雷达吸波涂层海洋大气环境适用性试验研究

宿兴涛，孙敬哲，朱晓蕾

雷达吸波涂层海洋大气环境适用性试验研究

宿兴涛，孙敬哲，朱晓蕾

（北京应用气象研究所，北京 100029）

分析一种雷达吸波隐身涂层在海洋大气自然环境下性能的变化规律。对12个月不同阶段涂层的常规物理性能和电性能进行检测，其中常规物理性能包括宏观形貌、金相形貌、微观性能、附着力、抗冲击强度和红外光谱。从宏观形貌看，涂层明度和色差值呈上升趋势，12个月明度增加1.22，色差值增加2.91，颜色向绿色和蓝色发展，失光率先增大、后减小，最大失光率为9个月时的34%。涂层附着力和试验时间呈现非线性关系，6个月时，附着力降低了18%，12个月时增大了24%。涂层在2～18 GHz的频率范围内，吸波曲线大体呈“U”形，最低反射率随时间向低频方向偏移。涂层金相形貌、微观性能、抗冲击强度和红外光谱特征总体变化不明显。在1 a内，自然海洋大气环境对雷达吸波隐身涂层常规物理性能和电性能产生了一定影响，但在试验时间相对较短情况下，海洋大气环境对涂层老化的影响作用尚未充分显示，需要结合更长周期的试验数据进一步分析。

隐身涂层；雷达吸波；制备；物理性能；电性能；海洋大气环境

隐身技术能够显著提高国防体系中军事目标的生存能力、武器系统的突防和纵深打击能力，各国均十分重视此项技术。在目前看来，隐身涂层、结构隐身材料和外形技术是实现隐身的3项主要技术措施[1]。其中，隐身涂层具有高性能、易施工、低成本、不受目标外形限制等特点，是目前应用最广、发展最好、最为有效的隐身技术手段[2]，是隐身技术中的重要支撑。随着隐身技术以及民用物联网电磁干扰/屏蔽[3]、红外能量辐射控制[4]等技术的发展，隐身涂层材料的重要性日益受到社会关注，国内外普遍重视对隐身材料的研发和应用。目前已服役战机如美国F-22和F-35战机、俄罗斯苏-57战机及我国J-20战机，均在机体表面涂覆有大量隐身涂层[5]，俄罗斯地面装备如“阿玛塔”主战坦克、T-72主战坦克、BMP-2和BMP-1KSh步兵战车等也已开展大量涂装试验。随着探测技术的迅速发展，单一频段的隐身已经不能够满足需求，隐身涂层正向雷达波、红外线、可见光等多频谱隐身方向发展[2,5]。根据涉及的频谱，包括微波、红外、光、声等，相对应隐身涂层材料也分为雷达隐身涂层材料、红外隐身涂层材料、可见光及声隐身涂层材料等[2,6]。

随着装备使用服役，隐身材料等基础产品的环境效应特性对装备的环境适应性和性能的发挥具有重要影响，严重制约装备的作战能力[7-15]。包括美俄在内的军事强国高度重视隐身涂层环境效应研究，认为该项技术对隐身武器装备的作战效能，装备战斗力的形成、维持与提高，甚至战争的胜负具有至关重要的影响[4]。作为武器装备的重要质量特性之一，隐身涂层的环境适应性研究尤为重要[1]。目前，我国装备基础产品的环境效应数据积累不足，特别是新型材料（如隐身涂层材料）的环境效应数据严重匮乏。由于未开展系统的环境试验考核与验证，这些新型材料在预期服役环境中的劣化特征、规律等未能掌握，难以预判其在服役环境中的环境适应性，导致装备研制设计面临环境效应数据支撑不足，严重制约了新型隐身材料在装备中的应用。因此，迫切需要开展新型隐身材料的环境试验研究，掌握其环境效应数据，推动新型隐身材料在装备中的应用，满足装备隐身性能发展需求。本文针对我国东南沿海地区装备运用，制备一种雷达吸波隐身涂层，研究海洋大气环境对隐身涂层性能的影响，为装备部署运用提供数据和技术支撑。

1 样品制备

关于隐身涂层的制备已经开展了较多研究[16-20]，本文制作的雷达吸波涂层样品，选用碳纤维增强环氧树脂基复合材料作为样品基材。将雷达吸收剂、环氧树脂、偶联剂、固化剂等按相应比例或含量混合，搅拌分散制成雷达吸波涂料。按照雷达吸波涂层的涂装施工要求，在碳纤维增强环氧树脂基复合材料上涂覆雷达吸波涂料，制备不少于20件满足性能指标要求的雷达吸波涂层试验样品，其尺寸规格为300 mm× 300 mm。样品P的主要成分为片状铝粉、环氧树脂、偶联剂、固化剂、有机黑色颜料，样品M的主要成分为片状铝粉、有机硅树脂、偶联剂、分散剂、流平剂、无机粘结剂、无机黑色颜料。涂层样品四周边缘采用硅橡胶进行封边。制备完成后，对雷达吸波涂层样品进行合格检测。其中，常规物理性能包括外观、光泽、色差、附着力、抗冲击强度、厚度和微观性能，电性能包括红外反射率和雷达反射率。涂层厚度为(0.5±0.1) mm，频率范围为8～18 GHz，反射率小于–5 dB，附着力≥5 MPa。检查结果符合相关参考标准，同时相关材料符合当前市场主流，具有较好的代表性。

2 自然环境试验设计

海洋大气环境具有平均气温高、降水多、湿度大、润湿时间长、日照时数高、太阳辐射强、盐雾浓度高等特点，对装备表面隐身涂层腐蚀能力强[21-26]。选择海南万宁试验站作为自然环境试验地点，该站属于典型热带海洋大气环境，具有较好的代表性。参照GJB 8893.1—2017《军用装备自然环境试验方法第1部分：通用要求》和GJB 8893.2—2017《军用装备自然环境试验方法第2部分：户外暴露》，开展雷达涂层样品的大气自然环境暴露试验，户外暴露试验面向赤道，与水平面呈现45°角。同时，开展雷达涂层样品0°和45°不同暴露角度的考核对比试验，研究不同暴露角度对涂层体系性能/功能的劣化特征及规律。样品试验信息见表1，试验现场如图1所示。鉴于自然环境试验时间还在开展过程中，本文选取已采集的第一年海洋大气环境效应数据进行分析，研究对象为雷达吸波涂层，重点分析其常规物理性能变化。

表1 样品试验信息

Tab.1 Sample test information

图1 试验现场

3 雷达吸波涂层性能变化

根据雷达吸波涂层主要功能作用、涂层样品常规性能参数等，确定涂层性能检测项目及方法，见表2。

表2 检测项目与仪器

Tab.2 Test indicators and instruments

3.1 宏观形貌

涂层户外45°暴露12个月后，宏观形貌变化不大，表层防护面漆未发生开裂、起泡等现象，表观状态良好。光泽和色差检测结果分别见表3。可以看出，随着试验时间延长，雷达涂层样品相对明度（Δ*）呈上升趋势，明度（*）有所提高，试验12个月，Δ*为1.22。明度是表示涂层对可见光反射能力大小的亮度，明度提高表示涂层对可见光的反射能力增大。相对红绿对比度（Δ*）和相对黄蓝对比度（Δ*）随着试验时间呈下降趋势，涂层样品颜色分别向绿色和蓝色发展。色差值（Δ*）随着试验时间呈上升趋势，由3个月的0.96升至12个月的2.91。雷达吸波涂层的失光率随着试验时间延长先增大、后减小，检测到的最大失光率为自然环境试验9个月时的34.0%，但光泽仅降低3.2。

表3 涂层样品户外暴露结果（45°）

Tab.3 Outdoor exposure result of coating samples (45°)

通过目视和放大镜对涂层外观进行检测，依据GB/T 1766—2008《色漆和清漆涂层老化的评级方法》对检测结果进行综合评级，结果见表4。可以看出，雷达吸波涂层自然环境试验9个月时，失光率最高，失光率为3级（明显失光），12个月后变色率为1级，即发生很轻微变色。综合所有单项等级评定，L涂层自然环境试验12个月后，综合等级为0级。

表4 涂层样品户外暴露外观评级（45°）

Tab.4 Outdoor exposure appearance rating of coating samples (45°)

3.2 微观形貌

3.2.1 金相形貌

涂层45°户外暴露后表面的金相形貌如图2所示。涂层表层为单层防护面漆。根据金相形貌，自然环境试验12个月后，防护面漆未发现开裂、粉化等现象，虽然表层面漆呈现模糊趋势，但面漆整体仍较致密，且中间吸波功能层未出现裸露，样品表层面漆防护作用仍较好。选取涂层样板表面较为均匀的中间区域作为金相厚度试验部位，涂层表面为防护面漆，防护面漆未发生开裂、起泡、粉化等现象，对中间涂层起到很好的防护作用，雷达吸波功能层厚度没有出现减薄的现象。

图2 涂层样品户外暴露表面金相形貌（45°）

3.2.2 化学成分

涂层表面、截面微观形貌以及截面元素分析结果如图3—6所示。可以看出，试验12个月后，涂层表面仍比较致密。原始表层防护面漆主要含大量的C和O元素和少量的Si和Zn元素；雷达吸波功能层主要含大量的Fe（其质量分数为53.9%～84.1%）、C（其质量分数为12.3%～36.7%）以及少量的O和Si元素；中间层主要是雷达吸收剂、环氧树脂、偶联剂和固化剂等；底漆为锌黄底漆，主要含C和O元素（见表5）。

图3 涂层样品试验12个月后的表面形貌

图4 涂层截面微观形貌

图5 涂层样品原始截面元素分布

图6 涂层样品原始截面元素分布

表5 涂层样品原始能谱分析结果（质量分数）

Tab.5 Original energy spectrum analysis results of coating samples (mass fraction) %

3.3 附着力

雷达吸波涂层样品基体为碳纤维增强环氧树脂基复合材料。为提高吸波功能层（厚度为500 μm）与基体的结合力，基体表面均匀涂覆均匀的锌黄底漆（40 μm）。涂层厚度大于250 μm，依据GB/T 5210—2006《色漆和清漆拉开法附着力试验》中的拉开法测试其附着力。一般而言，附着力随暴露时间延长呈下降趋势，但在试验周期、试验环境等多种因素影响下，也可能呈现波动变化。自然环境试验6个月时，涂层附着力降低18%，而试验12个月时，附着力却增大24%，雷达吸波涂层附着力和自然环境试验时间呈现非线性关系（见表6）。

涂层附着力检测结果表明，附着力破坏方式包含基材100%内聚破坏、面漆与中间漆内聚破坏、面漆内聚破坏3种破坏方式（见图7），但以基材100%内聚破坏为主，表明雷达吸波涂层本身的凝聚力大于涂层与基体之间的附着力。随着自然环境试验时间延长，涂层附着力破坏方式逐渐由基材100%内聚破坏向涂层破坏转变，表明自然环境对雷达涂层破坏方式的影响逐渐显著。

表6 涂层样品附着力测试结果

Tab.6 Adhesion test results of coating samples

图7 涂层样品拉开法测附着力破坏形式

拉开法测涂层附着力的测试结果较为复杂，其影响因素较多。附着力大小与被测样品制备关系很大，如试样制备粘接、表面打磨、胶的用量、固化时间以及压重物的多少等诸多因素。在进行附着力测试时，拉脱可能是涂层间凝聚性和涂层与基体的附着性拉脱共存，实际获得的附着力平均值并不仅仅是涂层与基体之间纯真的附着力值。另外，隐身涂层附着力大小与取样环境的相对湿度也有一定关系，湿度大小与附着力大小呈负相关，湿度小，附着力大。根据万宁站在不同月份其相对湿度有所区别，对附着力的影响也不同。

综合以上因素，附着力值并不是单纯受自然环境因素影响的测试数据。随着时间延长，附着力值有所波动，但涂层与基体的附着力是保证涂层满足力学、物理和化学等使用性能的基本前提，其附着力值和附着力破坏方式的变化规律可作为是评价涂层质量的指标。

3.4 抗冲击强度

涂层试验0～12个月的抗冲击强度结果见表7。采用固定高度为50 cm的重锤落于涂层后用显微镜观察，表层防护面漆未发现开裂、起皱及剥落等现象，表层防护面漆和吸波功能层无分层脱落现象，涂层与基体结合紧密。雷达涂层试验0～12个月后，抗冲击强度仍为50 cm，该雷达涂层在高温、高湿、高太阳辐射、高盐雾作用海洋大气环境下，试验12个月后，其漆膜耐冲击性较好。一方面，雷达吸波涂层本身性能较好，涂层厚度较宽（中间吸波层厚度为500 μm），使应力集中得到缓和，不会发生因涂层与基体膨胀差而造成的涂层剥落现象，涂层附着力较好（10.7～ 16.6 MPa），涂层与基体附着力和涂层间凝聚力高，在高速率的重力冲击下也不易导致雷达吸波涂层剥落开裂；另一方面，自然环境试验时间相对较短，环境因素（太阳辐射、温度、湿度、降水等）对涂层老化影响作用尚未充分显示出来。

表7 涂层样品冲击强度

Tab.7 Impact strength of coating samples

3.5 红外光谱

采用傅里叶红外光谱仪检测雷达吸波涂层样品表层（防护面漆）基团的变化。将试验前的样品原始谱图与经过试验后的谱图进行比较，通过谱图中特征基团特征峰频率的变化或强度的改变等，判别物质结构的变化。涂层原始和试验6、12个月后的红外反射光谱图见图8。与原始谱图进行对比可以看出，雷达防护面漆主要特征吸收峰的强度、位置、形状变化均不明显，表明雷达吸波涂层防护面漆自然环境试验12个月后，物质结构未发生显著变化。雷达吸波涂层特征吸收峰有：2 922.59、1 717.36、1 540.53、1 449.67、1 147.87、796.22、614.27、441.31、405.78 cm–1。

图8 涂层样品红外光谱

3.6 电性能

涂层的雷达吸波曲线如图9所示，涂层在2～18 GHz波段内的反射率平均值见表8。可见，试验0～9个月的吸波曲线均呈“U”形，随着频率增大，雷达涂层反射率均先减小、后增大。8～18 GHz波段内，雷达反射率均小于–6.0 dB。试验12个月，涂层样品的吸波曲线先减小、后保持稳定。在高频段8～18 GHz内，呈现波浪形，反射率基本保持不变，该波段吸波效果较好。试验0～12个月，最低反射率点基本保持在8～ 12 GHz，随着试验时间延长，最低反射率频点向低频方向偏移。根据已有经验，设定的合格带宽设定为≤–5 dB，合格带宽整体随试验时间的延长而变宽。试验12个月后，合格带宽最大，为11.56 dB。最小反射率随着试验时间的延长上下波动，试验6个月时，样品反射率最小，为–8.66 dB（见表9和图10）。

图9 涂层样品吸波曲线

表8 涂层样品不同频段的平均反射率

Tab.8 Average reflectivity of coating samples in different frequency bands dB

表9 涂层样品雷达最小反射率和合格带宽

Tab.9 Minimum radar reflectivity and qualified bandwidth of coating samples

图10 涂层样品的合格带宽和最小反射率

4 结果分析

通过分析雷达吸波涂层海洋大气环境试验第一年的性能变化情况，分析得到以下变化规律：

1）从宏观形貌看，涂层明度呈上升趋势，12个月共增加1.22。颜色向绿色和蓝色发展。色差值随着试验时间呈上升趋势，由3个月时的0.96升至12个月的2.91。失光率先增大、后减小，最大失光率为9个月时的34%，但光泽降低很少。外观综合评级等级为0级。

2）从微观形貌看，金相形貌方面，虽然涂层表层面漆呈现模糊趋势，但整体仍较致密，未发现开裂、粉化等现象，雷达吸波功能层厚度未减薄。化学成分方面，涂层防护面漆以C和O为主，功能层以Fe和C为主，中间层主要是雷达吸收剂、环氧树脂、偶联剂和固化剂等，底漆主要含C和O元素。

3）从附着力看，涂层附着力和自然环境试验时间呈现非线性关系，6个月时附着力降低18%，试验12个月增大24%。附着力值并不单纯受自然环境因素影响，随时间延长，其值有所波动。

4）从抗冲击强度和红外光谱看，12个月涂层抗冲击强度保持不变，防护面漆主要特征吸收峰的强度、位置、形状变化均不明显。

5）涂层在2～18 GHz的频率范围内，其吸波曲线大体呈“U”形。随着自然环境试验时间的延长，雷达吸波涂层的合格带宽（≤–5 dB）有所增大，并且最低反射率向低频方向偏移。

5 结语

为研究隐身涂层海洋大气环境效应，设计制作了一种雷达吸波涂层样品，并选择海南万宁试验站开展户外自然环境试验，重点分析了第一年涂层性能变化规律。根据分析结果，12个月自然环境试验时间相对较短，除红外形貌和附着力发生了一定变化，雷达吸波涂层金相形貌、微观性能、抗冲击强度、红外光谱等常规物理性能总体变化不明显。一方面，雷达吸波隐身涂层制作工艺较好；另一方面，在试验时间相对较短情况下，海洋大气环境对涂层老化影响作用尚未充分显示出来，尚需要结合更长的试验数据进一步分析。

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Experimental Study on Applicability of Radar Absorbing Coating to Marine Atmospheric Environment

SU Xing-tao, SUN Jing-zhe, ZHU Xiao-lei

(Beijing Institute of Applied Meteorology, Beijing 100029, China)

The work aims to analyze the change rule of radar absorbing stealth coating in marine atmospheric environment. The conventional physical properties and electrical properties of the coating at different stages within 12 months were examined, including macroscopic morphology, metallographic morphology, microscopic properties, adhesion, impact strength and infrared spectrum. In terms of macroscopic morphology, the brightness and chromatic aberration of the coating increased. The brightness increased by 1.22 and the chromatic aberration increased by 2.91 within 12 months and the color turned green and blue. The loss of light firstly increased and then decreased, with the maximum value of 34% in the 9thmonth. The adhesion of the coating was nonlinear with the test time, and decreased by 18% in the 6thmonth and increased by 24% in the 12thmonth. The radar wave absorption curve was approximately in the shape of "U" within the frequency of 2-18 GHz, and the lowest reflectivity shifted to the low frequency direction with time. The overall change of metallographic morphology, microscopic properties, impact strength and infrared spectrum characteristics of the coating was not clear. Within 1 a, the natural marine atmospheric environment has a certain effect on the conventional physical and electrical properties of radar absorbing stealth coating. However, under the condition of relatively short test time, the effect of marine atmospheric environment on coating aging has not been fully demonstrated, which needs to be further analyzed in combination with longer-term test data.

stealth coating; radar absorbing; preparation; physical properties; electrical properties; marine atmospheric environment

2022-04-29；

2022-07-01

SU Xing-tao (1984-), Male, Doctor, Senior engineer, Research focus: atmospheric environment simulation.

宿兴涛, 孙敬哲, 朱晓蕾. 雷达吸波涂层海洋大气环境适用性试验研究[J]. 装备环境工程, 2023, 20(2): 017-025.

TJ05；TJ06

A

1672-9242(2023)02-0017-09

10.7643/ issn.1672-9242.2023.02.003

2022–04–29；

2022–07–01

国防科技基础加强计划（2021-JCJQ-JJ-1058）

Fund：National Defense Science and Technology Foundation Strentthening Program (2021-JCJQ-JJ-1058)

宿兴涛（1984—），男，博士，高级工程师，主要研究方向为大气环境仿真。

SU Xing-tao, SUN Jing-zhe, ZHU Xiao-lei.Experimental Study on Applicability of Radar Absorbing Coating to Marine Atmospheric Environment[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(2): 017-025.

责任编辑：刘世忠