寬頻輕質(zhì)吸波涂料研究與應(yīng)用

5.新型輕質(zhì)雷達吸波材料

5.1 空心微珠吸波材料

近年來，國外對空心微珠開展了較多研究，美國以3μm左右玻璃球為載體，鍍上以Ni、Al、W等為損耗層的10nm左右薄膜。當(dāng)采用厚度為 2nm的球形多層顆粒膜、在8～18GHz頻率范圍厚度為2.5mm時，吸收率可達-20dB。徐堅等采用化學(xué)鍍法，以AgNO3取代PdC12作為活性劑，利用H2PO2的還原性完成活化過程，制備了NiCoP合金包覆的空心微珠粉末，SEM分析表明NiCoP合金包覆在空心微珠表面。葛凱勇等利用化學(xué)鍍鎳對空心微珠表面進行鍍鎳改性，改性后的微珠表面均勻地附著金屬鎳，用其制備的吸波材料在16.6～18.0GHz波段吸收率小于-10dB，最大吸收率可達-13dB。

5.2 碳納米管吸波材料

碳納米管表現(xiàn)出優(yōu)良的吸波性能，同時具有質(zhì)量輕、兼容性好、吸波頻帶寬等特點，是新一代最具發(fā)展?jié)摿Φ奈ú牧?。沈增民等用豎式爐浮游法制備的碳納米管的外徑為40～70nm，內(nèi)徑為7～10nm，長度為50～1000μm，碳納米管呈直線狀，用化學(xué)鍍方法在碳納米管的表面鍍上一層均勻的過渡金屬鎳。碳納米管吸波涂層在厚度為0.97mm時，在8～18GHz，反射率小于-10dB的頻寬為3.0GHz，反射率小于-5dB的頻寬為 4.7GHz。鍍鎳碳納米管吸波涂層在厚度為0.97mm時，反射率小于-10dB的頻寬為2.23GHz，反射率小于-5dB的頻寬為4.6GHz。曹茂盛等添加質(zhì)量分數(shù)為8%的碳納米管的吸波材料在8～40GHz波段有明顯的吸收。隨著材料厚度的增加，吸收峰移到14GHz，吸收峰向低頻移動。厚度為 5.5mm的吸波試樣，對應(yīng)于頻率為10GHz的反射率為-8dB。碳納米管良好的吸波特性，意味著可以設(shè)計出既吸收厘米波又吸收毫米波的雷達波吸收材料。劉云芳等采用豎式催化裂化解法制備出碳納米管，然后采用KOH進行活化，使碳納米管的比表面積從24.5m2/g提高到360.1m2/g，而且碳納米管的各種類型的空結(jié)構(gòu)都得到增加;微波吸收性能的研究表明，采用KOH進行活化碳納米管的吸收性能優(yōu)于未活化碳納米管的吸收性能，活化還可以使碳納米管的微波吸收能力加強、吸收頻率寬化。

5.3 導(dǎo)電高聚物吸波材料

自20世紀90年代開始，美、法、日等國相繼開展了導(dǎo)電高聚物雷達吸收材料的研究，設(shè)想將其作為未來隱身戰(zhàn)斗機及偵察機的“靈巧蒙皮”及巡航導(dǎo)彈頭罩上的可逆智能隱身材料等。法國Iaruent研究了聚吡咯、聚苯胺、聚-3-辛基噻吩在0～20GHz內(nèi)的雷達波吸收性能，發(fā)現(xiàn)吸波性能隨雷達波頻率變化而變化，平均衰減值為-8dB，最大衰減值可達到-36.5dB，且頻寬為3.0GHz。Wong等人成功地用化學(xué)氧化法在紙基質(zhì)上制備大面積的聚吡咯膜，該膜具有很好的柔韌性，在雷達波X波段表現(xiàn)了極好的吸收性能和寬頻吸收特性，材料阻抗和吸波特性隨頻率和入射角的變化而變化。 Franchitto等人利用十二烷基苯磺酸摻雜的聚苯胺與乙丙橡膠共混制成的復(fù)合材料，厚度3mm，在X波段反射率低于-6dB，峰值達到-15dB。導(dǎo)電高聚物作為一種新型的吸波材料，具有質(zhì)量輕、力學(xué)性能好、組成與結(jié)構(gòu)容易控制、導(dǎo)電率變化范圍很寬等特性，在電磁波吸收方面顯示出很強的設(shè)計適應(yīng)性。在較早的研究中表明，單獨的導(dǎo)電聚合物材料吸收頻帶較窄，為適應(yīng)未來的隱身材料高效、寬帶、質(zhì)量輕、適應(yīng)性強的特點，還需改善導(dǎo)電高聚物的磁損耗性能。 Pant等人發(fā)現(xiàn)可以將導(dǎo)電高聚物與無機磁損耗物質(zhì)復(fù)合來提高導(dǎo)電高聚物的磁損耗性能，使其兼具電損耗與磁損耗的性能，展寬吸收頻帶。遺傳算法可制備頻率在0.2~2.0GHz到0.2~8.0GHz的寬頻輕質(zhì)吸波涂層。

5.4 納米吸波材料

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。納米涂料指的是將納米粒子用于涂料中獲得具有某些特殊功能的涂料。一方面納米涂料在常規(guī)的力學(xué)性能如附著力、抗沖擊、柔韌性方面會得到提高，另一方面有可能提高涂料的耐老化、耐腐蝕、抗輻射性能。此外，納米涂料還可能呈現(xiàn)出某些特殊功能，如自清潔、抗靜電、隱身吸波、阻燃等性能。目前，用于涂料的納米粒子主要是一些金屬氧化物如TiO2、Fe2O3、ZnO等和一些納米金屬粉末，如納米Al、Co、Ti、Cr、Nd、Mo等以及一些無機鹽類如CaCO3和層狀硅酸鹽如一維的納米級黏土。納米隱身涂料(雷達波吸收涂料)指能有效地吸入雷達波并使其散射衰減的一類功能涂料。當(dāng)納米級的羥基鐵粉、鎳粉、鐵氧體粉末改性的有機涂料涂到飛機、導(dǎo)彈、軍艦等武器設(shè)備上，可使這些裝備具有隱身性能。其原理：一方面，納米超細粉末具有很大的比表面積，能吸收電磁波;另一方面，納米粒子尺寸遠小于紅外線及雷達波長，對波的透過率很大，因此不僅能吸收雷達波，也能吸收可見光和紅外線。在目前研究的納米粒子中，納米ZnO等金屬氧化物由于質(zhì)量輕、厚度薄、顏色淺、吸波能力強等優(yōu)點，成為吸波涂料的研究方向之一。另據(jù)報道，美國研究的超細石墨粉納米吸波涂料，對雷達波的吸收率大于99%，其它金屬超細粉如Al、Co、Ti、Cr、Nd、Mo、18-8不銹鋼、Ni包覆Al也是很有潛力的吸波納米粉體。研究高性能、寬頻帶吸波涂料以展寬有效頻帶、實現(xiàn)多頻譜隱身效果，這是吸波涂料未來發(fā)展的主要方向。同時應(yīng)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。美、法、日等世界軍事發(fā)達國家在納米隱身材料的研究方面已取得長足的進展，目前正在研究覆蓋厘米波、毫米波、紅外、可見光等波段的多頻譜納米復(fù)合隱身材料。我國對納米隱身材料的研究雖然取得了一定的成效，但應(yīng)繼續(xù)加大這方面的研究和投入[6]。5.5智能型隱身材料智能型隱身材料屬于一種具有感知、信息處理及自適應(yīng)功能，并對信號能做出最優(yōu)響應(yīng)的功能材料系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)。表面噴涂了智能型隱身材料膜層的飛行器可自動檢測出并改變其表面溫度、控制紅外輻射特征，它為雷達吸波材料的設(shè)計提供了一種全新的途徑。目前這種新研制開發(fā)成的智能型隱身材料和結(jié)構(gòu)，皆已在軍事和航空航天領(lǐng)域內(nèi)得到日益廣泛的應(yīng)用。目前已應(yīng)用于飛行器與天線融合的智能蒙皮、用于潛艇的吸聲智能蒙皮及可根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境變化自動保持一致的光隱身蒙皮等。同時這種能根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境變化自動地調(diào)節(jié)自身的結(jié)構(gòu)與性能，并能對作戰(zhàn)環(huán)境作出最優(yōu)響應(yīng)的設(shè)想，亦為隱身材料及其結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了一種嶄新的途徑，使智能隱身目的得以實現(xiàn)。美國于2005年研制出可單獨控制輻射率/反射率的涂層，2010年將會研制出能自動地對作戰(zhàn)背景及威脅作出及時反應(yīng)的自適應(yīng)涂層體系。其它世界軍事強國亦不遺余力地進行各種有效的運作。美海軍正在研究利用智能隱身材料制造能抑制發(fā)電機噪聲外傳的智能結(jié)構(gòu)發(fā)電機罩;美空軍提出直升機旋翼采用智能隱身材料的方案，隱身能力可提高20倍。目前開展的智能隱身材料的研究主要集中在以下幾個方面：智能蒙皮、雷達波智能隱身、紅外及可見光智能隱身。美國是最早研究智能隱身材料的國家之一，西屋公司從事智能飛機蒙皮的研究是用嵌入蒙皮的共形系統(tǒng)來代替天線和黑箱，與常規(guī)的飛機雷達天線相比，共形系統(tǒng)的優(yōu)點是它可以安裝在飛機上像翼尖這樣通常難以安裝的部位，通過定向操作達到隱身的目的。目前美國空軍正在研究采用光纖傳感器作隱身飛機靈巧蒙皮，其方法是在光纖靈巧蒙皮內(nèi)嵌入保型雷達、導(dǎo)航設(shè)備、目標搜索和各種傳感器件，使光纖數(shù)字電路遍布飛機機翼內(nèi)，這種戰(zhàn)斗機不僅可以隱身，而且靈敏度高，易操作。智能隱身材料的應(yīng)用降低了電子系統(tǒng)本身的質(zhì)量和成本，智能光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅線減少至少80%的質(zhì)量。用智能纖維增強的聚合物作隱身的結(jié)構(gòu)材料，不僅降低了雷達的散射截面，同時把飛機的質(zhì)量也減輕了50%。