(k) 金属有机框架材料改性的 SiCN 衍生陶瓷与文献报道的其他微波吸收材料的电磁波吸收性能综合对比。

图8

(a) 多级结构Co₂P/CoS₂@C@MoS₂的形成示意图。(b) 超材料吸收体的结构示意图。(c) 不同缺陷类型与反射损耗曲线及吸收频带之间关系的图示。(d) 自适应雷达-红外兼容伪装机理示意图。(e) NRL-弓形法测试示意图，以及器件介电参数随外加电压变化的图示。

介电基因是吸波材料研究与设计中的一个相对新颖的概念，主要用于描述和理解材料在微观层面的电磁相互作用特性，并指导吸波材料的设计与优化。理论上，对德拜弛豫控制的介电吸波材料的研究，不仅为理解和优化材料的吸收性能提供了理论基础，还能通过调控支配弛豫过程的参数（如弛豫时间和弛豫强度），实现对吸收材料性能的精细调节，从而解决传统材料存在的带宽窄、厚度大、频率适应性差等问题。目前用于通过调控“介电基因”来优化电磁波吸收性能的不同策略各具优势与局限性。电导率调控适用于满足宽带吸收需求，在X波段和Ku波段表现尤为出色，可通过构建碳基网络、掺杂或表面修饰等方式实现；但过高的电导率可能导致阻抗失配，需要谨慎平衡。静态介电常数和频率无关介电常数（ε_s 和 ε_∞）的调控适用于拓展低频区域的高性能表现及优化阻抗匹配，可通过引入铁电相或多孔结构等方法实现；但ε_s过高可能导致材料厚度增加，限制其在轻量化应用中的适用性。弛豫时间调控能有效精确调节吸收频带，适用于窄带高吸收场景，例如通过缺陷工程或多级异质结构实现多弛豫时间（多τ）协同；但该方法对微观结构高度敏感，工艺重复性较差。此外，外场（温度、电压）调控具有动态可调的优点，适用于智能隐身系统；但其响应速度和稳定性在实际应用中仍面临挑战。综上所述，应根据目标频段、厚度限制及功能需求，协同选择不同的策略。未来的研究工作需要发展多参数耦合模型和机器学习辅助设计，以实现精准、可控、宽频的电磁响应调控。

Engineering Dielectric Genes in Debye Relaxation Model toward Frequency-Band-Reliant Electromagnetic Responses