为了满足电子设备和飞行器对轻质吸波材料的强烈需求,本文以多孔碳材料为研究对象,深入探讨各种吸波机制,分析相关影响因素,在微观（纳米）、介观（微米）和宏观（毫米）尺度的范围内设计及优化,以获得具有轻质和宽频吸波特性的碳材料。研究表明,在微观尺度上偶极子和电导对吸波性能有重要的影响。但是以往的研究缺乏对微观模型建立以及关键影响因素理论分析的关注。因此,本文利用第一性原理构建氮掺杂碳模型,研究偶极子、电导与介电特性关系。根据N/C模型,利用碳化工艺,以密胺海绵为原材料,制备氮掺杂量随温度变化的吸波剂,并测试其吸波性能。测试结果表明电导损耗和极化损耗是材料主要的吸波机制,且电导的变化与模拟结果近乎一致。但是,当碳化温度为900℃时,实测介电特性与模拟介电特性变化不一致。依据理论分析,除电导和偶极子类型的影响外,还需要关注弛豫强度的影响。利用有限元仿真预测、公式推导和实验验证优化氮掺杂碳材料。结果表明:优化之后的氮掺杂碳材料不仅具有轻质的特性(密度为4.34 mg·cm-3),还具有宽频特性,有效吸波带宽约8.32 GHz,基本覆盖X波段和Ku波段。另一方面,界面极化也是在介观尺度上影响吸波峰强度的主要因素。如何定量分析界面对介电性能的贡献和如何通过工艺手段最大化界面极化作用一直都是难点。因此,本文利用少量金属镍的催化作用,成功合成具有分级结构的多孔碳材料。当碳化温度从600℃升高到900℃,多孔碳材料具有可调分级结构。吸波性能测试展示出不同分级结构具有不同频段的吸波特性。例如在厚度为2.8 mm时,具有不同分级结构的多孔碳材料表现出靶向频段吸波特性（分别在5～8 GHz、8～12 GHz、12～18 GHz的RL值小于-10 d B）。介电性能分析和有限元仿真进一步证明,界面极化是调整介电性能的关键因素。为了优化界面极化的作用,对Cole-Cole介电模型进行了修正,提取界面控制因子。进而利用界面控制因子,优化材料的设计,获取了轻质(密度为5.36 mg·cm-3)、高强吸收（RL=-76.59 d B）的多孔碳材料。在宏观尺度上,主要关注谐振损耗对吸波性能的影响。由于周期结构变化的多样性,仅仅依靠大量的实验尝试不同种类的周期结构吸波体是不现实的。同时以往的研究仅仅探讨宏观结构与吸波性能关系,没有详细分析谐振损耗以何种方式衰减电磁波。因此,本文利用遗传算法的全局优化特性与有限元仿真可以反映任意结构的传输特性,优化周期结构吸波体的宏观模型。根据优化结果,以石墨纳米片为吸波剂,硅橡胶为基体,通过室温硫化和翻模的方式,获得一种柔性、宽入射角和宽频的吸波材料。研究结果表明:有效吸波带宽可以覆盖8～24 GHz,带宽达到16 GHz。优异的宽频特性归功于新引入的谐振损耗和良好的阻抗匹配。而且谐振损耗可以改善吸波剂本身的界面极化和电导极化,使周期结构吸波体的损耗类型更趋近于偶极子损耗,进而可以获得更加宽频的吸波性能。同时,这种周期结构吸波体的吸波性能还对入射角不敏感。当周期结构吸波体发生弯曲时,吸波的有效带宽反而增加。利用这种优化算法,优化多孔碳的宏观结构,可以发现每种材料体系都存在相应的最优宏观模型,而且宽频吸收范围向更低频方向发展。