热解碳基泡沫结构应用于热真空吸波箱技术研究

2024-01-08李处森秦家勇林立海许卫刚杜春林张劲松

航天器环境工程 2023年6期

李处森，秦家勇，林立海*，许卫刚，杜春林，张劲松

（1.中国科学院金属研究所，沈阳 110016； 2.北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

近年来，随着我国导航系统和空间站的加速建设，以及探月和行星探测等深空探索工程的逐步推进，针对航天器天线及通信系统在空间模拟环境下的验证考核的重要性更加突出。该验证考核需要使用极低电磁杂波反射的热真空吸波箱装置，而研制适用于该装置高真空和高低温循环运行环境的轻质、高效结构吸波材料尤为必要。

常规结构吸波材料主要采用各种颗粒或短纤维类吸波剂，包括超细碳粉[1]、碳纳米管[2]、石墨烯[3]、短切碳纤维、碳化硅粉、短切碳化硅纤维、羰基铁粉、片状铁硅铝粉、钡铁氧体粉和锶铁氧体粉等；通常以各种树脂、橡胶等高分子材料作为基体，将各种吸波剂与助剂分散于基体中，固化成形为不同结构、不同电磁特性的结构吸波材料[4-8]。以高分子材料作为基体的常规结构吸波材料具有易于加工成形、力学性能好、电磁调控自由度高、吸收频带宽的优势，得以在军民两用领域广泛应用[9-10]；但高分子材料作为基体不利于材料传热与散热、不利于材料耐受超低温、高温差和高真空环境，不利于实现轻载化，这使得常规结构吸波材料应用于热真空吸波箱有一定局限性。

为解决结构吸波材料在热真空吸波箱环境中适用性问题，应避开高分子材料作为基体，而是选用无机吸波材料。目前已经使用碳化硅基吸波材料作为热真空吸波箱用暗室材料，虽然该材料能够满足空间热真空模拟环境要求[11-12]，但其电磁频响差、损耗能力低，不得不采取很高的尖锥尺度才能满足吸波性能要求；并且该材料比重较大（3.2 g/cm3）致使吸波箱很重，极大增加了卫星通信考核的操作危险性，因此急需研发新的无机吸波材料加以替代。

21 世纪初，中国科学院金属研究所科研团队采用前驱体法、通过热解工艺制备了以热解碳为基体的三维连通泡沫结构吸波材料，系统研究了该材料电导率、孔径大小和体积分数与电磁性能的相关性[13]，并在微波器件中得以应用。作为一种无机吸波材料，热解碳基泡沫吸波材料比重小，介电损耗大，有望替代碳化硅基吸波材料应用于热真空吸波箱。

本文将从热解碳基泡沫吸波材料的制备、热真空环境适应性考核、电磁特性分析和吸波结构仿真设计几方面阐述该材料在热真空吸波箱的应用技术研究工作。

1 材料的制备与试验测试项目

1.1 材料制备

将氨酚醛树脂、碳化硅粉、对甲苯磺酸和无水乙醇按100:20:6:100 的比例倒入混料球磨机中，以200 r/min 混料20 min 配制浆料，然后以聚氨酯泡沫为前驱体，重复浸挂浆料→离心→固化步骤，直到样品的比重达到0.5 g/cm3的要求。

将完成前驱体挂料的样品放入热分解炉中，通氮气保护气，按1 ℃/min 升温速度升至650 ℃，保温1 h 后停止加热，自然降温至室温后取出样品，完成热解碳基泡沫吸波材料制备。

热解碳基泡沫吸波材料形貌见图1，其为三维连通一体化开孔泡沫结构，三维连接的筋表面致密，无断裂。该材料比重0.45 g/cm3，为轻质吸波材料，有利于实现吸波箱的轻载化应用。

图1 热解碳基泡沫吸波材料形貌Fig.1 Morphology of pyrolytic carbon-based foam absorbing material

1.2 材料性能测试项目

1）超低温-高温循环试验

将热解碳基泡沫吸波材料放入100 ℃烘箱中保温1 h，然后取出迅速放入-196 ℃的液氮中，1 h后取出，再放入100 ℃烘箱中；循环5 次后，观察试验前后材料形貌变化。

2）电磁仿真试验

采用商业仿真软件，基于热解碳基泡沫吸波材料不同温度的介电常数，仿真计算材料相应温度的吸波性能，迭代优化设计吸波结构。

3）换热性能测试

在中国航天科技集团公司航天器环境可靠性试验中心，依据GJB 9001B—2009 测试标准，分别采用IR/Solar Reflectometer TESA2000 红外发射率测量仪和Hot Disk 热常数测试仪进行热解碳基泡沫吸波材料的半球红外发射率及热导率测试。

4）真空质损测试

评价材料在热真空环境下排气情况的两个重要参数分别是材料的总质量损失（TML）和收集的挥发性可凝结物（CVCM）[14-15]。在中国航天科技集团公司航天器环境可靠性试验中心，采用恒温恒湿试验箱（H-SH-241）和电子天平（XP205）对热解碳基泡沫吸波材料的总质量损失和可凝挥发物进行了测试。

5）介电常数测试

使用矢量网络分析仪N5230A PNA-L 和附带的材料电磁参数测量软件，采用波导法测试热解碳基泡沫吸波材料室温下的宽频介电常数。

通过控制液氮流量实现波导制冷控温[16]，并通入高纯氩气避免波导腔内水蒸气结霜或凝露，测试热解碳基泡沫吸波材料-100 ℃低温介电常数。通过硅油加热循环实现波导制热控温，测试热解碳基泡沫吸波材料100 ℃高温介电常数。

6）吸波性能测试

热解碳基泡沫吸波材料的吸波性能测试在北京无线电测量研究所进行，采用国军标GJB 2038A—2011 中的RCS 法测试材料的电磁波反射率。

2 材料的热真空环境适应性及电磁特性

2.1 热真空环境适应性

2.1.1 温度适用性

超低温-高温循环试验前后热解碳基泡沫吸波材料的形貌如图2 所示，可以看出，试验后材料没有明显的损伤。热真空吸波箱的高低温冷热循环过程不如超低温-高温循环试验那样剧烈，因此该材料在热真空吸波箱中使用可以保持结构完整性。

图2 热解碳基泡沫吸波材料高低温循环试验前后形貌Fig.2 Morphology of pyrolytic carbon-based foam absorbing material before and after high and low temperature cycling

为满足高低温循环中吸波箱体内外的精确温控要求，吸波材料需要具备优异的换热性能。高真空环境下没有对流换热，只需要考虑材料的热辐射和导热能力，其重要评价指标分别是红外发射率和热导率。测得热解碳基泡沫吸波材料的半球红外发射率为0.896，导热系数为0.453 W/(K·m)。尽管该材料导热性能一般，但其具有高热辐射能力，可实现在吸波箱内的高效换热。

2.1.2 真空适用性

热解碳基泡沫吸波材料在真空条件下的挥发性测试结果为总质量损失1.1%、可凝挥发物0.01%。这是因为该材料经高温热解工艺制备而成，残余的可凝挥发物已极少，低可凝挥发物含量确保其在真空下的低挥发性。总质量损失相对较大是因为该材料具有一定的亲水性，吸收空气中水分所致，可采取前期真空升温除水处理，不影响PIM 暗室箱正常使用。

综上，热解碳基泡沫吸波材料能够适用于热真空吸波箱环境。

2.2 电磁特性

2.2.1 宽频带电磁特性

热解碳基泡沫吸波材料为介电损耗型吸波材料。图3(a)为该材料宽频介电常数变化曲线，可见：其介电常数实部（ε′）与虚部（ε′′）值均随频率改变；具有1.5～18 GHz 宽带频响电磁特性，因而具备实现宽频高效吸波的能力，可适用于不同波段的吸波箱。该材料还具有高介电损耗（损耗角正切值ε′′/ε′在0.6 以上，见图3(b)）的电磁特性，通过材料结构设计可更有利于其充分发挥高介电损耗电磁特性的优势。

图3 热解碳基泡沫吸波材料的宽频带介电常数Fig.3 Wide frequency band permittivity of pyrolytic carbonbased foam absorbing material

尖锥吸波结构是暗室吸波材料的经典结构设计，在电磁波进入材料过程中该吸波结构能高效兼顾阻抗匹配和强损耗，大幅提高吸波能力。热解碳基泡沫吸波材料不仅比重小而且其宽带频响和高介电损耗电磁特性也显著优于碳化硅基吸波材料，具备研发尖锥结构宽频带暗室材料的优势[17]。

2.2.2 宽温域电磁特性

针对高低温循环变化的热真空吸波箱使用环境，有必要掌握热解碳基泡沫吸波材料在不同温度下的介电常数，图4(a)为该材料分别在-100 ℃、室温和100 ℃下的介电常数随频率（1.8～2.5 GHz）的变化曲线。相比室温，-100 ℃下该材料的介电常数实部与虚部均明显下降，虚部下降幅度更大；100 ℃下该材料的介电常数实部与虚部均明显升高，虚部升高幅度更大。如图4(b)所示，尽管热解碳基泡沫吸波材料的介电常数随温度改变而改变，但在-100～100 ℃的宽温域范围内仍能保持高介电损耗能力（损耗角正切值ε′′/ε′不低于0.8）。这说明该材料仍适合于具有高效吸波能力的尖锥结构设计，同时必须兼顾宽温域吸波性能。

图4 热解碳基泡沫吸波材料的宽温域介电常数Fig.4 Wide temperature range permittivity of pyrolytic carbon-based foam absorbing material

综上，热解碳基泡沫吸波材料具有宽频带、宽温域（-100～100 ℃）高介电损耗的电磁特性，具有研发多种波段热真空吸波箱用尖锥结构暗室材料的优势；而该材料的介电常数随频率和温度改变而改变，在进行吸波箱内尖锥结构材料设计时需要全面考虑。

3 热解碳基泡沫吸波材料在热真空吸波箱中的结构设计

以无源互调（passive intermodulation, PIM）[18-19]吸波箱的研制为例。PIM 作为一种非线性电磁干扰现象，是卫星通信设计时面临的共性问题。为了从整星角度系统解决无源互调问题[20]，迫切需要研制PIM 吸波箱，要求其中的结构吸波材料能在高低温循环、高真空的热真空环境下高效吸收卫星天线发射出的双载波电磁信号，进而大幅弱化双载波电磁信号之间的耦合作用，实现低PIM 的等效空间电磁暗室环境，以保证准确评价卫星整体载荷设计产生的PIM 问题[21]。

通过两天线收发信号进行吸波箱低PIM 性能考核，其中：天线1 发射在中心频率约2.1 GHz 时无PIM 信号的2×70 W（48.45 dBm）双载波；天线2接收PIM 信号。PIM 信号功率小于-150 dBm 即可满足吸波箱的低PIM 使用要求。依据发射天线输出电磁波的功率、接收天线所关注的高阶数PIM信号的阶数就可以计算出所产生PIM 信号的功率值[22-23]，进而得出箱内结构吸波材料对天线1 发射电磁波的损耗吸收，只要保证从天线1 到天线2 的电磁信号反射率＜-25 dB，就能满足耦合叠加产生的高阶数PIM 信号＜-150 dBm 的性能要求。

目前，国军标GJB 2038A—2011 是国内第三方测试考核结构材料吸波性能的唯一标准，在该标准中以远场平面波照射材料的反射率来表征吸波性能。然而，一方面吸波箱中天线发射的电磁波不能大面积展开，不能以远场平面波方式而是以近场球面波方式照射吸波材料，平面波与球面波分别照射同一目标时的反射信号大小和频响特性是有差异的；另一方面吸波箱的结构吸波材料涉及宽温域吸波问题，不仅仅局限于室温吸波：因此，仅通过国军标中室温远场平面波照射材料的反射率来表征材料在吸波箱内的宽温域吸波性能是不全面的。

为此，开展热解碳基泡沫吸波材料在热真空吸波箱中吸波结构设计工作应兼顾两个方面：1）针对电磁波室温远场平面波照射目标的国军标测试方法，建立平面波照射材料仿真模型，基于材料室温介电常数开展电磁仿真计算；2）建立吸波箱仿真模型，基于材料的宽温域介电常数开展电磁仿真计算。综合考虑这两方面仿真结果，确定既保证吸波箱内的近场吸波性能达到使用要求，又满足第三方远场实测（依国军标测试）性能考核要求的热解碳泡沫吸波结构。

3.1 远场吸波结构仿真

基于有限元法采用商业软件建立远场仿真模型（如图5 所示）。

图5 热解碳基泡沫吸波结构的远场仿真Fig.5 Far-field simulation of pyrolytic carbon-based foam absorbing structure

模型侧面建立周期边界条件，顶部设定平面波激励，材料属性中引入热解碳基泡沫吸波材料的室温介电常数，仿真频段为1.8～2.5 GHz。从实现高效吸波和避免产生新的PIM 问题两方面考虑，采用泡沫尖锥+底板的一体化吸波结构：前置泡沫吸波材料尖锥结构有利于把电磁波高效引进来并消耗掉；后置泡沫底板一方面要与泡沫尖锥形成很好阻抗匹配，有利于低频电磁波的吸收损耗，另一方面要有效阻止电磁波与吸波箱金属框架接触，避免产生新的PIM 问题。模型中设置热解碳基泡沫吸波材料底板厚度变量，尖锥高度变量和上底、下底边长变量，以反射率值＜-25 dB 为目标，尽量减小尖锥+底板结构总高度，不断调整这些变量数值，开展远场模型迭代仿真计算。

3.2 近场吸波结构仿真

采用商业仿真软件建立与实物尺寸一致的吸波箱仿真模型如图6(a)所示：由内腔底部尺寸700 mm×700 mm、高1100 mm 铝板围成吸波箱箱体，内腔壁上装配尖锥+底板一体化结构的热解碳基泡沫吸波材料；在吸波箱外侧建立辐射边界条件；在箱口放置2 个结构尺寸一样的螺旋天线，天线模型中设置了收发电磁波信号的集中端口激励和理想导体地平面边界条件，螺旋天线1 为发射天线，螺旋天线2 为接收天线，两螺旋天线底部与箱口齐平，中心相距250 mm，对称于箱口中心放置；两天线适用于1.8～2.5 GHz 频段，中心发射频率为2.1 GHz（S11 参数曲线见图6(b)）。

图6 吸波箱近场仿真模型Fig.6 Near-field simulation model of the absorbing box

材料属性中引入热解碳基泡沫吸波材料-100 ℃、室温和100 ℃下的介电常数，开展吸波箱内1.8～2.5 GHz 频段电磁波近场仿真计算。同样采用泡沫尖锥+底板的一体化吸波结构，模型中设置热解碳基泡沫吸波材料底板厚度变量，尖锥高度变量和上底、下底边长变量，以从螺旋天线1 到螺旋天线2 的反射率值＜-25 dB 为目标，尽量减小尖锥+底板结构总高度，不断调整这些变量数值，开展近场模型迭代仿真计算。

3.3 仿真结果与验证

综合考虑远场吸波结构和近场吸波结构仿真结果，最终明确了满足高效吸波性能要求的热解碳基泡沫吸波材料尖锥+底板一体化结构具体尺寸：泡沫底板14 mm 厚，泡沫尖锥70 mm 高，锥顶尺寸5 mm×5 mm，锥底尺寸50 mm×50 mm。该泡沫吸波材料尖锥+底板结构总高度84 mm，面密度＜20 kg/m2。远场仿真得到该吸波结构1.8～2.5 GHz频段的反射率值＜-25 dB（见图7(a)）；近场仿真得到该吸波结构在-100 ℃、室温和100 ℃三个温度点从天线1 到天线2 的反射率（S21）曲线相近，曲线大部分在-55～-38 dB 之间（见图7(b)），这能够保证-100～100 ℃宽温区内耦合叠加产生的高阶数PIM 信号＜-150 dBm 的性能要求。

图7 吸波性能仿真结果Fig.7 Simulation results of absorbing performance

依据仿真结果加工制备了尺寸500 mm×500 mm的尖锥+底板一体化结构热解碳基泡沫吸波材料板（见图8(a)），其面密度＜20 kg/m2。在第三方依照GJB 2038A—2011 中RCS 远场法[24]实测了其吸波性能，如图8(b)所示，实测结果满足1.8～2.5 GHz频段反射率值＜-25 dB 吸波性能考核要求，并且实测与仿真的吸波性能曲线整体接近；略有不同之处在于2 GHz 以下实测吸波性能略差于仿真结果，而2 GHz 以上实测吸波性能略优于仿真结果。究其原因可能是：在图5 的仿真模型中碳泡沫被等效为相同介电常数的均质材料，而实测中碳泡沫试样需要通过机加工完成制备，机加工过程中碳泡沫锥尖“材料欠缺”不可避免，材料欠缺的泡沫尖锥实际大小尺寸小于仿真模型中的均质材料，这有利于改善阻抗匹配，使得2 GHz 以上高频区实测吸波性能略优于仿真结果，同时材料欠缺也会导致谐振峰向高频频漂；而材料欠缺虽然可改善阻抗匹配，但也会降低电磁损耗吸收能力，而后者对低频电磁波影响更大，使得2 GHz 以下低频区实测吸波性能略差于仿真结果。

图8 依照国军标考核要求尖锥+底板结构热解碳基泡沫吸波性能的实测结果Fig.8 Measured results of absorbing performance of pyrolytic carbon-based foam with sharp cone + bottom plate structure according to the assessment requirements of the national military standard of China