寬頻輕質(zhì)吸波涂料研究與應(yīng)用

標(biāo)簽：寬頻 吸波涂料

1.引言

雷達隱身技術(shù)主要是指對工作在3MHz～300GHz范圍內(nèi)雷達的隱身技術(shù)，其中厘米波段(2～18GHz)是非常重要的雷達探測波段，也是現(xiàn)階段世界各國力求突破的超寬頻帶雷達隱身技術(shù)研究的重點。隨著雷達探測技術(shù)的發(fā)展，以及目標(biāo)外形技術(shù)越來越受到戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的限制，原有的雷達隱身材料存在頻帶窄、效率低、密度大等缺點，應(yīng)用范圍受到一定限制，迫切需要開發(fā)新型吸波材料和相應(yīng)的隱身技術(shù)。目前，國內(nèi)外在進一步提高與改進傳統(tǒng)隱身材料性能的同時正致力于多種新材料的探索，碳納米管材料、導(dǎo)電聚合物材料、納米材料等逐步應(yīng)用到雷達波隱身材料中，從而滿足對新一代雷達隱身材料吸收強、頻帶寬、質(zhì)量輕、厚度薄的要求。

2.導(dǎo)電高聚物吸波材料

導(dǎo)電纖維摻混于常規(guī)粉體吸收劑中，可以較大幅度地提高材料的吸波性能。導(dǎo)電纖維的摻混量有一個最佳值。通過適當(dāng)?shù)钠ヅ?，可以制?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/寬頻">寬頻雷達吸波材料。但是，得到的材料在低頻波段的吸波效果很差，如何解決低頻波段材料的雷達吸波性能，仍應(yīng)進一步探討和驗證。由于導(dǎo)電高聚物密度小、中低溫性能良好，近年來得到廣泛的研究和應(yīng)用。Krishadham等人研究了以碘經(jīng)過化學(xué)或離子注人法摻雜的聚苯乙炔、聚乙炔和對苯撐-苯并雙噻吩導(dǎo)電高分子吸波材料，經(jīng)摻雜制得的聚合物單層吸波涂層的反射衰減為-15dB，吸收帶寬可達3GHz。Oldedo等研究的聚吡咯、聚苯胺、聚-3-辛基噻吩在3cm波段內(nèi)均有8dB以上的吸收率。TruongVT等研究了厚度為2.5mm、含2%聚吡咯的吸波材料，其在12~18GHz的反射率小于-10dB?？椎旅鞯扔名}酸摻雜聚苯胺(PAn)和FeCl3。摻雜H2SO4-PAn按一定比例混合，在8～14GHz頻段內(nèi)測試，發(fā)現(xiàn)該吸波材料在頻寬3.66GHz內(nèi)的平均衰減為13.37dB，最大衰減為26.70dB。

3.磁性粒子類吸波材料

磁性粒子類吸波材料大都具有較高的磁損耗正切角，主要依靠磁滯損耗、疇壁共振和后效損耗等極化衰減來吸收電磁波，常見的有鐵氧體、金屬微粉、多晶鐵纖維等。鐵氧體是發(fā)展最早較為成熟的吸波材料，主要有鎳鋅鐵氧體、錳鋅鐵氧體和鋇系鐵氧體等，其吸波機理是磁疇自然共振。鐵氧體分為尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型，其中以六角晶系片狀磁鉛石型的吸波性能最好，因六角晶系片狀磁鉛石型鐵氧體具有較高的磁性各向異性等效場，其自然共振頻率較高，表現(xiàn)出優(yōu)良的高頻吸波性能。MeshramMR等制備的六角晶型鐵氧體吸波材料在8～12GHz的頻段內(nèi)，最大吸收為16.5dB，最小吸收為8dB。張永詳?shù)戎苽淞撕駷?mm、面密度為5kg/m2的鐵氧體吸波材料，其在8～18GHz頻帶范圍內(nèi)的吸收率均大于10dB。此外，由于納米鐵氧體的粒子比表面積大，表面原子能帶結(jié)構(gòu)不同于體內(nèi)，有較高的矯頑力，可引起磁滯損耗、界面極化和多重散射等吸波機制;同時納米粒子的尺寸遠小于電磁波的波長，其電磁波的透過率也遠高于一般吸波材料。Ruan等研究發(fā)現(xiàn)，粒徑為5μm的鐵氧體樣品的最大反射率為-17dB，反射率小于-10dB的帶寬為3.5GHz，而粒徑為65nm的鐵氧體樣品最大反射率為-28.5dB，反射率小于-10dB的帶寬達5GHz。黃婉霞等人研究了在1～1000MHz頻率范圍內(nèi)Fe3O4 的粒度對電磁波吸收效能的影響，結(jié)果表明，納米級Fe3O4的粒度越小，其吸波效能越高。磁性金屬微粉是一類兼有自由電子吸波和磁損耗的吸波材料，主要有鈷、鎳、鈷-鎳合金、鐵-鎳合金、鋁-鎳合金及各種有機改性金屬等微粉，著名的F/A-18c/D“大黃蜂”隱身飛機使用的就是羰基鐵微粉吸波材料。磁性金屬微粉磁導(dǎo)率較高、溫度穩(wěn)定性好，但其抗老化、耐酸堿能力、頻譜特性等性能差。多晶鐵纖維有較強的渦流損耗、磁滯損耗及介電損耗。作為良導(dǎo)體的多晶鐵纖維，當(dāng)有外界交變電場作用時，纖維內(nèi)的自由電子發(fā)生振蕩運動，產(chǎn)生振蕩電流，將部分電磁波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。美?M公司研制的多晶鐵纖維吸波涂層，在 5～16GHz頻段內(nèi)可以衰減30dB。導(dǎo)電高聚物與磁性粒子復(fù)合兼顧了介電與磁損耗吸波特征，雖然已經(jīng)取得了一定的進展，但也存在一些不足。要開發(fā)出輕質(zhì)、強吸收、寬頻、電磁參數(shù)可調(diào)并綜合性能好的導(dǎo)電高聚物/磁性粒子復(fù)合吸波材料，就需要在下面幾個方面作進一步的研究：①宏觀與微觀相結(jié)合探討導(dǎo)電高聚物/磁性粒子復(fù)合的吸波機理;②材料的尺寸與種類的選擇、優(yōu)化;③復(fù)合吸波材料的制備工藝與技術(shù)。

4.寬頻輕質(zhì)導(dǎo)電高分子吸收材料

導(dǎo)電高分子材料(PA、PAn、PPy、PTh、PPV等)具有分子結(jié)構(gòu)可設(shè)計、成本低、易合成、加工方便，同時又具有對不同頻率的微波產(chǎn)生吸收，且吸收頻段寬、密度小(1.0~2.0g/cm3)、熱穩(wěn)定性好等特點，有望發(fā)展成為新型寬頻有機吸波材料。理論分析表明，控制材料顆料的尺寸在納米到亞微米之間(7nm～3μm)，且具有片狀或管狀微觀形貌是改善雷達吸波材料的有效途徑，這就為導(dǎo)電高分子吸波材料的研制和發(fā)展帶來新的機遇。目前，通過選擇不同的合成方法和反應(yīng)條件可制備出各種結(jié)構(gòu)與形貌特點的納米-亞微米導(dǎo)電高分子材料(如納米粒子、納米線、納米捧、納米纖維、納米自組裝薄膜、納米層狀薄膜等)，從而獲得輕質(zhì)、寬頻的吸波性能[2]。MarcDiarmid研究發(fā)現(xiàn)2mm厚的導(dǎo)電聚乙炔(PA)薄膜對-35GHz的微波吸收率可達90%;法國LaurentOlmedo研究了聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PAn)、聚(3-辛基-噻吩)在0～20GHz內(nèi)的微波吸收性能，發(fā)現(xiàn)吸波性能隨頻率的變化而變化，反射率平均值為-8dB，最大衰減可達到-48.5dB(-13.7GHz)，且頻寬達到5.64GHz，而密度只有 2.5kg/m3;同樣對聚(辛基-3-噻吩)研究發(fā)現(xiàn)，涂層厚度變大2～8mm，吸波反射率系數(shù)變小，且向低頻波段移動;Biscaro采用(PU/PAn)共混復(fù)合形成的涂料，涂覆在鋁板(120mm×120mm)上形成膜厚為1.8～2.1mm的涂層，然后測試吸波性能，最大的反射率R為 -23.3dB，且隨摻雜劑CSA物質(zhì)的量的不同，PAn含量不同，吸收峰和反射率R也不同。Faez用(PAn/EPDM)復(fù)合共混物壓制成橡膠吸波貼片，測試其吸波性能。試驗發(fā)現(xiàn)，摻雜劑、PAn與DBSA的物質(zhì)的量的配比、PAn與EPDM的質(zhì)量配比都會影響反射率R;在8～12GHz測試，厚度增大1～3mm，反射率R(-10GHz)由-28dB增大到-35dB;I~PAn-(DBSA)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同(厚度為1.0mm)，為30%、 50%、80%，則其反射率R分別為-25dB(-8GHz)、-27dB(-9.5GHz)、-32dB(-10GHz);當(dāng)共混加工時間增加時，反射率R也增大(-25dB，10min，-37dB，35min);同樣，共混加工時間相同，配比不同，則反射率R也不相同，這說明PAn含量及分布、摻雜劑含量及共混加工時間和工藝條件等都會顯著影響導(dǎo)電高分子橡膠貼片材料的吸波性能。采用熱壓成型技術(shù)制備(PAn/EPDM)復(fù)合共混物橡膠吸波貼片，弓形法測試(航天一院621研究所)表明，在2～18GHz頻段可設(shè)計制作輕質(zhì)、寬頻導(dǎo)電高__分子聚苯胺吸波貼片，平均吸收可達到-10dB，且具有明顯的寬頻效應(yīng)。同時，采用原位共混復(fù)合技術(shù)可制備無機導(dǎo)電高分子納米復(fù)合微波吸收材料，將具有金屬磁性損耗的超細(xì)羰基鐵顆粒(納米-亞微米)與導(dǎo)電高分子材料復(fù)合而形成一種新型輕質(zhì)、寬頻、強吸收、涂層薄的涂層吸波材料使用。導(dǎo)電高分子磁性納米復(fù)合吸波材料由于集功能性導(dǎo)電高分子材料的特性與納米磁性粒子的特性于一身，具有性質(zhì)多樣、應(yīng)用面廣等特點，而成為吸波材料領(lǐng)域一個重要的研究方向。因此，不同摻雜態(tài)的導(dǎo)電高分子微波吸收材料可作為智能型寬頻雷達吸收劑材料在民用吸波材料和軍事隱身材料中獲得廣泛和重要的應(yīng)用。