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(dá)隱身技術(shù)主要是指對(duì)工作在3MHz～300GHz范圍內(nèi)雷達(dá)的隱身技術(shù)，其中厘米波段(2～18GHz)是非常重要的雷達(dá)探測(cè)波段，也是現(xiàn)階段世界各國(guó)力求突破的超寬頻帶雷達(dá)隱身技術(shù)研究的重點(diǎn)。隨著雷達(dá)探測(cè)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(dá)隱身材料存在頻帶窄、效率低、密度大等缺點(diǎn)，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(guó)內(nèi)外在進(jìn)一步提高與改進(jìn)傳統(tǒng)隱身材料性能的同時(shí)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(dá)波隱身材料中，從而滿足對(duì)新一代雷達(dá)隱身材料吸收強(qiáng)、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(gè)最佳值。通過適當(dāng)?shù)钠ヅ洌梢灾频?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/寬頻">寬頻雷達(dá)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(dá)吸波性能，仍應(yīng)進(jìn)一步探討和驗(yàn)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(duì)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(dá)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。孔德明等用鹽酸摻雜聚苯胺(PAn)和FeCl3。摻雜H2SO4-PAn按一定比例混合，在8～14GHz頻段內(nèi)測(cè)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(jī)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(chǎng)，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(jī)制;同時(shí)納米粒子的尺寸遠(yuǎn)小于電磁波的波長(zhǎng)，其電磁波的透過率也遠(yuǎn)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(dá)5GHz。黃婉霞等人研究了在1～1000MHz頻率范圍內(nèi)Fe3O4 的粒度對(duì)電磁波吸收效能的影響，結(jié)果表明，納米級(jí)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(jī)改性金屬等微粉，著名的F/A-18c/D“大黃蜂”隱身飛機(jī)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(qiáng)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(chǎng)作用時(shí)，纖維內(nèi)的自由電子發(fā)生振蕩運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生振蕩電流，將部分電磁波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。美?guó)3M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(jìn)展，但也存在一些不足。要開發(fā)出輕質(zhì)、強(qiáng)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(gè)方面作進(jìn)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(jī)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(jì)、成本低、易合成、加工方便，同時(shí)又具有對(duì)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(diǎn)，有望發(fā)展成為新型寬頻有機(jī)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(dá)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(jī)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(diǎn)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(duì)-35GHz的微波吸收率可達(dá)90%;法國(guó)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(dá)到-48.5dB(-13.7GHz)，且頻寬達(dá)到5.64GHz，而密度只有 2.5kg/m3;同樣對(duì)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(dòng);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(cè)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(cè)試其吸波性能。試驗(yàn)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(huì)影響反射率R;在8～12GHz測(cè)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(shí)間增加時(shí)，反射率R也增大(-25dB，10min，-37dB，35min);同樣，共混加工時(shí)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(shí)間和工藝條件等都會(huì)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(cè)試(航天一院621研究所)表明，在2～18GHz頻段可設(shè)計(jì)制作輕質(zhì)、寬頻導(dǎo)電高_(dá)_分子聚苯胺吸波貼片，平均吸收可達(dá)到-10dB，且具有明顯的寬頻效應(yīng)。同時(shí)，采用原位共混復(fù)合技術(shù)可制備無機(jī)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(qiáng)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(diǎn)，而成為吸波材料領(lǐng)域一個(gè)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(dá)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。