多频谱干扰剂的制备及性能研究

2019-05-05刘禹廷张开创王洪岩

兵器装备工程学报 2019年4期

刘禹廷,张倩,张开创,陈浩,王洪岩

(陆军工程大学石家庄校区弹药工程系，石家庄 050003)

烟幕干扰是实现战场目标隐身的一种重要途径，广泛应用于干扰侦察告警、搜索跟踪及精确制导系统中，具有高效廉价、实施简易、方便灵活等优点[1-2]，随着先进成像制导技术和多模复合制导技术在现役精确制导弹药中的广泛应用，传统烟幕干扰材料的局限性和弱点日益突显，主要体现在以下几方面：有机卤化物等热烟幕剂在红外波段几乎起不到遮蔽作用，且对环境和人体危害性较大；黄铜粉冷烟幕剂对红外激光消光显著，但可见光兼容性较差，且烟幕遮蔽时间较短；箔条等传统干扰材料易于被变极化等新体制雷达识别，难以达到理想的干扰效果；组合型干扰烟幕同步性欠佳易被复合制导系统经过智能识别确定目标信息[3-6]。因此，研制质轻、多频谱、绿色环保的新型干扰剂已成为各军事强国竞相研究的课题。美国专利USP6726964[7]中介绍了一种多频谱干扰材料，其干扰波段为 0.3～40 GHz。制备方法是采用超声波法将金属沉积在聚合物微粒表面。微粒呈纤维状和片状，选用的微粒材料以碳纤维、石墨等碳基材料为主。沉积的金属包括银、锡、金、铂、铜、钴、钯、镉、镍、钛、锌等。俄罗斯专利(RU2371665C2)[8]中介绍了一种新型海陆两用的烟幕弹药，用来应对多模制导武器和多种探测器材。弹内采用分室装填的结构，装填材料有箔条、金属粉、烟火药。弹体抛出后可在空气中形成大面积的圆盘形烟幕，可在可见光、红外、雷达波段产生多频谱干扰。

碳气凝胶是一种轻质多孔的纳米材料，具有巨大的比表面积、超低的密度和多孔结构的特点[9]，相关文献报道，多孔结构的碳气凝胶对可见光吸收率可达99.8%，有望成为一种理想的“超黑体”材料[10]；经过SiO2改性的碳气凝胶具有高效静态电磁屏蔽性能(8～18 GHz平均衰减30.3 dB)和动态红外衰减特性(空气中漂浮15 min，保持衰减10dB)[11]。鉴于碳基气凝胶质轻、多孔及良好吸波性能的特点，其在烟幕干扰领域具有很好的应用前景。本研究采用干混法将碳气凝胶与碳纤维混合制备了多频谱干扰剂，并利用烟箱动态系统研究了多频谱干扰剂对红外(1～3 μm、3～5 μm、8～14 μm)及毫米波(3 mm、8 mm)的衰减效果。

1 多频谱干扰剂设计的理论基础

1.1 烟幕的电磁波衰减机理

烟幕对电磁波的衰减主要是对入射电磁波产生吸收和散射作用[12]，当衰减量足够大时，探测器件所接收到目标特征信号便会减弱甚至消失，从而使敌方无法发现和识别目标，达到有效干扰的作用。烟幕对电磁波的衰减机理如图1。

图1 烟幕对电磁波的衰减机理

烟幕的衰减特性与烟幕干扰剂的电磁特性、表面特性、粒子尺寸、结构形状等密切相关。从微观角度看，物质是由大量带有正负电荷的粒子组成，电磁波在烟幕中传输时会与干扰材料发生相互作用，此时，干扰材料中的带电粒子会在电磁场的作用下发生分布状态的改变，从宏观上表现出干扰材料对外加电磁场的极化、磁化及传导效应[13]。干扰材料对电磁波的吸收衰减本质上是将入射的电磁能转化其他形式的能量(如热能)损耗掉，根据损耗机制的不同，可将其分为电损耗和磁损耗等。常见的电损耗型干扰材料包括：金属类消光材料(消光铜粉、银粉)、碳系消光材料(石墨、炭黑及碳纤维)、陶瓷类消光材料(SiC、Al2O3)等[14,15]。常见的磁损耗材料包括铁氧体材料、磁性金属粉(铁粉、钴粉、镍粉及其合金粉)以及有机金属络合物等[16]。根据空腔黑体模型，干扰材料具有类似黑体模型的结构将有助于提高其吸收电磁波的能力[17]。烟幕对电磁波的散射是由于衰减部分电磁波能量会被干扰材料所截获，并以自身作为波源向四周辐射电磁波，从而使原方向上传输的电磁波能量减少，当烟幕粒子半径远小于入射电磁波波长时，产生的散射称为Rayleigh散射，当烟幕粒子半径接近或大于入射电磁波波长时，其对电磁波的散射衰减可用米氏理论来解释。而根据半波谐振理论，当散射体长度是入射波长的0.5、1、1.5、…倍时，谐振峰出现峰值，此时干扰材料对电磁波的散射衰减效果最强，如箔条、碳纤维等干扰材料在半波长处对3mm和8mm波的衰减效果最佳[16]。

1.2 多频谱干扰剂的设计依据

本质上红外、激光、毫米波都是一种电磁波，但因各自波长、频率的不同，呈现出不同的传输特性，而所需干扰材料的尺寸、电磁特性也往往不同，如一般的红外干扰材料对毫米波几乎起不到干扰效果，而毫米波干扰材料往往对红外衰减效果又甚微。

碳气凝胶是一种多孔碳材料，其特点易于满足烟幕干扰材料的要求，主要原因如下：① 碳气凝胶内部具有大量的孔结构，这一特点符合空腔黑体模型，有助于其对电磁波的吸收衰减；② 在电磁特性上，碳气凝胶作为碳系材料对电磁波可产生很好的电损耗；③ 碳气凝胶作为一种新碳纳米材料，其内部的纳米孔使其具有纳米材料的特性，这一特点有望拓宽吸收频带；④ 碳气凝胶可制备成不同的形状和尺寸，可制备出微米级别的碳气凝胶材料，干扰材料的尺寸和形状上可以满足要求；⑤ 碳气凝内部大量的孔结构使其具有很低的假密度，这意味着其具有较好的悬浮性，有助于提高遮蔽时间。

碳纤维是目前毫米波干扰的常用材料，具有质量轻、滞空时间长等优点，且碳纤维属于碳系材料，与碳气凝胶材料的物性接近相容性较好。综上，本研究以碳气凝胶作为红外干扰组分，碳纤维作为毫米波干扰组分制备多频谱干扰剂。

2 实验部分

碳气凝胶：粒径6～10 μm，平均孔径0～2 nm，比表面积1 800～2 200 m2·g-1，振实密度0.4 g·cm-3；短切碳纤维：长度1.5 mm/2 mm，纤维直径7 μm，密度1.75 g·cm-3，拉伸强度3 800 GPa，两种材料均由国内生产厂家提供。

烟箱：容积为16.5 m3(4.3 m ×2.1 m×1.8 m)，测试光程2.1 m，内置搅拌风扇两个。

红外辐射计及光源：JHF-1型(1～3 μm)；JHF-2型(3～5 μm)；JHF-3型(8～14 μm)红外辐射计，建华机械有限公司。

10.6 μm激光测试系统：YC-CO-O2型，由发射机、接收机、以及计算机终端处理系统组成，中国科学院安徽微光机所生产。

3 mm、8 mm波测试系统：由发射单元、接收单元数据处理系统组成，中国电子科技集团公司第五十研究所生产。

称取一定质量的将短切碳纤维放于箱式电阻炉中，在400 ℃下灼烧5～10 min除去碳纤维表面的有机胶，得到毫米波干扰组分。称取一定质量的碳气凝胶粉体置于容器中，分别向其中加入5wt%的毫米波干扰组分，利用精密增力电动搅拌器搅拌5～10 min得到多频谱干扰剂。由于碳气凝胶和碳纤维的物性接近，碳气凝胶粉体既作为红外干扰组分也可作为固体分散剂，为达到有效干扰组分装药的最大化，不再加入其他固体分散剂。

图2为烟箱测试系统布置图，具体操作过程如下：称取33 g多频谱干扰剂，将其装入到喷洒罐体中并旋紧密封；安装并调试好测试系统，试验前将10.6 μm激光发射和接收装置、红外辐射计及光源、及3 mm、8 mm波接收和发射系统放置于烟箱两侧，并保持光路畅通；打开测试仪器，预热仪器半小时，试验前进行背景采集，并用塑料薄膜封住烟箱窗口，而后利用高压气流将多频谱干扰剂喷洒至烟箱中，同时开启搅拌风扇30s使干扰材料分散均匀，并同步测量，通过计算机数据处理终端记录数据并得出结果；测试结束后，打开烟箱门，启动排烟装置，将箱中烟幕排尽，再进行下一次测量。

图2 烟箱测试系统布置图

3 结果与讨论

1) 多频谱干扰剂红外干扰性能

烟幕的透过是评价其电磁波干扰性能的重要指标，透过率越小表明其电磁波衰减性能越好。图3为测试时间内多频谱干扰剂对红外(1～3 μm、3～5 μm、8～14 μm)透过率曲线。可以看出，多频谱干扰剂施放后，红外透过率迅速下降至0%附近。在气流的作用下，红外透过率曲线出现了一定的扰动，待烟幕分散均匀后，红外透过率的数值趋于稳定，在近中远红外窗口的透过率几乎为0，处于完全遮蔽状态，且有效遮蔽时间大于240 s，测试结果表明多频谱干扰剂质轻、遮蔽时间长，具有优异的红外遮蔽性能。

2) 多频谱干扰剂10.6 μm激光干扰性能

图4为多频谱干扰剂的10.6 μm激光透过率曲线。可以看出多频谱干扰剂对10.6 μm激光同样具有很好的遮蔽性能，随着干扰剂的施放，激光透过率迅速减小，烟幕稳定后，10.6 μm激光的透过率小于6%，且有效遮蔽时间大于240 s。

3) 多频谱干扰剂毫米波干扰性能

图5和图6分别为多频谱干扰剂对3 mm/8 mm波的动态衰减性能，可以看出多频谱干扰剂对3 mm、8 mm波均具有较好的衰减特性。

图5 多频谱干扰剂3 mm波衰减测试曲线

为了综合评价多频谱干扰剂的毫米波干扰性能，根据测试结果计算了测定时间内多频谱干扰剂的毫米波最大衰减值、平均衰减值和留空时间，结果见表1。

图6 多频谱干扰剂8 mm波衰减测试曲线

波段/mm最大衰减值/dB平均衰减值/dB持续时间/s310.733.566086.893.0160

由表1结果可见，对于干扰3 mm波，多频谱干扰剂的最大衰减值为10.73 dB，平均衰减值为3.56 dB，干扰烟幕的持续时间大于60 s。对于干扰8 mm波，多频谱干扰剂的最大衰减值为6.89 dB，平均衰减值为3.01 dB，干扰烟幕的持续时间大于60 s。可见，多频谱干扰剂对3 mm/8 mm均具有一定的衰减作用，这主要是由于短切碳纤维偶极子对毫米波产生吸收和散射作用的结果。