新型涂覆型雷达吸波材料的研究进展

2016-09-01班国东刘朝辉叶圣天王飞贾艺凡丁逸栋林锐

表面技术 2016年6期

班国东，刘朝辉，叶圣天，王飞，贾艺凡，丁逸栋，林锐

（中国人民解放军后勤工程学院化学与材料工程系，重庆 401311）

随着高精尖探测技术的发展，军事侦察的方式变得多种多样，高技术侦察和识别能力也有了很大提升。在现代信息化条件下，战争的胜负跟谁先敌发现有着重要的关系[1]。为使装备适应信息化条件下战场的需求，需要尽可能地降低装备被敌方发现的几率，因此装备的隐身技术显得尤为重要[2]。作为隐身技术的重要组成部分，雷达隐身技术的发展和应用使得武器装备的作战能力得到极大的提高[3]。

与其他雷达吸波材料相比，涂覆型雷达吸波材料具有吸波效果好、工艺简单、设计难度小、成本低等特点，是提升装备隐身性能的一项关键技术，在雷达隐身技术中占具重要的地位[4—5]。近年来，各种新型战机和舰艇大量使用涂覆型雷达吸波材料来提高自身的反侦察能力，世界各国对涂覆型雷达吸波材料的研究非常重视[6]。

1 涂覆型雷达吸波材料的隐身机理

1.1 雷达隐身技术作用机理

雷达隐身技术的目的是在某些特定区域内，降低目标的雷达散射截面积，使其不被敌方雷达探测到，采用的方法主要有减弱、抑制、吸收、偏转雷达波[7—8]。根据雷达系统的工作原理，雷达的最大探测距离Rmax表示为[9]：

式中：Pt、Gt分别为雷达的发射功率和天线增益；λ为雷达的工作波长；Pmin为雷达接收机的最小可检测信号功率；δ为被探测目标的雷达散射截面积（RCS）。

分析式（1）可知，降低目标的雷达散射截面积可以减小雷达的最大探测距离，因此目标 RCS是决定目标对雷达波反射能力强弱的关键因素之一[10]。降低目标 RCS的措施主要有两种：一是通过估计雷达的主要威胁方向，并在此探测方向上改变目标的外形以减少该方向的RCS；二是将雷达吸波材料涂覆在目标表面，利用吸波材料的吸收、衰减、消除作用减弱雷达波的反射[11—13]。

1.2 涂覆型雷达吸波材料隐身原理

涂覆型雷达吸波材料（又叫雷达吸波涂层），是一种涂覆在武器装备表面，能将吸收的雷达波的电磁能转换成热能而耗散掉，或者使电磁波通过干涉相消，减小电磁波反射的吸波材料[14—17]。涂覆型雷达吸波材料的隐身原理主要有两种[18—20]：

1）通过内部的吸收剂将电磁能转化成热能耗散掉[21]，从而达到隐身的效果。雷达波入射到涂覆型雷达吸波材料上时，除了一小部分雷达波自然反射，大部分雷达波进入到涂层内部与吸收剂相互作用将电磁能转化成热能，最终以热能的形式耗散掉[22]。其基本原理如图1所示。

2）在雷达吸波材料的上下表面的反射波因为相位相反而发生干涉相消，从而达到减少电磁波反射的效果[23]。其基本原理如图2所示。

2 新型涂覆型雷达吸波材料的典型代表

随着雷达吸波材料的迅速发展，羰基铁粉、超细铁粉等传统的雷达吸波材料已经不能满足未来雷达隐身的需求。为了能够使雷达吸波材料达到“薄、轻、宽、强”的要求，新型涂覆型雷达吸波材料应运而生，典型代表有纳米吸波材料、多晶铁纤维吸波材料、手征吸波材料和导电高聚物吸波材料[24—28]。

2.1 纳米吸波材料

纳米吸波材料是指材料组分的特征尺寸在纳米量级（1～100 nm）的吸波材料，其具有宽、轻、薄等特点，是一种具有发展潜力的新型涂覆型雷达吸波材料[29]。目前，国内外主要研究纳米复合膜吸波材料、纳米金属与合金吸波材料、陶瓷纳米吸波材料和纳米氧化物吸波材料几个方面。

纳米吸波材料因具有良好的吸波效果而成为国外吸波材料研究的方向和热点，许多国家都把它作为新一代隐身材料的重点研究对象，特别是美国和法国。美国[30]通过不断地探索和研究，研制出了“超黑粉”纳米吸波材料，其吸收率高，而且在低温下具有很高的韧性。法国[31]成功研制的钴镍纳米材料与绝缘层构成的复合结构，由粘结剂和纳米级微屑填充材料组成，这种由多层薄膜叠合而成的结构具有很好的磁导率，其在0.1～18 GHz范围内，电磁参数的实部和虚部均大于6。

目前，国内对纳米吸波材料的研究也很重视，何婷婷[32]通过静电纺丝技术改变磁性颗粒的质量分数得到PAN/Fe3O4纳米复合材料，通过对实心结构和中空结构的 PAN/Fe3O4纳米复合材料研究发现，中空结构的PAN/Fe3O4纳米复合材料对雷达波的吸收带宽分别从实心结构的9.25 GHz和5.3 GHz拓展到9.9 GHz和7.4 GHz，最大反射损耗从34.2 dB增大至37.1 dB，反射损耗最大差值已经达到7.7 dB。穆永民[28]通过理论探索和计算机辅助设计研究出纳米SiC粉体涂层、纳米Fe3O4粉体涂层以及纳米 SiC粉体和纳米 Fe3O4粉体混合三种吸波涂层，三种涂层样品在 8～18 GHz具有较好的吸收效果，且对毫米波具有良好的吸波性能，特别是纳米Fe3O4粉体制成的吸波涂层，吸波效果最好，反射损耗达到−7.988 dB。

近些年国内外对纳米吸波材料进行了深入的研究和探索，发现不同的纳米吸波材料在物理、化学方面各有优缺点[33]，如表1所示。

表1 几种纳米吸波材料的优缺点比较Tab.1 Comparison of the advantages and disadvantages of several kinds of nano absorbing materials

尽管纳米吸波材料存在不同程度的缺点，但是由于纳米颗粒的尺寸优势以及独特的结构，纳米材料的吸波性能比常规材料优异。随着社会的发展以及纳米材料的不断开发应用，纳米吸波材料将朝着宽频、轻质、耐高温、韧性好的方向发展。

2.2 多晶铁纤维吸波材料

多晶铁纤维吸波材料[34]是一种优良的雷达吸波材料和精密度高的磁记录材料，广泛应用于医学、生物工程，因此各国学者对其研究热度较高[35]。

国外对于多晶铁纤维吸波材料研究时间早，且技术比较成熟，但由于技术封锁，相关文献较少。美国3M公司[36]运用平均直径为0.26 μm，平均长度为6.5 μm，长径比约为25的多晶铁纤维，制备出厚度为1.0 mm的雷达吸波涂层，测试得出的最小反射率低于−30 dB。欧洲 GAMMA公司[37]研发了以多晶铁纤维为吸收剂的新型雷达吸波涂层，报道称该项技术已用于法国国家战略防御部队的导弹和飞行器。

国内对多晶铁纤维吸波材料也进行了不少研究，取得了较好的成果。魏赛男等[38]提出了用多晶铁纤维作为原材料来开发柔性吸波织物，对直径10 μm的铁纤维与直径18 μm的不锈钢纤维的力学性能、摩擦性能进行对比实验研究，预测了铁纤维能够顺利实现纺纱的可行性。李小莉[39]利用磁引导的有机物气相分解法（MOCVD）制备了多晶铁纤维，通过对不同添加量的吸波材料性能的比较，得出多晶铁纤维涂层的面密度会随着填充比的减小而减小。另外，电磁参数的测试表明，多晶铁纤维的磁导率实部和虚部以及介电常数实部和虚部都很大，得出多晶铁纤维是一种双复介质吸收剂，这也是多晶铁纤维能够实现薄涂层的重要原因之一。赵振声等[40]研究了纤维取向样品的制备，测试结果表明，多晶铁纤维吸收剂的微波电磁参数具有明显的形状各向异性，其轴向磁导率大于径向磁导率，轴向介电常数大于径向介电常数。

由于国内学者研究深度不够以及实验条件的限制，多晶铁纤维吸波材料的制备和应用方面还是存在很多问题，其性能与国外材料的性能相比差距较大。因此对于多晶铁纤维吸波材料还需要做进一步的研究，比如从多晶铁纤维的直径均匀化程度等方面来增加数据的准确度等。

2.3 手征吸波材料

手征吸波材料，是一种用任何操作方式都不能让实物与镜像物体重合的材料。它不仅能够吸收电磁波，还能减少电磁波的反射，成为各国学者大力研究开发的一种新型涂覆型雷达吸波材料[41]。与普通吸波材料相比，手征吸波材料具有阻抗匹配易实现、频带宽等优点。

20世纪80年代以来，国外学者就开始对手征介质中电磁波的传输特性、手征微波器件及手征特性的物理机制进行研究。A.Lakhtakia等[42]利用表面电荷和电流分析了手征介质的散射特性，研究了任意截面手征吸波材料介质圆柱的散射特性。

目前国内学者对于手征吸波材料研究较少。肖中银等[43]的研究表明，掺加手征体后的基质，其介电常数和磁导率都会发生改变，反射系数会受到较大影响，具体实验表明，反射系数会随着介电常数实部的增大而减小。李文军等[44]通过调节镶硫合金的组分得到直径在 1～12 μm之间各种尺寸的微碳卷，研究表明该微碳卷是一种吸波性能优异的手征吸波材料。

相对于其他吸波材料，手征吸波材料虽然具有吸波频率高、吸收频带宽等优点，但是它的制备工艺比较复杂，限制了其应用。另外，手征参数的频率敏感性比介电常数和磁导率的小，所以手征吸波材料在提高吸波性能、扩展吸波带宽等方面具有很大潜能。

2.4 导电高聚物吸波材料

导电高聚物吸波材料是由含一价阴离子、具有非定域的π−电子共轭体系的高聚物组成的吸波材料[45]。可以通过化学或者电化学方法掺杂使其电导率在绝缘体、半导体和导体范围内变化。与普通高聚物相比，导电高聚物最显著的特点[46]如下：一是通过化学或者电化学的方法掺杂，它们的电导率可以在绝缘体、半导体和金属态宽广的范围内变化，而它的物理化学、电化学行为强烈依赖于掺杂剂的性质和掺杂的程度；二是在导电高聚物研究领域中所引用的“掺杂”术语完全不同于传统的无机半导体的“掺杂”概念。导电高聚物的合成方法主要有电化学方法和化学方法，表2主要介绍了两种方法的优缺点[47]。

表2 导电高聚物合成方法的优缺点Tab.2 The advantages and disadvantages of preparation methods for conductive polymer

自20世纪90年代以来，美国、法国和日本等国的学者就开始对导电高聚物吸波材料进行研究，准备将导电高聚物作为未来隐身战斗机及侦察机的“灵巧蒙皮”，以及巡航导弹头罩上的可逆智能隐身材料等[48]。法国Laruent[49]研究了聚吡咯、聚苯胺在0～20 GHz范围内的吸收性能，结果表明聚吡咯平均衰减7 dB，最大达到37 dB，频宽为3.0 GHz。Franchitto等[50]利用十二烷基苯磺酸掺杂的聚苯胺与乙丙橡胶共混制成厚度3 mm的复合材料，在X波段反射率低于−6 dB，峰值达到−15 dB。

国内近几年对导电高聚物吸波材料研究比较深入，毛卫民[51]等制备了导电聚苯胺/羰基铁粉复合吸波材料，研究表明，它在2～12 GHz频段范围内反射率小于−10 dB。李元勋[52]等采用原位掺杂聚合法制备了聚苯胺/M 型钡铁氧化体纳米复合吸波材料，研究表明，该复合材料的反射率小于−20 dB的频宽可达15.07 GHz。

目前，导电高聚物吸波材料的研发虽然取得了很大的进步，但要将其应用于实际还有两个方面的问题急需解决。

1）加工性能的改善。导电高聚物链间较强的相互作用，导致其溶解与加工性较差，严重限制了它的广泛应用。

2）稳定性的改善，拓宽其适用温度范围。导电高聚物放置在大气中，其室温电导率逐渐降低，而且掺杂剂本身不稳定，也影响了导电高聚物的适用温度范围。