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探微珠吸波涂料研究進展 窺我國軍事未來
作者:安信屏蔽閱讀:1956

隨著世的界各國軍事技術的不斷發展,雷達、紅外、激光等現代(現代裝修效果圖)探測和制導技術大量應用于武器系統中,使陸軍武器系統的生存受到極大的威脅。吸波隱身技術作為提高武器系統生存、突防以及縱深打擊能力的有效手段,各國給予了高度重視。其中雷達隱身占60%以上,因而隱身的重點在于雷達隱身。近年來,世的界各軍事強國竟相研究雷達吸波隱身材料和隱身技術,傳統的吸波材料,如鐵氧體、金屬超細粉末等由于在密度、吸收頻段等方面的原因,已很難滿足隱身材料“薄、輕、寬、強”的要求,因此,新型雷達吸波材料的開發成為主要的研究方向。

吸波材料一般由基體材料(或粘結劑)與吸收介質(吸收劑)復合而成?,F有的雷達吸波涂料,由于存在耐候性差、附著力低、環境適應性不好等問題,這需要開發新型的涂料,以滿足陸軍裝備表面的需求。

目前,國內外在進一步提高與改進傳統吸波材料性能的同時,一方面正致力于多種新材料的探索,例如碳納米管材料、空心微珠材料、導電聚合物、納米材料等逐步應用到雷達隱身材料中,另一方面正致力于解決吸波涂料在工程化應用中的優化配方體系和施工技術等問題,力求使吸波涂層牢固地粘附于被涂物表面并連續成膜,耐候性好,環境適應性強等優點。

空心微珠是一種很有潛力的吸波用材料,由于其本征特性包括外形、組分、結構以及壁厚等都能夠直接影響本身介電常數與磁導率的波動,進而控制吸波性能的好壞,因此,在電磁波等特殊領域,空心微珠也得到了廣泛研究與應用。

1·吸波涂料研究概況

  1.1國外研究情況

吸波涂料研究始于第二次世的界大戰期間,起源在德國,發展在美國并擴展到英、法、俄羅斯及日本等。所研制的吸波涂料已成功應用于飛機、艦艇以及地面裝甲車輛等軍事裝備。陸軍裝備如俄羅斯的T-80主戰坦克、美國的M113裝甲輸送車等以及其它隱身武器,如英國和美國研制的隱身汽車、隱身導彈發射車等。目前國外有關雷達吸波涂料方面的研究主要是圍繞鐵氧體吸波涂料、羰基鐵吸波涂料、金屬超細粉末或金屬氧化物磁性超細粉末吸波涂料、陶瓷吸波涂料、納米吸波涂料、放射性同位素吸波涂料、導電高分子吸波涂料、視黃基席夫堿鹽類吸波涂料、手征性吸波涂料、摻雜高損物吸波涂料、稀土元素吸波涂料等方面開展研究。

在研制鐵氧體方面日本處于世的界的領的先地位,研制出一種由阻抗變換層和低阻抗諧振層組成的雙層結構高效寬頻吸波涂料,可吸收1~2GHz的雷達波,反射率為-20dB,是目前好的吸波吸收劑。Singh等研究了在8~12。4GHz頻率內CoTi摻雜M型鈣鐵氧體La(CoTi)xFe12-2xO19復合氧化鑭和NiTi摻雜M型鈣鐵氧體La(NiTi)xFe12-2xO19復合氧化鑭吸波材料的電磁及吸波性能,隨量的增大,介電損耗不斷增大,磁損耗基本不變,共振頻率移向低頻,匹配厚度不斷增大。

Shen等通過溶膠-凝膠法合成了W型BaCo2Fe16O27鐵氧體和BaO·7LaO·3Co2Fe16O27鐵氧體,在12。4~18GHz用傳輸線理論計算反射率,結果顯示:摻雜La鐵氧體的反射損耗要比未摻雜的鐵氧體大,通過設計摻雜鐵氧體和短切碳纖維的雙層結構,得到在12。4~18GHz內反射損耗小于-10dB的有效帶寬達5。2GHz的寬頻吸收效果。鐵氧體吸波材料不足之處是相對密度大,使部件增重,以至影響部件的整體性能,高頻效應也不太理想。

羰基鐵吸收劑是一種典型的磁損耗型吸波材料,磁損耗角可達400左右,但是由于羰基鐵吸收劑存在著比重大,在涂料中體積占空比一般都大于40%,因此導致這種吸波涂料仍存在面密度大的缺點。近期歐洲GAMMA公司研制了一種新型吸波涂料,這種吸波涂料采用以羰基鐵單絲為主的多晶鐵纖維作為吸收劑,可在很寬的頻帶內實現高吸收率,由于這種吸收劑體積占空比為25%,因此重量可減輕40%~60%。

目前,該吸波涂料已應用于法國戰略防御部隊的導彈和飛行器。

用于高速飛行器組件上的雷達吸波材料要承受長時間高溫工作的特點,而陶瓷材料具有優良的力學性能和熱物理性能,特別是耐高溫、強度高、蠕變低、膨脹系數小、耐腐蝕性強和化學穩定性好,同時又具有吸波功能,能滿足隱身的要求,因此已被廣泛用作吸收劑。陶瓷吸波材料主要代表有碳化硅吸波材料、碳化硅復合吸波材料。法國Alcole公司采用陶瓷復合纖維制造出了無人駕駛隱身飛機,這種陶瓷復合纖維由玻璃纖維、碳纖維和芳酰胺纖維組成,加入TiO2后可耐1200℃高溫。Sung-SooKima等用化學鍍工藝在空心陶瓷基體上沉積Co、Co-Fe薄膜,制備的吸波劑具有低的密度和強的吸波能力,通過調整薄膜中Co的含量可以改變吸波劑的吸收峰和頻譜效應,當涂層的厚度為1。5mm時,其吸收能力可達-20dB,厚度為2。5mm時,吸收能力可達-25dB。

由于納米材料在具有良好吸波特性的同時還具有頻帶寬、兼容性好、面密度低、涂層薄的特點,美、俄、法、德、日等國都把納米材料作為新一代隱身材料加以研究和探索。目前,美國研制的被稱作“超黑粉”納米吸波材料,所吸收的雷達波可達99%。法國研制出一種寬頻微波吸收涂層,這種吸收涂層由膠粘劑及納米級微粒填充材料組成。這種由多層薄膜疊合而成的結構具有很好的磁導率,50MHz至50GHz內具有良好的吸波性能。

導電高分子吸波涂料是利用某些高聚物所具有共軛π電子的線形或平面形構型與高分子電荷轉移給絡合物的作用,設計高聚物的導電結構,實現阻抗匹配和電磁損耗。美國信號產品公司(Signature Products Company)開發了一種可用來適應5~200GHz雷達的吸波涂料,它以具有噴涂功能的高分子聚合物為基體,用具有極好的吸收雷達波特性的氰酸酯晶須和導電高聚物聚苯胺的復合物作吸收劑。但由于用于這類吸波涂料的導電高聚物的合成研究剛剛開始,是新開展的高分子材料研究領域,有待于進行深入的理論和實驗研究。

視黃基席夫堿鹽是一種含有碳-氮雙鍵結構的有機高分子聚合物,具有很強的極性,雷達波被這種材料吸收時,能量可迅速轉變為熱能耗散掉。美國Carnegie-Mel-lon大學用視黃基席夫堿鹽制成的吸波涂層可使目標的RCS減縮80%,而比重只有鐵氧體的10%。

手征性吸波涂料是一種新型的吸波涂料,眾多的研究結果表明,手征材料能夠減少入射電磁波的反射并能吸收電磁波。1990年,國外首公開報道了手征材料的吸波效果,結果表明手征吸波材料具有吸波頻率高和吸收占帶寬的特點。但手征性吸波涂料的研究還處于起步階段,還有許多問題有待解決。

 1.2國內研究情況

國內開展吸波涂料的研究工作從“七五”開始,經過十多年發展,形成了以高校和地方研究院所的基礎研究與國防研究所的應用研究相結合的科技格局,且已進入了從原理基礎材料的預研向裝備應用過渡的新階段。

隨著我國“863”計劃的實施,也開始大力發展吸波材料的研究。例如,國防科技大學、西北工業大學、哈爾濱工業大學、航空航天材料研究院等高校和科研單位目前正在進行吸波材料,尤其是結構型吸波材料的研究,以航空材料研究所為代表,研究碳纖維或碳化硅纖維增強塑料作為飛行器結構件,兼具吸波特性。西北工業大學凝固技術重點實驗室已研制成功了一種主要由固溶N的SiC微晶組成的新型耐高溫吸收劑。

目前國內有關雷達吸波涂料的研究主要是圍繞鐵氧體系列吸波涂料、羰基金屬微粉吸波涂料、納米吸波涂料、導電高聚物吸波涂料、多晶鐵纖維吸波涂料等,但是由于這些雷達吸波涂料存在抗氧化、耐酸堿能力差、低頻段吸收性能較差、密度較大、吸收劑體積大等缺點,因而沒有大規模的應用于我軍的裝備。

在陶瓷吸波材料中,碳化硅是制作多波段吸波材料的主要組分,有實現輕質、薄層、寬頻帶和多頻段吸收的可能,應用前景廣闊。王軍等運用超聲將平均粒徑30nm的超細金屬鈷粉均勻分散到聚碳硅烷中,通過熔融紡絲、燒結等處理,制備出具有良好力學性能、電阻率連續可調的摻混型磁性碳化硅陶瓷纖維。將這種纖維正交鋪排,與環氧樹脂復合制備的3層結構吸波材料具有良好的微波吸收特性,在8。0~12。4GHz范圍內其反射衰減達-12dB以上,大可達-16。3dB,其中小于-15dB的帶寬約1。2GHz;孫晶晶等研究了Al的摻雜量對nmSiC粉末介電性能的影響,在8。2~12。4GHz范圍內,β-SiC(未摻雜Al)的相對介電常數和介電損耗正切值高于摻鋁樣品,且這兩個參數隨鋁含量的增加而降低。

2·基于陶瓷空心微珠的吸波涂料

筆者的課題組在充分分析各種吸收劑優缺點的同時,結合自身技術優勢,研發了一種以自蔓延高溫合成技術為基礎,采用自反應淬熄法和噴射法制備出具有優良電磁特性的空心陶瓷微珠,該方法具有制備低成本、產量高、工藝簡單、易控制等特點。

陶瓷空心微珠表現出具有優良吸波特性的潛質:對于Al-TiO2體系,其低反射率可達-26dB,對應的頻率為14。4GHz,小于-10dB的吸收帶寬為4GHz,頻段為12。5-16。5GHz;對于Al-Cr2O3體系,在18GHz頻段以上,小于-10dB的反射率呈不斷增大趨勢;對于Al-CuO體系,其低反射率可達-28dB,對應的頻率為11。1GHz,小于-10dB的吸收帶寬為2GHz,頻段為10。4~12。4GHz。

基于筆者課題組前期研究的空心陶瓷微珠吸波材料為吸收劑,選擇常溫固化的有機高分子材料為粘結劑,然后加入其他的添加劑對其改性,使其能夠和空心陶瓷微珠吸波材料相容性較好,并且在陸軍裝備例如火炮、坦克、裝甲等表面,形成涂層后不影響其吸波性能;從而制備出附著力強,柔韌性、耐沖擊性、耐溫度變化、耐介質性能等物理性能和機械性能良好的吸波涂料。

3·結束語

目前研制的雷達吸波涂料大多只能在某一頻帶范圍內起作用,并且還存在面密度高、柔韌性差、耐候性差、附著力不穩定、環境適應性不好等問題,限制了吸波涂料的推廣應用。因此,研究高性能、寬頻帶的雷達吸波涂料以展寬有效頻帶、實現多頻譜隱身效果,這是吸波涂料未來發展的一個主要方向。同時,研究各種新的吸收劑,探討新的吸波機理,以滿足吸波涂層所追求的“薄、輕、寬、強”的目標。此外,提高吸波涂層的維修性與耐腐蝕性,增加可維護性和使用壽命也是未來吸波涂層發展中需要解決的問題。雷達吸波涂層存在這些缺點都迫切需要開發新型吸波材料和相應的陸軍武器裝備表面涂層應用技術,以滿足現代化戰爭條件對吸波材料技術的苛刻要求。從筆者的課題組研究的空心陶瓷微珠材料和涂料相結合,制作成以空心陶瓷微珠為基礎的吸波涂料將具有很大的軍事意義,具有廣泛的應用前景。

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