高性能雷达吸波涂层的制备及其损伤行为

程宗辉 ， 段本方 ， 陈云鹏 ， 王景坡

（国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241007）

0 引言

隐身涂层具有隐身效果好、施工工艺简单、不受机体外形限制等优点，是目前应用最广、发展最好、最为有效的隐身技术手段之一[1-2]。雷达吸波涂层作为隐身涂层体系的重要组成部分，是飞机实现隐身的关键[3-4]。雷达吸波涂层通过吸收、衰减入射的电磁波，降低目标的回波强度，从而达到隐身的目的[5-8]。

雷达吸波涂层作为一种复杂功能性涂层，主要由吸收剂与胶黏剂组成。其中，铁磁性吸收剂由于具有高的饱和磁化强度、居里温度、兼具磁损耗和介电损耗，同时环境和经济适用性强，被广泛用作雷达吸波[9-13]。此外，战机在长期服役过程中由于受到自然环境的影响以及自身特性的作用，其表面所涂覆的雷达吸波涂层常面临各种损伤失效问题，特别是飞机关键部位（如进气道）的涂层脱落，不仅影响飞机整体隐身性能，甚至严重威胁战机飞行安全[14-16]。因此，为了提高战机战场生存和防御能力，不仅要求其所装备的雷达吸波涂层具有优异的吸波性能，同时对其力学性能提出了更为苛刻的要求。

目前为止，对于雷达吸波涂层的研究主要集中在如何提高其吸波性能以及环境适应性能，而对不同失效模式产生机制以及不同失效模式对其吸波性能的影响的研究较少[17-20]。本研究为了探究雷达吸波涂层损伤脱落、分层粘脱对其吸波性能的影响，以羰基铁粉为吸收剂，聚氨酯为胶黏剂，制备具有高效吸波性能的雷达吸波涂层，并对其在不同厚度、入射角度以及极化方式下的吸波性能进行探究，并基于电磁仿真软件Ansoft HFSS 和弓形框测试系统对其吸波性能进行模拟和测试。

1 试验准备

1.1 样品制备

将一定质量的羰基铁粉与聚氨酯混合，用超声波法分散均匀，然后将分散好的混合溶液进行流延涂覆。待样品干燥后压制成外径为7.00 mm，内径为3.04 mm，厚度为0.80～1.00 mm 的环形试样。采用矢量网络分析仪在1～18 GHz 的电磁参数对其进行测试。

1.2 理论基础

雷达吸波涂层的吸波性能一般使用反射损耗（RL）进行评估。根据传输线理论，当电磁波垂直入射到背靠金属板的雷达吸波涂层时，RL计算公式为：

对于雷达吸波涂层在斜入射条件下的吸波性能，可以通过传输线理论进行计算。其中，当电场与入射电磁波平面垂直时产生水平极化（TE），当电场与入射波平面水平时产生垂直极化（TM），示意图见图1[2]。

图1 水平极化和垂直极化示意图Fig.1 Schematic diagram of horizontal polarization and vertical polarization

当电磁波斜入射在背靠金属板的雷达吸波涂层时，其反射损耗可以根据式（3）计算得出。

式（3）中，水平极化和垂直极化模式下的特征阻抗分别为：

1.3 模型搭建

为了探究不同失效模式对雷达吸波涂层吸波性能的影响，分别模拟脱落损伤和分层脱粘对其吸波性能的影响。图2a、图2b 分别为雷达涂层损伤脱落模型的俯视图和主视图，其中，完整雷达吸波涂层为边长a的正方形，厚度T=0.8 mm；损伤雷达吸波涂层区域为边长ba（b=0.1,0.2,…,1）的正方形，损伤面积占整个图层面积的b2；脱落厚度为T-t。图2c 为雷达吸波涂层分层脱粘主视图，其中分层脱粘高度t2=0.05 mm，产生分层脱粘的位置高度为t。通过电磁仿真软件Ansoft HFSS，利用有限元方法对不同失效模式的雷达吸波涂层进行数值模拟。雷达吸波涂层在HFSS 中的结构示意图见图2d。其中，电场E的方向沿+X方向，磁场H的方向沿+Y方向，同时电磁波沿-Z方向垂直射向雷达吸波涂层，在X、Y方向上分别为单位单元设置主从边界条件进行电磁仿真模拟，数值模型以实际结构单元为基础。

图2 雷达吸波涂层损伤脱落模型示意图Fig.2 Schematic diagrams of damage and shedding model for rader absorbing coating

2 结果分析与讨论

2.1 电磁特性

图3 为所制备的羰基铁/聚氨酯雷达吸波涂层在1～18 GHz 条件下的电磁参数。可以看出，羰基铁/聚氨酯雷达吸波涂层具有高的磁导率和较为匹配的介电常数，介电常数实部ɛ′、虚部ε″在1 GHz 时分别达到27.0、2.7，磁导率实部μ′、虚部μ″在1 GHz时分别达到6.2、1.4。铁磁性雷达吸波涂层兼具磁损耗和介电损耗，同时具有与磁导率相匹配的介电常数，这些因素都有助于雷达吸波涂层实现薄层高效吸收。此外，羰基铁/聚氨酯雷达吸波涂层的介电常数实部和虚部在整个频段范围内基本保持不变，这主要是由于羰基铁具有相对大的电导率，自由电子很容易在其内部形成导电网络，并且随着频率的变化产生电子极化。由于自由电子移动周期很短，不会出现高频极化弛豫现象，因此介电常数基本保持不变。相比于介电常数，羰基铁/聚氨酯雷达吸波涂层的磁导率出现明显的弛豫现象，这主要是由于磁性粉体在高频下产生磁共振，自然共振是GHz 范围内一种常见的共振形式。在自然共振频率附近，材料内部的磁矩偏转角达到最大，对微波场的能量吸收也达到最大，磁导率实部会出现突然降低。

图3 羰基铁/聚氨酯雷达吸波涂层在1～18 GHz 频段范围内的电磁参数Fig.3 Electromagnetic parameters of carbonyl iron/polyurethane radar absorbing coating in the range of 1～18 GHz

2.2 垂直入射条件下的吸波性能

图4 为羰基铁/聚氨酯雷达吸波涂层在不同厚度下的吸波性能。可以看出，随着雷达吸波涂层厚度的增加，其反射损耗峰强度先增加后降低；同时，随着厚度的增加，其反射损耗峰往低频移动，这种现象已经被1/4 波长相消成功解释[9]。在雷达吸波涂层厚度为0.8 mm 时，其反射损耗峰在9 GHz 达到-10 dB；在厚度为2.5 mm 时，其反射损耗峰在2.5 GHz 达到-35 dB，实现电磁波99.95%的高效吸收。涂层不仅在高频段具有优异吸波性能，同时在低频段（尤其是S 波段）也实现高效吸收。当涂层厚度为0.8 mm 时，其反射损耗峰在7.2～12.8 GHz 范围内均达到-8 dB（图4b），在整个火控雷达波段均实现80%的高效吸收，对于提高战机在火控雷达波段的战场生存和防御能力提供了行之有效的解决办法。

图4 雷达吸波涂层在不同厚度下以及厚度为0.8 mm 时的吸波性能Fig.4 Absorption performance of radar absorbing coating at different thickness

2.3 斜入射条件下的吸波性能

随着近场电磁波吸收需求的增加，斜入射条件下电磁波的吸收研究也逐渐得到重视，人们希望雷达吸波涂层不仅在垂直入射情况下具有优异的微波吸收性能，同时在斜入射条件下也可以获得理想的吸收效果。因此，对雷达吸波涂层在斜入射条件下的吸波性能进行研究。

图5 为雷达吸波涂层在不同厚度、不同入射角度TE 模式下的吸波性能。可以明显看出，在同一入射角度下，反射损耗峰强度随着雷达吸波涂层厚度的增加而增加；当厚度保持不变时，其反射损耗峰强度随着入射角度增加而降低。在雷达吸波涂层厚度为0.8 mm、入射角度为40°时，其反射损耗峰在4.5～18 GHz 时均达到了-4 dB；在厚度为2.5 mm、入射角度为40°时，其反射损耗在1～18 GHz 时均达到-4 dB。

图5 雷达吸波涂层在TE 极化模式不同厚度下的吸波性能Fig.5 Absorption performance of radar absorbing coating in TE polarization mode with different thickness

图6 为雷达吸波涂层在不同厚度、不同入射角度TM 模式下的吸波性能。可以看出，相比于TE 极化模式，羰基铁/聚氨酯雷达吸波涂层在TM 极化模式下具有极其优异的吸波性能。在涂层厚度保持不变时，其反射损耗强度随着入射角度的增加先增加后降低，在厚度为0.8 mm、入射角度为60°时，其反射损耗峰在5.5～18 GHz 范围内均达到-10 dB，有效工作带宽达到-12.5 GHz。特别的是，在8～12 GHz 范围内，其反射损耗峰强度均低于-20 dB，意味着99%电磁波被高效吸收。当入射角度增大到80°时，反射损耗峰强度急剧降低，这是由于当入射角增大时，入射雷达波在雷达吸波涂层中的传播距离远大于1/4 波长，阻抗失配，导致吸收性能变差[20,23-24]。以上结果说明，所制备的羰基铁/聚氨酯雷达吸波涂层在垂直入射和斜入射条件下均具有优异的吸收性能，满足宽频、薄层、宽入射角度和高效吸收的应用要求，为解决当前新型航空装备所急需的高效雷达吸波涂层提供了完美的解决方案。

图6 雷达吸波涂层在TM 极化模式下不同入射厚度下的吸波性能Fig.6 Absorption performance of radar absorbing coating under different thickness in TM polarization mode

2.4 雷达吸波涂层脱落对其吸波性能的影响

为了探究雷达吸波涂层损伤失效对其吸波性能的影响，分别对不同损伤面积的雷达吸波涂层全部脱落以及部分脱落的吸波性能进行研究（图7）。

图7a 为损伤区域雷达吸波涂层全部脱落（即脱落厚度为0.8 mm）下的吸波性能，可以看出，随着损伤面积的增加，雷达吸波涂层的吸收强度（尤其是X 波段）明显降低，且最小反射损耗峰往高频移动。当b=0.2，即损伤面积为4%时，其吸波性能基本上不发生变化；当b=0.6，即损伤面积为36%时，在9 GHz 时其反射损耗峰由-10 dB 减小为-5.5 dB，吸波性能明显降低；当b=0.9，即损伤面积为81%时，其吸波性能大幅度降低，吸波性能基本丧失。

图7 雷达吸波涂层在不同损伤面积与脱落厚度下的反射损耗Fig.7 Reflection loss of radar absorbing coating under different damage areas and shedding thickness respectively

图7b～图7d 为损伤区域雷达吸波涂层部分脱落对其吸波性能的影响。可以看出，在损伤面积不变的情况下，随着雷达吸波涂层脱落厚度的增加，其吸波性能同步降低，且吸波性能与损伤面积与脱落厚度的大小成正比。当损伤面积为9%（b=0.3）、脱落厚度t由0 增加到0.7 mm 时，其反射损耗峰强度由-10 dB 降低到-8 dB，其吸波性能微弱降低；当损伤面积为36%（b=0.6）、脱落厚度t由0 增加到0.7 mm 时，其反射损耗峰强度由-10 dB 降低到-6 dB，吸波性能降低幅度增加；当损伤区域面积为81%（b=0.9）、脱落厚度由0 增加到0.7 mm 时，其反射损耗峰强度由-10 dB 降低到-3 dB，其吸波性能大幅降低。

2.5 雷达吸波涂层分层脱粘对其吸波性能的影响

图8 为雷达吸波涂层在不同分层脱粘高度以及分层脱粘面积下的吸波性能。可以看出，当某一厚度下雷达吸波涂层分层脱粘高度不变时，其吸波性能不变；随着分层脱粘面积的增加，其吸波性能微弱降低。因此，通过对比分析不同失效模式对其吸波性能的影响，可以得出，相比于失效模式如分层脱粘，雷达吸波涂层损伤脱落对其吸波性能影响比较大。随着脱落面积以及脱落厚度的增加，其吸波性能降低；而雷达吸波涂层分层脱粘对其吸波性能基本无影响。

图8 雷达吸波涂层在不同分层脱粘高度以及分层脱粘面积下的吸波性能Fig.8 Absorption performance of radar absorbing coating under different delamination height and delamination area

图9 为吸波涂层在不同分层脱粘高度、面积下吸波性能模拟和测试结果。可以看出，无脱落和60%脱落损伤的涂层吸波性能模拟值和测试值基本一致，仅存在稍许偏差，说明仿真模型的可靠性。对于偏差的产生原因，可能是由于测试误差或者涂层厚度均匀性控制问题导致。因此，基于电磁仿真软件HFSS 可以快速高效地对雷达吸波涂层的吸收特性进行预测分析，极大提高研发效率。

图9 雷达吸波涂层在不同失效情况下的吸波性能模拟值和测试值Fig.9 Simulation and test results of radar absorbing coating under different failure conditions

3 结论

1）雷达吸波涂层在厚度为0.8 mm 时，其反射损耗峰在9 GHz 达到-10 dB，在7.2～12.8 GHz 时均小于-8 dB，在整个X 波段实现薄层高效吸收。

2）雷达吸波涂层斜入射条件下具有极其优异的吸波性能。在厚度为0.8 mm、入射角度为60°时，其反射损耗峰强度在5.5～18 GHz 时均达到-10 dB，有效吸收带宽达到-12.5 GHz，实现宽带、薄层、宽入射角度的高效吸收。

3）相比于雷达吸波涂层分层脱粘的失效模式，损伤脱落对其吸波性能的影响更为明显。随着损伤面积的增加，雷达吸波涂层的吸收强度明显降低，且最小反射损耗峰向高频移动。

4）在雷达吸波涂层损伤面积为36%时，其反射损耗峰在9 GHz 条件下由-10 dB 降低为-5.5 dB，吸波性能明显降低；当损伤面积达到81%时，其吸波性能基本丧失。