防腐蚀型宽频带雷达吸波涂料研究

齐 宇， 何 山， 史有强

(北京航空材料研究院，北京100095)

隐身技术始于第二次世界大战，起源德国，发展于美国，在英、法、日、俄等发达国家得到了进一步发展应用，对于提高现代兵器的突防能力与生存能力发挥着重要作用，引起世界各军事大国的高度重视。隐身技术可分为光学隐身技术、红外隐身技术、激光隐身技术、雷达隐身技术等，而雷达隐身技术是隐身技术重点和难点。雷达隐身技术是通过减弱、抑制、偏转目标的雷达回波强度或减小雷达散射截面积(RCS)，来降低敌方雷达对目标的发现概率，其中能够实现雷达隐身技术重大突破的途径主要是发展高效的雷达吸波涂料［1］。

雷达吸波涂料现阶段广泛使用在舰船装备上，该涂层一般由树脂基体(胶黏剂)、吸收剂以及各种助剂组成。其中吸收剂是主体，决定了涂层吸波性能的好坏;树脂基体是基材，决定了吸收剂的加入量、吸收性能的强弱、涂层性能的好坏;各类助剂起辅助作用，虽然用量较小，但必不可少，它决定了涂层的质量，而且对吸收剂的加入量也有影响［2］。因为舰船用雷达吸波涂料中吸收剂大部分都是易生锈腐蚀，虽然雷达吸波涂层外有防腐蚀面漆保护，但是受舰船工作环境影响，涂层在海面上高盐雾、高湿度的环境中表面稍有划痕或者碰撞若不及时修补，则涂层表面会逐渐腐蚀，进一步出现“流黄水”的严重腐蚀现象。这样不仅严重影响舰船外观，而且重要的是破坏了舰船的隐身性能，给其本身带来极大的危险。

目前国内外研究的防腐蚀雷达吸波涂料主要有碳黑雷达吸波涂料、铁氧体雷达吸波涂料和纳米复合雷达吸波涂料。纳米复合雷达吸波涂料在国内正处于基础研究阶段，距离工程化应用还有较大差距，国内目前可以实现工程化应用的防腐吸收剂主要有铁氧体和碳黑。使用碳黑做为吸收剂最大的缺点是吸波性能差，无法达到舰船装备的要求。铁氧体吸收剂是目前应用比较成熟的吸收剂，应用十分广泛。其吸波性能来源于其既具有亚铁磁性又有介电性能。其相对磁导率和相对电导率均呈复数形式(一般称此类物质为双复介质)，它既能产生介电损耗又能产生磁致损耗，吸波性能优良［3～5］。但是国内外现阶段研究的铁氧体雷达吸波涂料的主要缺点是吸收频段较窄，涂层面密度较重。为了达到舰船使用雷达吸波涂料实用宽频带吸收的要求，同时又受材料的限制雷达吸波涂层不能太薄。到目前为止，国内［6，7］在防腐蚀型雷达吸波涂料方面也有一定研究，但大都存在吸波带宽较窄、雷达吸波涂层较厚、环境稳定性差等问题，并且还没有铁氧体单独做为吸收剂的薄层雷达吸波涂层具有宽频吸波性能的报道。

为解决宽频强吸收与涂层厚度的矛盾，本研究设计了双层结构雷达吸波涂层;又由于低频电磁波比高频电磁波有更好的穿透性，故一般将低频性能良好的涂层作为最底层;而表层涂料直接与空气接触，形成空气与吸波介质界面。因此，设计表层材料阻抗近似于空气阻抗(377Ω)，尽量减少表层反射。另外，采用频率选择界面或者半反射界面，可以拓展频宽增强吸收，提高涂层性能［8］。

1 设计原理与试验方法

1.1 雷达吸波涂料的吸波原理及结构设计

雷达吸波涂层的吸收效果通常是以反射率的大小来表示，反射率越小，吸波效果越好［7～9］。对于单层雷达吸波涂料，假定底板金属是理想导体，根据传输线理论，空气与雷达吸波涂料界面处的输入阻抗及雷达吸波涂料的反射率可表示为:

式中:Zi为传输线的特性阻抗，μr为雷达吸波涂料的复磁导率(即μr=μ' －jμ″)，εr为雷达吸波涂料的复介电常数(即εr=ε' －jε″)，d 为雷达吸波涂料的厚度，λ 为自由空间中电磁波的波长，R 为雷达吸波涂料的反射率;Z0为空气的特性阻抗。

由式(1)、式(2)可知，雷达吸波涂料的吸波效果与材料的复磁导率、复介电常数、厚度和电磁波的波长有关。采用单层材料很难达到宽频高吸波的目的［10～12］。因此，可考虑使用复合吸收剂和双层结构来解决这个问题。采用双层结构设计后，其可变参量增多，也就更容易达到可调参数的控制，可在厚度尽可能小的情况下达到宽频吸波的效果，随后对几种吸收剂进行电磁参数的测量以了解μr和εr，然后再合理进行电性能设计。

1.2 测试方法及原料

A)原材料

铁氧体铁粉，牌号A，B;多羟基支化聚酯，牌号MX－2325;甲苯二异氰酸酯，牌号TDI;环氧树脂，牌号0199;助剂;有机溶剂。

B)测试方法

电磁参数测量:把吸收剂和低介电常数物质(如石蜡)混合一起应用“波导法”使用HP8722ES矢量网络分析仪对吸收剂进行电磁参数测量，即得到吸收剂的电磁参数ε'，ε″，μ'和μ''。

反射率测量:把雷达吸波涂料涂敷在铝制平板上待涂层完全固化后应用“弓形法”使用HP8757E标量网络分析仪对雷达吸波涂层进行反射率测量。

面密度测量:首先在试验前用天平称量试板的重量，待涂层完全固化后称量已涂敷涂料的试板重量，用两者的质量差除以试板的面积即得到涂料的面密度。

C)反射率试样制备方法

准备180mm ×180mm × (3 ～5)mm 的铝制平板，根据双层复合雷达吸波涂料各层材料与厚度的设计，将制成的雷达吸波涂料搅拌均匀，然后分别按方案设计的厚度要求涂底、面层涂料在平板上。待涂层完全固化后按照GJB 2038—1994 测试方法测量涂层反射率。

2 结果与讨论

2.1 电性能设计

因为根据以上提到的材料吸波原理可知吸收剂的电磁参数ε'，ε″，μ'和μ″对材料的吸波性能起到关键的作用［13～16］，因此首先在电性能研究之前对A，B两种吸收剂进行电磁参数的测量，这样可以根据电磁参数的结果优化选择对电性能的设计有较大的帮助。

吸收剂的电磁参数见表1 ～表4。

表1 80% A 吸收剂电磁参数Table 1 Electromagnetic parameters of 80% A absorbent

表2 82% A 吸收剂电磁参数Table 2 Electromagnetic parameters of 82% A absorbent

表3 78% A 吸收剂电磁参数Table 3 Electromagnetic parameters of 78% A absorbent

表4 75% B 吸收剂电磁参数Table 4 75% B absorbent electromagnetic parameters

用雷达吸波涂料电设计软件，经过方案优化得出设计结果见图1 ～图3。对应的方案见表5。

比较图1 ～图3 可知，当底层为80%A 面层为75%B 时，材料的反射率吸收频段较宽，即在8 ～18GHz 频率范围内反射率均接近－10dB，性能优于底层为82%A 和底层为78%A 的反射率，故以底层为80%A 面层为75%B 展开试验研究。

表5 材料各层厚度设计方案Table 5 Each layer design scheme of material thickness

图1 底层80%A 面层为75%B 时的电性能设计曲线Fig.1 Electrical properties design curve of the 80%A bottom and 75%B surface

图2 底层82%A 面层为75%B 时的电性能设计曲线Fig.2 Electrical properties design curve of the 82%A bottom and 75%B surface

2.2 防腐蚀型雷达吸波涂料实际反射率试验结果

通过对以上电性能设计软件设计的优化方案验证得到实际的雷达吸波涂层电性能反射率曲线，试验方案见表6，测量反射率曲线见图4 所示。

图3 底层78%A 面层为75%B 时的电性能设计曲线Fig.3 Electrical properties design curve of the 78%A bottom and 75%B surface

表6 双层复合雷达吸波涂料各层材料与厚度Table 6 Materials and paint layers thick of multi-absorbing composite

图4 双层复合雷达吸波涂料反射率特性曲线Fig.4 Frequency characteristic curve of multi-absorbing composite coatings

当厚度为1.7mm，面密度为4.0kg/m2时，雷达波频率在8 ～18GHz 时反射率小于－11.0dB。反射率曲线见图4。

2.3 防腐蚀雷达吸波涂料耐环境性能试验结果与分析

为满足现实的海洋环境使用要求，防腐蚀雷达吸波涂层进行了耐高低温、耐人造海水、耐湿热、耐盐雾、人工加速老化试验。环境试验试板表面涂覆氯化橡胶船壳漆。

耐高低温试验根据GJB150.5—1986 进行试验前后对比如图5 所示。

图5 高低温试验前后涂层外观Fig.5 The appearance of the coating before and after high and low temperature tests

耐70℃高温48h 后材料外观无变化，如图5 中G20;耐－55℃低温48h 后材料外观无变化，如图5中G21;70℃至－55℃温度交变试验，保温时间1h，温度转换时间10min，循环10个周期后材料外观无变化，如图5 中G22(上侧为试验前，下侧为试验后);试验前涂层的附着力为5.35MPa，试验后涂层的附着力为5.29MPa，试验前后的反射率见图6。

图6 高低温试验前后复合雷达吸波涂层反射率Fig.6 Composite radar absorbing coating reflectivity before and after high and low temperature tests

耐海水试验采用青岛海域实际海水。在海水中浸泡2000h 后，反射率无明显变化，涂层表面生锈腐蚀现象，试验前涂层的附着力为5.56MPa，试验后涂层的附着力为5.41MPa，见图7。

耐湿热性能按GJB150.9—1986 测定，5个周期(1个周期为24h)后，外观无变化，反射率满足要求，试验前涂层的附着力为4.89MPa，试验后涂层的附着力为4.77MPa，如图8 所示。

图7 耐人造海水浸泡试验前后雷达吸波涂层反射率Fig.7 Radar absorbing coating reflectivity before and after resistant artificial seawater immersion test

图8 雷达吸波涂层湿热试验前后反射率Fig.8 Radar absorbing coating reflectivity before and after the hot and humid test

(4)盐雾试验

按GB/T1771—1991 进行耐盐雾2000h 后，涂层不起泡、不开裂、不脱落，反射率满足要求，试验前涂层的附着力为5.93MPa，试验后涂层的附着力为5.88MPa，具体的电性能如图9 所示。

图9 雷达吸波涂层盐雾试验前后反射率Fig.9 Radar absorbing coating salt spray test before and after the reflectivity

(5)人工加速老化试验

按GB1865—1989 进行人工加速老化2000h后，涂层外观无明显变化，反射率满足要求，试验前涂层的附着力为5.16MPa，试验后涂层的附着力为4.29MPa，具体的反射率如图10 所示。

图10 雷达吸波涂层人工加速老化试验前后反射率Fig.10 The reflectivity of Radar absorbing coating before and after accelerated aging tests

3 结论

(1)通过对两种优良吸收剂的电磁参数ε'，ε″，μ'和μ″的测试，并利用雷达吸波涂料电设计软件的模拟，最终优选了底层为80%A 吸收剂面层为75%B 吸收剂的双层复合雷达吸波涂料。

(2)该双层复合结构设计有效展宽了雷达吸波涂层的吸收频带，在8 ～18GHz 频率范围内反射率不大于－10dB，而厚度只有1. 7mm，面密度为4.0kg/m2。

(3)研制的防腐蚀雷达吸波涂料通过高低温、耐海水、耐湿热等耐环境性能试验后，涂层外观、反射率和附着力无明显变化，说明其耐环境性能优良。

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