火炮弹道隐身用FeSiAl吸收剂径厚比对其低频吸波性能的影响

张钊，齐珺，石轩，李梦威

(1.航空工业第一飞机设计研究院，陕西 西安 710089；2.陕西华秦科技实业股份有限公司，陕西 西安 710119)

隐身技术几乎应用于国防的所有武器装备,如飞机、坦克、导弹和舰艇的隐身等。但随着雷达探测技术的发展进步,武器装备的隐身性能面临着严峻的考验。目前,火炮面临的主要威胁之一是炮位侦察校射雷达[1-2],其对炮群阵地、地面战车等装备具有很高探测能力,当炮弹发射后很容易被敌方雷达捕捉、测算发射坐标和实施反击,构成严重威胁。例如,美军在1991年海湾战争中利用雷达侦察到伊拉克军队火炮和飞毛腿导弹发射阵地356个;在2003年伊拉克战争中,美军利用3个侦察雷达单元在21天内侦测到伊拉克军队火炮和导弹发射阵地1 800个[3]。这些事例证明炮位侦察校射雷达对火炮发射阵地具有极大的威胁。地面压制火炮、舰炮的雷达隐身性能决定着其生存与压制能力,而隐身性能取决于外形及所用的吸波材料,因此,研发基于装备原有结构形态、用于火炮弹丸的涂覆隐身吸波材料,可快速提升火炮的隐身化作战能力。从上世纪开始,世界各国就通过涂覆吸波材料,明显提高了舰炮和火炮的隐身性能[4]。

Fe基合金作为一种典型的磁损耗型吸收剂,具有饱和磁化强度高、温度稳定性好、成本低等优点,适用于火炮装备平台和弹丸的涂覆隐身,受到了广泛关注。通常,合金粉末的片状形貌比块状形貌具有更高的磁导率[5]。球磨处理作为一种简单方便的合金片状化处理工艺,在FeSi[6]、FexNi1-x[7]、FeSiCr[8]和FeSiAl[9-10]等Fe基合金形貌及电磁性能关系的研究中广泛应用,但球磨后片状吸收剂的扁平化程度(粒径与厚度之比,表示为DTR)对其电磁参数和吸波性能的影响鲜有报道。同时,吸波材料在低频的吸波性能研究相对较少,尤其是用于对抗远程炮位侦察校射雷达方面。隐身飞机和隐身导弹使用的吸波材料全是宽带吸波材料,其吸收剂微粒对波长较长的S波段雷达波衰减作用弱,吸收效果不好,涂覆在弹丸表面上无法对远程炮位侦察校射雷达起到隐身作用。目前仅见张培忠等报道的专门用于S波段雷达隐身的吸波材料研究[1,3],根据报道内容,将低频吸波材料涂覆在弹丸表面,可有效提高弹丸对远程校射雷达的隐身能力,因此研究Fe基合金在低频波段的吸波性能对于提高弹丸在低频的隐身具有重大意义。

笔者采用常见的FeSiAl合金微粉作为吸收剂,通过球磨法得到一系列不同径厚比的FeSiAl合金片,研究了径厚比对FeSiAl合金片电磁参数及低频吸波性能的影响,以期实现弹丸对低频波段雷达的隐身。

1 实验

1.1 实验原料与样品制备

实验原料使用类球形的FeSiAl合金微粉(4.0%Si-4.8%Al-Fe,纯度99.5%,购自天津丽兹科技有限公司),无水乙醇(AR,阿拉丁)。

使用球磨机(QM-1SP4型)对合金微粉进行加工处理,将合金微粉与磨球(二氧化锆)一起放入球磨罐内,球料质量比为10∶1,加入适量的无水乙醇,球磨机转速为300 r/min,分别在球磨8、10、12、14、16 h时获得对应球磨时间的样品。

将球磨前后的FeSiAl合金微粉按一定质量比与树脂混合并加入溶剂制成涂料(除非特别说明,否则FeSiAl/树脂=77%),在基材上喷涂,并将干燥固化后的涂层制成内径3.00 mm、外径7.00 mm的同轴圆环样品;采用E8362B型网络分析仪测量样品在0.5～12.0 GHz频段的电磁参数,基于传输线理论计算其反射损耗。

1.2 表征与测试

采用美国FEI公司生产的特高分辨率场发射扫描电镜(Verios G4,FEI,USA)表征样品的形貌、粒径及厚度等。加速电压为10 kV,在测试前,将适量粉体分散在导电胶上,并进行喷金处理。

2 分析与讨论

2.1 FeSiAl合金微粉的微观形貌

图1为FeSiAl合金微粉及其球磨不同时间后的扫描电镜照片。从图1(a)可以看出,FeSiAl合金微粉为球形,平均粒径约为14.8 μm;图1(b)～(d)分别为FeSiAl合金微粉球磨10、14、16 h后的电镜照片,可以看出合金微粉经球磨后形貌变化较大,均为片状。在所考察球磨时间内,合金粉的颗粒尺寸随球磨时间的延长逐渐增大,球磨到14 h时平均粒径达到最大值,此时片状化进行完全。当继续球磨到16 h时,片状颗粒经磨球碰撞后断裂成不规则碎片,由于细碎颗粒的增加,平均粒径有所下降,此外合金片上出现了较多裂纹和孔洞等缺陷。同时,随着球磨时间的增加,颗粒的平均厚度逐渐减小。表1是不同球磨时间合金微粉的统计信息,可以看到,当球磨时间超过10 h时,合金片的平均厚度小于2 μm,径厚比随球磨时间的延长是逐渐增加的,此外需要注意的是虽然球磨16 h的合金微粉具有最大的径厚比,但同时样品细碎颗粒增多和合金片出现孔洞裂缝等缺陷。

表1 不同球磨时间合金微粉的统计信息

2.2 径厚比对介电常数的影响

在0.5～12.0 GHz范围内,不同径厚比下FeSiAl合金微粉介电常数和频率的关系如图2所示。经球磨后不同径厚比合金微粉的介电常数实部(ε′)和虚部(ε″)都有很大变化。其中,不同样品的ε′值基本不随频率的变化发生改变,ε″随频率的增加逐渐增大,但ε′和ε″都随径厚比的增加先逐渐增大后减小,并且都在径厚比为33.5时达到最大值。这是由于球磨后样品都为片状,且比表面积随扁平化程度的增加而增大,从而导致表面极化和空间极化增加;并且片状的颗粒更易形成导电网络,片状化程度增大,载流子更容易在相邻片之间发生跃迁,可以提高材料的电导率[11]。当径厚比超过33.5后,ε′和ε″有所下降的原因可能是吸收剂细碎颗粒的增多和片状颗粒出现较多裂纹、孔洞导致界面之间的弛豫极化降低。

2.3 径厚比对磁导率的影响

图3是不同径厚比下FeSiAl合金微粉磁导率的频谱曲线。由图3可知,样品的磁导率实部(μ′)和虚部(μ″)都随频率的增加而逐渐减小,具有较好的频率响应特性。对于μ′,在低频波段μ′值随着径厚比的增加先逐渐增大后减小,当径厚比为33.5时,达到最大值;在高频波段μ′随径厚比的变化规律与低频波段相反,当径厚比为33.5时,达到最小值。对于μ″,随着径厚比的增加,样品的μ″值先逐渐升高再下降,同样当径厚比为33.5时,μ″值达到最大。μ′和μ″值在开始随径厚比的增大而增大的原因是:一方面片状颗粒的磁矩交换耦合作用逐渐增强,材料的磁晶各向异性和形状各向异性提高;另一方面片状材料的涡流损耗有所降低[12]。当径厚比超过33.5时,μ′和μ″值随径厚比增大反而减小的原因是片状程度已接近极限,此时样品细碎颗粒增多和出现孔洞等缺陷。

2.4 FeSiAl合金微粉所制吸波材料的吸波性能

波导法可以将测试得到的相对复介电常数进行数学运算得到电磁波反射系数[13-14]:

(1)

(2)

式中:Zin为输入阻抗;ε为复介电常数(ε=ε′-jε″);μ为复磁导率(μ=μ′-jμ″);f为电磁波频率;d为样品厚度;c为真空中的光速。

图4为吸波材料厚度为3.0 mm时,不同径厚比FeSiAl合金微粉制得的吸波材料的反射系数曲线。由图4可见,样品片状化后,反射系数峰值向低频移动,并且在保证合金微粉片完整的同时,随径厚比程度的增加移动的越多,这表明在考察范围内合金微粉的扁平化程度对其低频微波吸收特性有很大影响。为了提高低频微波吸收特性,应在一定范围内尽可能的增加样品的扁平化程度。

不同吸收剂质量含量(FeSiAl/树脂)吸波材料反射系数模拟曲线如图5所示。随着吸收剂质量含量的增大,最小反射系数逐渐增加,吸收峰也逐渐向低频移动,但有效带宽有所减小。3 mm厚吸波材料,体积含量为77%时,最小反射系数为-32.6 dB,其对应的峰值频率为1.8 GHz,有效带宽(≤-8 dB)达到2.0 GHz(1.0～3.0 GHz),1～6 GHz反射系数小于-5 dB,在低频波段具有较好吸波性能。

2.5 隐身性能

将隐身材料涂覆在弹丸表面,可以减少弹丸对雷达波的反射。检验隐身材料在弹丸上涂覆后的隐身性能,可用火炮发射隐身弹丸,并用远程炮位侦察校射雷达(工作频带3.1～3.9 GHz)进行搜索、跟踪,测算发射阵地的坐标,检验隐身弹丸对雷达的隐身性能。美军AN/TPQ-37、AN/TPQ-47、AN/TPQ-53等远程炮位侦察校射雷达都工作在S波段(2～4 GHz),采用S波段窄带吸波材料涂覆在弹丸表面可实现弹丸的隐身。张培忠[1]等使用的吸波材料在3.1～3.9 GHz频段内平均反射系数为-25 dB。当火炮与S波段雷达之间距离为30 km时,相对于普通榴弹,隐身弹丸具备隐身性能。当使用的吸波材料在3.1～3.9 GHz频段内的平均反射系数为-14 dB时,雷达跟踪隐身弹丸的距离最远为3.2 km,而未涂覆隐身材料的弹丸与雷达之间的距离最远为23.6 km,涂覆隐身材料后,雷达与弹丸之间的距离缩短了86%,达到显著缩短了雷达跟踪弹丸距离的效果[3]。结合图4所示材料的吸波性能结果,若采用球磨16 h的合金粉,在3.1～3.9 GHz频段内平均反射系数可达到-22.6 dB,因此可以推测使用球磨16 h的合金粉作为吸收剂,可以显著缩短雷达跟踪弹丸的距离。

3 结论

1)通过球磨对FeSiAl合金微粉进行扁平化处理,研究发现复介电常数和复磁导率随径厚比的增加而逐步增加,这可能是由于片状化后的合金样品表面极化与空间极化增加、电导率提升和涡流损耗被抑制共同作用的结果;过度球磨虽然扁平化程度更高,但由于细碎颗粒增多和出现孔洞,因此不利于复介电常数和复磁导率的提升。

2)反射系数结果表明,当吸波材料厚度为3 mm时,在保持片状合金微粉完整度的同时,吸收峰会随着径厚比的增加向低频方向移动,球磨14 h径厚比达到33.5的片状合金微粉的低频吸波性能最好;随着吸收剂质量含量的增大,最小反射系数逐渐增加,吸收峰也逐渐向低频移动,体积含量为77%时,最小反射系数为-32.6 dB,其对应的峰值频率为1.8 GHz,1～6 GHz反射系数小于-5 dB,在低频波段显示出优异的隐身性能。

3)经分析表明,弹丸涂覆隐身材料后,可显著降低远程炮位侦察校射雷达的探测威力,进而提升火炮发射阵地的安全性,对未来战场的信息化作战具有重要意义。