碳化硅涂层吸波性能的研究

陈春梅

（宁波工程学院，宁波 315211）

目前，吸波材料在各个领域中的应用越来越广泛。尤其在国防领域，军队为了加强自身建设，通常将吸波材料涂层应用于战斗武器表面，以达到“隐身”的目的。吸波材料在军队武器装备力量与电子科技战争中占据重要地位。在国际上，美国对吸波材料作为“隐身材料”的应用已经较为成熟，例如，美国将吸波性能良好的碳化硅材料作为涂层涂于军事武器表面，减弱目标向外散发的雷达特征与红外线等，使得敌军无法检测到目标，从而在战争中占据优势[1-2]。在海湾战争和科索沃战争，人们都可以看到有关“隐身材料”的应用经验。因此，吸波材料作为“隐身”技术的应用越来越重要，为增强我国军事实力，建设国防事业，必须对吸波材料进行深入研究与应用。

较为常见的吸波材料为碳化硅，可以用于一些电子设备、屏蔽设备等，尤其在信息化战争中，可以减弱目标的光电特征、红外信号等[3]。碳化硅作为吸波材料，分为不同的类型，如铁磁金属微粉吸波材料、铁氧体吸波材料、纳米吸波材料、多晶铁纤维吸波材料、陶瓷吸波材料、导电高聚物吸波材料。本文就通过试验研究碳化硅涂层的吸波性能，以期为国防事业作出贡献。

1 吸波机理

碳化硅的原料有石英砂、石油焦等，又叫金刚砂，化学结构为六方形晶体，通常比重为3.2，硬度较大，平均为3000kg/mm2。碳化硅具有很多优点，如导热系数高、膨胀系数小、体积小和强度高等。碳化硅涂层被电磁波影响，从而产生感应电流，感应电流易受电磁场影响改变方向，同时由于材料的高电阻阻碍，电磁波的能量会变为热量散失，即能量消耗，这样雷达等电子设备的信号大大减弱，这种现象称为吸波性能。

不同类型的碳化硅材料具有不同的吸波能力。例如，异形截面的碳化硅与边界规则的碳化硅截面具有不同的吸波性能，不同碳化硅的表面曲率不同，其电荷聚集的能力也不同，通常曲率较小则容易聚集电荷。另外，不同厚度的涂层对吸波性能也有不同的影响。

2 碳化硅涂层吸波性能试验

2.1 试验部分

2.1.1 试验设备及试剂准备

试验用到的设备有电子天平、电子扫描仪、恒温加热磁力搅拌器、X射线衍射仪、红外光谱仪、离心机等。用到的试剂包括碳化硅粉末、盐酸、乙醇、水玻璃、硝基清漆、丙酮、柠檬酸等。

2.1.2 涂层制备

吸波涂层的制备工艺有多种，最简单的是刷涂法，即将触变型流体通过多次刷涂，覆盖住材料的表面。浸涂法是将材料浸入涂料槽，再刷去多余的涂料即可。另外，还有喷涂法与流涂法，本试验主要选择刷涂法。

制备碳化硅涂层要选择合适的黏结剂，本试验选择水玻璃作为黏结剂，常见的有钠水玻璃、钾水玻璃，可通过加热成膜，起到黏结作用，其优点是耐高温高热，易获取，不污染环境且性价比高。在使用时，要注意选择适当模数的水玻璃，以免黏结效果不佳。

将碳化硅粉末与水玻璃按不同比例混合，搅拌并均匀涂于玻璃纤维布上，碳化硅含量与涂层厚度分别形成对照，具体如表1、表2所示。

表1 不同含量的碳化硅涂层

表2 不同厚度的碳化硅涂层

2.1.3 试验过程

（1）用X射线衍射仪对样品结晶度进行检测，XRD扫描，扫描范围3°～50°。

（2）用电子扫描显微镜观察样品结构，利用细聚电子束与样品表面的结构产生物理作用，发出相关信号，将采集到的信号放大，转换成调制信号，再通过显示屏显示，扫描电压为15kV。

（3）用红外光谱测定碳化硅涂层的结构差异。测定范围3000cm以内，波数精度0.01cm。

（4）计算涂层的吸波性能。利用公式R（n）=20×lg[г（n）]，其中，n表示n层材料，г（n）为涂层的反射系数，R（n）为雷达波反射率。

2.2 结果与讨论

2.2.1 结果

通过检测不同厚度的涂层反射率可得，当碳化硅含量为20%时，厚度分别为1.15mm、2.04mm、3.25mm的涂层吸收峰分别为5.84GHz、5.35GHz、4.90GHz，吸波强度均小于20dB。

当涂层厚度一定时，吸收性能根据碳化硅的含量变化，碳化硅含量20%时，吸收峰的峰位在低频段，接近5.72GHz，频宽3.4GHz，吸收强度-20dB。当碳化硅含量为30%时，吸收峰峰值为-25GHz,有效频高为3.7GHz；碳化硅含量为35%时，吸收强度为22.3GHz,频宽4.0GHz。碳化硅涂层中，碳化硅含量增加，其吸收强度与相应频宽也随之增加，即吸波性能增强，但是当碳化硅含量增加到一定程度时，涂层硬度变大，吸波性能不再继续增强。

将6个小组中的涂层置于150℃环境中，观察其吸收峰的峰位均向低频段移动，雷达波反射率几乎无变化，由此可得出150℃高温对碳化硅涂层的吸波性能影响较小。但当涂层置于250℃高温环境中时，吸收峰明显向高频段转移，吸收强度相对减弱。

2.2.2 讨论

通过试验可得，碳化硅涂层越薄，吸波能力越低；涂层中所含碳化硅含量越低，吸波能力越低。当涂层厚度与碳化硅含量达到标准时，涂层可承受250℃高温。在150℃环境中，厚度为1mm的碳化硅涂层吸收强度保持在20dB左右。

通过对比分析可知，碳化硅涂层的最适吸波能力为1mm，碳化硅涂层的多波段吸收可以跨越不同厚度的涂层。随着碳化硅涂层厚度的减小，涂层吸收峰的峰位逐渐转为高频。

在一定范围内，吸收峰的峰位变化与碳化硅含量成正比，碳化硅含量增加，则吸收峰峰位向高频移动。相反，涂层厚度与吸收峰的峰位成反比，厚度增加，则吸收峰峰位移向低频段。当涂层厚度1mm时，碳化硅涂层的吸波性能最佳。

3 结论

本文通过制备碳化硅涂层，对碳化硅涂层的结构、形态和吸波强度等测定，对比了不同含量的碳化硅涂层以及不同涂层厚度对吸波性能的影响，评估了不同涂层的耐高温能力，从而较为深入、全面地了解了碳化硅的吸波性能。