一种多层胶板雷达吸波材料

何　山，　李业华，　周　淳

(北京航空材料研究院， 北京 100095)



一种多层胶板雷达吸波材料

何山，李业华，周淳

(北京航空材料研究院， 北京 100095)

依据阻抗匹配原理，设计了具有“陷阱”结构的多层吸波材料。通过方案优化，设计出五层结构的吸波材料，该材料在2～18 GHz频段内具有双吸收峰的宽带吸收特性。改变第五层的厚度，可以调整高频吸收峰的位置，而对低频吸收峰影响不大。应用阻抗圆图，直观显示了三种设计方案的阻抗变换情况。研制的JB-5多层吸波材料，在6～17 GHz频段内，反射率≤-12 dB，材料厚度小于5.0 mm，并有良好的耐环境性能。该吸波材料可在实验室制作，根据需要裁剪成一定形状，用专用黏结剂粘贴在目标体表面，能有效降低目标对雷达波的反射。

阻抗匹配；陷阱结构；宽带吸收；阻抗圆图；

雷达探测具有探测距离远、精度高等优点，新型雷达的发展对武器装备产生的威胁越来越大，为此各国都在努力发展雷达隐身技术[1]。雷达隐身技术包括外形隐身技术和雷达吸波材料隐身技术[2-3]，对于已经定型的武器装备而言外形已很难改进，雷达吸波材料成为必选的隐身措施。

结构型吸波材料具有吸波频带宽、可设计性强的特点，并且具有承重和吸波双重功能[4-8]。涂覆型吸波材料可涂覆于目标体表面，具有成本低、施工方便、适应于复杂外形等特点[9-12]。我国现役的武器装备在研发设计时多无隐身考虑，难以采用外形隐身技术和使用结构型吸波材料来降低雷达散射截面(Radar Cross Section, RCS)，因此在装备表面涂覆高吸收性能的吸波材料可以降低RCS，提升防御能力[13]。

隐身材料要求吸波能力强、吸波频带宽、质量轻、厚度薄[14]，对于单层吸波材料阻抗匹配和宽带高效吸收两个要求常常会相互矛盾，采用多层设计可以改善吸收效果和展宽频带。本研究选用磁损耗大的铁粉吸收剂[15]，依据阻抗匹配原理，采用陷阱结构设计多层匹配，并用阻抗圆图选出设计方案，研制了一种五层胶板雷达吸波材料JB-5，在2～18 GHz波段实现了宽带吸收，并具有良好的耐环境性能和力学性能，吸波材料可在实验室内通过涂刷成膜，根据需求裁剪成不同的形状粘贴在目标表面。

1　吸波材料设计与选材

1.1基本原理

雷达吸波材料设计遵循微波传输线理论，要实现良好的吸波性能需要具备两个条件：(1)吸波材料表面与空气有良好的无反射阻抗匹配，使入射到表面的电磁波尽量多地进入材料内部而不在表面发生反射；(2)吸波材料内部对电磁波实现高效吸收衰减，以减少电磁波在底面的反射[16-17]。

均匀传输线上的输入阻抗由式(1)表示

(1)

(2)

反射率为

ΓdB=20lg│Γ│

(3)

在多层吸波材料设计中，第一层的输入阻抗作为第二层的负载阻抗，依次类推得出多层材料的输入阻抗为[18]

(4)

对于确定的频段，多层吸波材料可以通过改变各层的厚度、相对复介电常数的实部、虚部及相对复磁导率的实部、虚部来调整整体的输入阻抗，使输入阻抗在吸收频带内有尽可能多的频率达到或接近空气阻抗，并使内层吸波材料有高的电损耗或磁损耗正切角，对电磁波实现宽带匹配和高效吸收。多层设计分为阻抗渐变型和阻抗更迭型，后者通常称为“陷阱”型。对于厚度较薄的多层吸波材料设计多采用“陷阱”型结构，即在高介电常数、高磁导率的损耗层之间加入低损耗、低介电常数层，在损耗层之间形成多次反射和多次吸收，从而提高吸收率和展宽频带。本研究中采用的是“陷阱”型结构。

1.2实验选材

吸波材料在应用中要求厚度≤5 mm、面密度≤7.5 kg/m2。考虑这种约束条件，在吸波材料设计中对吸收剂、基体材料以及吸波材料结构需要同时兼顾。设计中选用磁损耗大的铁粉类吸收剂A。如图1所示，吸收剂A属于片状颗粒，粒径约40～100 μm，厚度约0.5 μm。片状铁粉自然共振峰值可超过1 GHz，可以调节吸收剂含量及厚度将吸收峰值调整到所需频段。

图1　吸收剂A的扫描电镜图Fig.1　SEM of absorber A

根据阻抗匹配原理，吸波材料在电磁波的入射面介电常数越低越好，考虑在吸波材料中加入低密度的空心玻璃微球降低电磁参数，同时可降低吸波材料的面密度[19]。本研究中选用合成橡胶B作为吸收剂A和空心玻璃微球的基体材料，合成橡胶具有良好的耐候性、耐臭氧、耐腐蚀、耐磨及阻燃等多种优异性能，可以提高吸波材料的耐环境性能。

使用合成橡胶作为吸收剂A和空心玻璃微球的载体，调节吸收剂A的含量，制成吸收剂A质量比分别为70%和81%的两种胶膜C和D，调节空心玻璃微球质量比为17%制成胶膜E，组成配比如表1,2所示，测量胶膜C,D,E的电磁参数如图2,3,4所示。

表1　胶膜C和D的组成及比例(质量分数/%)

表2　胶膜E的组成及比例(质量分数/%)

图2　胶膜C的电磁参数Fig.2　Electromagnetic parameters of film C

图3　胶膜D的电磁参数Fig.3　Electromagnetic parameters of film D

图4　胶膜E的电磁参数Fig.4　Electromagnetic parameters of film E

由图2，3可见，胶膜C,D的磁导率虚部与实部相当，表明胶膜有较大的磁损耗，介电常数实部在20～50之间。由图4可见，在2～18 GHz胶膜E的介电常数实部和虚部都很低，可实现良好透波。

1.3结构设计

根据测量的电磁参数进行吸波材料设计，结构示意图如图5所示。提出的3种设计方案如表3所示，应用公式(1)、(2)、(3)计算相应的反射率，得到的理论曲线如图6所示。

图5　五层吸波材料结构示意图Fig.5　Diagram of absorbing material with 5 layers

SequenceoflayersMaterialThicknessofeachlayer/mmScheme1Scheme2Scheme3FirstA(81%)0.70.70.7SecondGlassmicroballoonparticles(17%)0.80.80.8ThirdA(70%)0.20.20.2ForthGlassmicroballoonparticles(17%)0.33.03.0FifthA(70%)0.10.050

图6　五层吸波材料反射率理论曲线Fig.6　　　　Theoretical reflectivity graph of absorbing material with 5 layers

由图6可见，三种设计方案将吸收剂A进行多次阻抗更迭设计，均使吸波材料在2～18 GHz出现两个吸收峰，改变第5层的厚度，可以明显改变高频吸收峰的位置，而且对低频吸收峰的位置影响不大。

吸波材料的反射率以及吸收峰值是吸波材料与空气匹配效果的反映，为准确分析三种设计方案吸波材料的阻抗匹配效果，可将输入阻抗绘制在阻抗圆图中。阻抗圆图由两组圆构成，两组圆方程分别为[22]

(5)

(6)

将三种设计方案每层材料的厚度以及电磁参数代入公式(4)得到吸波材料的输入阻抗，绘制成阻抗圆图如图7所示。

图7　五层吸波材料的阻抗圆图Fig.7　Impedance chart of absorbing material with 5 layers

输入阻抗曲线经过阻抗圆图中的(1，0)点时，实现阻抗匹配Γ=0，入射到材料表面的电磁波被全部吸收，没有反射，这是阻抗匹配的最佳效果。吸波材料的输入阻抗随着频率变化，在一个频段内不能实现全部频点的匹配时，输入阻抗离(1，0)点越近匹配效果越好[23]。从图7可见，方案2离(1，0)点近的输入阻抗点更多且集中，因此方案2的整体匹配效果更好。本研究采用方案2制作吸波材料，命名为JB-5，在6～17 GHz频段整体性能更好，同时兼顾2～6 GHz频段的性能，反射率可以达到指标要求。

2　结果与讨论

2.1JB-5吸波材料电性能

JB-5雷达吸波材料采用涂刷工艺在实验室进行制备，通过控制每层材料的重量来控制吸波材料的厚度。根据理论设计的吸波材料基本结构，经过多次试验，研制出达到电性能指标要求的JB-5吸波材料，基本性能为：厚度5.0 mm；面密度7.0 kg/m2；反射率在3～6 GHz时≤-3 dB，在6～17 GHz时≤-12 dB；典型的JB-5吸波材料反射率曲线见图8。

图8　JB-5吸波材料反射率曲线Fig.8　Reflectivity graph of JB-5 absorbing material

2.2JB-5吸波材料力学性能

按照GB5210—1985《涂层附着力测定法—拉开法》测试标准，将JB-5吸波材料用801胶黏剂粘接测试附着力可达1.5 MPa，破坏形式为90%内聚破坏。按照GB/T1731—1993 《漆膜柔韧性测定法》测试标准，用圆柱体进行柔韧性试验，经测定JB-5吸波材料柔韧性不大于40 mm。

2.3JB-5吸波材料耐环境实验结果

用801胶黏剂将JB-5吸波材料粘贴在金属板上，采用HM108B密封剂封边，吸波材料按照GJB50《军用装备实验室环境试验方法》进行耐湿热试验、耐盐雾及耐海水试验，测试结果见表4。JB-5吸波材料耐环境试验后，涂层表面无生锈，无脱落，附着力大于1.5 MPa，电性能无明显变化。反射率测试结果见图9～11。

表4　JB-5吸波材料耐环境试验结果

图9　JB-5吸波材料耐海水前后反射率Fig.9　　　　Reflectivity of JB-5 absorbing material before and after resisting sea water

图10　JB-5吸波材料湿热试验前后反射率Fig.10　　　　Reflectivity of JB-5 absorbing material before and after resisting humidity

图11　JB-5吸波材料盐雾试验前后反射率Fig.11　　　　Reflectivity of JB-5 absorbing material before and after resisting salt fog

2.4吸收性能结果讨论

由实验结果(图8)与理论计算结果(图6)比较可见，实验结果与理论计算结果有较好的一致性。计算机辅助设计指明了采用的结构和可能达到的吸收性能，较好地指导了材料试验工作，特别是多层吸波材料研究，大大减少了实验工作量。本研究成功地利用了双吸收峰展宽了吸收频带。由图6计算结果可见，第5层厚度变化，高频吸收峰可在一定范围内变化，而低频吸收峰的位置基本不变。第5层厚度减小，高频吸收峰向高频偏移；第5层厚度增加，高频吸收峰向低频偏移。可见，JB-5吸波材料的高频吸收峰，主要由高频点入射波与多次反射的出射波相位相反引起的干涉作用产生。关于低频吸收峰，由图2、图3可见，吸收层材料的共振吸收峰，即μ″的最大值在5 GHz左右，与JB-5吸波材料的低频吸收峰的位置吻合。由此可见，低频吸收峰主要由材料的固有特性共振吸收产生。磁性材料对电磁波的衰减，主要由磁偶极子共振的磁滞效应产生，在共振峰即μ＂的最大值处，磁损耗达到最大值。而干涉作用是吸波材料采用的基本吸收原理。

3　结　论

(1)采用多层“陷阱”式结构的五层吸波材料通过反射率计算得出，在2～18 GHz内具有双峰吸收特性。

(2)采用涂刷工艺控制每层的厚度，制作的JB-5吸波材料在3～6 GHz频率范围内，反射率 ≤-3 dB;6～17 GHz频率范围内，反射率 ≤-12 dB，具有突出的宽带吸收特性。

(3)JB-5吸波材料附着力可达1.5 MPa；柔韧性不大于40 mm；经过耐环境试验吸波材料表面无生锈及脱落现象，反射率无明显变化，具有良好的耐环境性能。

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A Multilayer Rubber Board Radar Absorbing Material

HE Shan，LI Yehua，ZHOU Chun

(Beijing Institute of Aeronautical Materials， Beijing 100095, China)

Based on the theory of impedance matching, a multilayer absorbing material with the “pitfall” structure was designed. The multilayer absorbing material with 5 layers was obtained by optimization of the schemes, and the material shows 2 absorbing peaks in the broadband of 2～18 GHz frequencies. The peak in high frequencies can be adjusted with no effect on the peak in low frequencies through changing the thickness of the fifth layer. The changes of input impedances were displayed by analyzing the impedance chart. The prepared multilayer absorbing material was named JB-5, which processes the reflectivity no more than -12 dB in 6～17 GHz with the thickness no more than 5 mm and a good performance of standing the environment. The absorbing material can be produced in laboratory and pasted on surfaces of target with special adhesive by trimmed into required shapes so as to reduce the reflection of electromagnetic waves effectively.

impedance matching;pitfall structure;broadband absorbing;impedance chart

(责任编辑：张峥)

2016-04-15；

2016-06-20

航空科学基金(20143121003)

何山(1963—)，男，高级工程师，主要从事吸波材料及吸波材料测试技术研究，(E-mail)biamhs333@sina.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.4.006

A

1005-5053(2016)04-0041-06