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吸波涂料的研究现状,吸波涂料的研究现状

吸波涂料的研究现状 高焕方 1 , 陈一农 2 , 张捷 1 , 翁小龙 1 , 郑国禹 2 , 陈汉林 2 (1. 中国兵器工业第五九研究所 , 重庆 400039 ; 2. 总装重庆军代局驻五九所军代室 , 重庆 ,400039) [ 摘要 ] 　重点对吸波涂料的种类进行了论述 , 并对吸波涂料的应用情况和发展趋势进行了简单描述。 [ 关键词 ] 　吸波涂料 ; 隐身涂料 ; 发展趋势 0 　引　言 现代战争中 , 特别是高技术条件下的局部战争 , 是一场以中远程精确打击为特点的海、陆、空、天、磁五位一体的信息化战争。在这种信息获取与反获取的争夺战中 , 隐身兵器发挥着十分重要的作用在海湾战争和科索沃战争中 , 美军隐身飞机成功地实现了对敌纵深远程精确打击。这一事实向人们展示 , 隐身兵器的大量使用使超视距攻击、不见面的战斗成为现实 , 它改变了现代战争的模式 , 带来了重大的军事效益。因此 , 为了隐蔽自己 , 发现和打击敌人 , 大力发展隐身技术和装备具有隐身性能的武器系统已成为争夺国防高科技制高点和控制战争主动权的重要手段。 由于雷达侦察是目前世界上用得最多、最有效的侦察手段之一 , 因此雷达隐身技术自然也就成为一种最重要的隐身技术 , 国内外有关部门都进行了大量的研究。雷达隐身技术的研究主要集中在结构设计和吸波材料两个方面 , 并且吸波材料按其成型工艺和承载能力 , 又可分为涂敷型吸波材料和结构型吸波材料两 大类 [ 1 ] , 结构设计需对目标系统进行彻底的设计改造 , 耗资巨大 , 且不适于现有武器装备的隐身需求。而吸波材料 , 是利用材料的高损耗性能 , 将照射到目标系统上的电磁能转化为热能等其它形式的能量而发散 , 达到全方位隐身效果 , 这种方法的主要特点是对装备改动小 , 特别适用于现有武器装备的隐身需求 , 并且吸波涂料因具有施工简便 , 对目标的外形适应性强和武器系统的机动火力性能影响小等特点 , 倍受各国重视。 1 　吸波涂料的种类 吸波涂料一般主要由吸收剂和粘结剂组成。其中具有特定电磁参数吸收剂是吸波涂料的关键所在 , 决定了吸波涂料的吸波性能 ; 粘结剂是涂料的成膜物质 , 是使涂层牢固粘附于被涂物表面上形成连续膜的主要物质。吸波涂料一般根据吸收剂不同可分为以下种类。 1. 1 　铁氧体吸波涂料铁氧体吸波涂料因为价格低廉 , 吸波性能好 , 即使 在低频、厚度薄的情况下仍有良好的吸波性能 , 在米波至厘米波范围内 , 可使反射能量衰减 17 ～ 20DdB , 从 50 年代至今仍被广泛应用。按微观结构的不同 , 铁氧体可分为六角晶系铁氧体、尖晶石型铁氧体和稀土石榴石型铁氧体三类。作为吸波材料应用最为广泛的是尖晶石型铁氧体 , 由于尖晶石型铁氧体的介电常数 ε′ 和磁导率 μ′ 比较低 , 用纯铁氧体难以满足高性能的雷达波吸收材料的要求 , 但是把铁氧体粉末分散在非磁性体中而制成的复合铁氧体 , 则可以通过铁氧体粉末的粒径、铁氧体粉末与非磁性体的混合比以及铁氧体组成来控制其电磁参数。目前已研制并广泛应用的有 Ni - Zn 、 Li - Zn 、 Ni - Mg - Zn 、 Mn - Zn 、 Li - Cd 、 Ni - Cd 、 Co - Ni - Zn 、 Mg - Cu - Zn 等铁氧体。 1. 2 　羰基铁吸波涂料 羰基铁吸收剂是目前最为常用的雷达波吸收剂之一 , 它是一种典型的磁损耗型吸波材料 , 磁损耗角可达 40 °左右 , 与高分子粘结剂复合成的吸波涂料具有吸收能力强、应用方便等优点。但是由于羰基铁吸收剂存在着比重大 , 在涂料中体积占空比一般都大于 40 % , 因此导致这种吸波涂料仍存在面密度大的缺点。近期欧洲 GAMMA 公司研制了一种新型吸波涂料 , 这种吸波涂料采用以羰基铁单丝为主的多晶铁纤维作为吸收剂 , 可在很宽的频带内实现高吸收率 , 由于这种吸收剂体积占空比为 25 % , 因此重量可减轻 40 % ～ 60 % 。目前 , 该吸波涂料已应用于法国国家战略防御部队的导弹和飞行器 , 同时正在验证用于法国下一代战略导弹弹头的可能性。 1. 3 　金属超细粉末或金属氧化物磁性超细粉末吸波涂料 这类吸波涂料一般是由金属超细粉末或金属氧化物磁性超细粉末与高分子粘结剂复合而成。由于作为吸收剂的金属超细粉末或金属氧化物磁性超细粉末的细化 , 使其组成粒子的原子数目大大减少 , 磁、电、光等物理性能发生质的变化 , 磁损耗较大。这种吸波涂料可以通过调节粉末的粒径、含量、混合比例等来调节吸波涂料的电磁参数 , 以使其达到较为理想的吸波效果。 1. 4 　陶瓷吸波涂料 作为陶瓷吸波涂料的吸收剂主要有碳化硅、硼硅酸铝等 , 与铁氧体、复合金属粉末等吸波剂相比 , 密度低、吸波性能较好 , 还可以有效地减弱红外辐射信号的特点。其中碳化硅是制作多波段吸波涂料的主要组分 , 有可能实现轻质、薄层、宽频带和多频段 , 很有应用前景。碳化硅的粒径、热处理时间等对其吸波性能影响非常大 , 碳化硅在不同处理温度和时间条件下 , 其电阻率变化范围为 10 0 ～ 10 4 Ω· cm , 通过控制工艺参数 , 可以对其显微结构和电磁参数进行控制 , 获得所希望的吸波效果。 1. 5 　纳米吸波涂料 纳米材料是指材料组分的特征尺寸在纳米量级 (1 ～ 100nm) 的材料 , 它独特的结构使其自身具有量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、小尺寸和界面效应 , 金属、金属氧化物和某些非金属材料的纳米级超微粉在细化过程中 , 处于表面的原子数越来越多 , 增大了纳米材料的活性 , 在电磁场的辐射下 , 原子、电子运动加剧 , 促使磁化 , 使电磁能转化为热能 , 从而增加了对电磁波的吸收效果。由于纳米材料在具有良好吸波特性的同时还具有频带宽、兼容性好、面密度低、涂层薄的特点 , 美、俄、法、德、日等国都把纳米材料作为新一代隐身材料加以研究和探索。目前 , 美国研制的被称作 “ 超黑粉 ” 纳米吸波材料 , 所吸收的雷达波可达 99 % 。法国研制出一种宽频微波吸收涂层 , 这种吸收涂层由胶粘剂及纳米级微粒填充材料组成。这种由多层薄膜叠合而成的结构具有很好的磁导率 ,50MHz 至 50 GHz 内具有良好的吸波性能。总之纳米吸波涂料是一种非常有发展前途的吸波涂料。 1. 6 　放射性同位素吸波涂料 放射性同位素 ( 如 Po - 210 、 Cm - 242 和 Sr - 90 等 ) 产生的等离子体是一种有效的电磁波吸收媒质 , 等离子区中的自由电子在入射电磁波的电场作用下将产生频率等于电磁波载波频率的强迫振荡 , 在振荡的过程中 , 运动的电子与中性的分子、原子以及离子发生碰撞 , 增加了这些粒子的动能 , 从而把电磁场的能量转变为媒质的热量。放射性同位素吸波涂层非常薄和轻 , 具有吸收频带宽、耐用性好和能承受高速空气动力等优点。另外放射性同位素吸波涂层还可以吸收红外辐射、声波等功能 , 是理想的多功能吸波涂料。 1. 7 　导电高分子吸波涂料 这类吸波涂料利用某些高聚物所具有共轭π电子的线形或平面形构型与高分子电荷转移给络合物的作用 , 设计高聚物的导电结构 , 实现阻抗匹配和电磁损耗。美国信号产品公司 (Signature Products Company) 开发了一种可用来适应 5 ～ 200 GHz 雷达的吸波涂料 , 它以具有喷涂功能的高分子聚合物为基体 , 用具有极好的吸收雷达波特性的氰酸酯晶须和导电高聚物聚苯胺的复合物作吸收剂。其涂层具有易维护、吸收频带宽、涂层薄、质量好等优点。但由于用于这类吸波涂料的 导电高聚物的合成研究刚刚开始 , 是新开展的高分子材料研究领域 , 有待于进行深入的理论和实验研究。 1. 8 　视黄基席夫碱盐类吸波涂料 视黄基席夫碱盐是一种含有碳 - 氮双键结构的有机高分子聚合物 , 具有很强的极性 , 雷达波被这种盐吸收时 , 能量可迅速转变为热能耗散掉。某种特定类型的盐可吸收特定波长的雷达波 , 通过组合不同的盐类 , 可以实现较宽频带的电磁波吸收。美国 Carnegie - Mel - lon 大学用视黄基席夫碱盐制成的吸波涂层可使目标的 RCS 减缩 80 % , 而比重只有铁氧体的 10 % 。 1. 9 　手征性吸波涂料 手征性吸波涂料是一种新型的吸波涂料 , 众多的研究结果表明 , 手征材料能够减少入射电磁波的反射并能吸收电磁波。与其它吸波涂料相比手征性吸波涂料具有以下两个优势 : 一是调整手征参数比调整介电常数和磁导率更容易 , 绝大多数吸波材料的介电常数和磁导率很难满足宽频带的低反射要求 ; 二是手征材料频率敏感性比介电常数和磁导率小 , 易于扩宽频带。 1990 年 , 国外首次公开报道了手征材料的吸波效果 , 结果表明手征吸波材料具有吸波频率高和吸收占带宽的特点。国内在 “ 九五 ” 期间 , 青岛科技大学开展了手征吸波材料的研究工作 , 其涂层在 8mm 波段的吸波的吸波效果较好 [2 ] 。但由于手征性吸波涂料的研究还处于起步阶段 , 在实际应用中还有许多问题 ( 如成本高等 ) 有待解决。 1. 10 　掺杂高损物吸波涂料 这类吸波涂料由导电纤维与高损物 ( 如炭黑、陶瓷和粘土等 ) 和树脂组成。其中导电纤维长度是雷达波波长的一半 , 涂层的厚度最好是雷达波波长 1/ 4 的奇数倍。 1. 11 　稀土元素吸波涂料 稀土元素吸波涂料是新开发研制的一类吸波涂料 , 以稀土磁性材料为吸收剂。另外稀土元素常作为添加剂加在其它吸波涂料中 , 用以调节吸波涂料的电磁参数。 由于单一的吸收剂一般很难满足吸波涂料对宽频带吸收的要求 , 因此 , 在实际应用中常通过对涂层进行设计 , 采用多种吸收剂以满足宽频带的吸波要求。 2 　吸波涂料的应用情况 吸波涂料研究始于第二次世界大战期间 , 起源在 德国 , 发展在美国并扩展到英、法、俄罗斯及日本等发达国家。并且所研制的吸波涂料已成功应用于飞机、舰艇以及地面装甲车辆等军事装备 [3 ～ 6 ] 。由于以上武器装备采用了各种隐身技术 , 不同程度地降低了各种特征信号 , 减少了被发现概率 , 提高了生存能力与突防能力。 国内开展吸波涂料的研究工作从 “ 七五 ” 开始 , 经过十多

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