防腐蝕型寬頻帶雷達(dá)吸波涂料研究

齊 宇， 何 山， 史有強(qiáng)

(北京航空材料研究院，北京100095)

隱身技術(shù)始于第二次世界大戰(zhàn)，起源德國(guó)，發(fā)展于美國(guó)，在英、法、日、俄等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用，對(duì)于提高現(xiàn)代兵器的突防能力與生存能力發(fā)揮著重要作用，引起世界各軍事大國(guó)的高度重視。隱身技術(shù)可分為光學(xué)隱身技術(shù)、紅外隱身技術(shù)、激光隱身技術(shù)、雷達(dá)隱身技術(shù)等，而雷達(dá)隱身技術(shù)是隱身技術(shù)重點(diǎn)和難點(diǎn)。雷達(dá)隱身技術(shù)是通過(guò)減弱、抑制、偏轉(zhuǎn)目標(biāo)的雷達(dá)回波強(qiáng)度或減小雷達(dá)散射截面積(RCS)，來(lái)降低敵方雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率，其中能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)隱身技術(shù)重大突破的途徑主要是發(fā)展高效的雷達(dá)吸波涂料［1］。

雷達(dá)吸波涂料現(xiàn)階段廣泛使用在艦船裝備上，該涂層一般由樹(shù)脂基體(膠黏劑)、吸收劑以及各種助劑組成。其中吸收劑是主體，決定了涂層吸波性能的好壞;樹(shù)脂基體是基材，決定了吸收劑的加入量、吸收性能的強(qiáng)弱、涂層性能的好壞;各類(lèi)助劑起輔助作用，雖然用量較小，但必不可少，它決定了涂層的質(zhì)量，而且對(duì)吸收劑的加入量也有影響［2］。因?yàn)榕灤美走_(dá)吸波涂料中吸收劑大部分都是易生銹腐蝕，雖然雷達(dá)吸波涂層外有防腐蝕面漆保護(hù)，但是受艦船工作環(huán)境影響，涂層在海面上高鹽霧、高濕度的環(huán)境中表面稍有劃痕或者碰撞若不及時(shí)修補(bǔ)，則涂層表面會(huì)逐漸腐蝕，進(jìn)一步出現(xiàn)“流黃水”的嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象。這樣不僅嚴(yán)重影響艦船外觀，而且重要的是破壞了艦船的隱身性能，給其本身帶來(lái)極大的危險(xiǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外研究的防腐蝕雷達(dá)吸波涂料主要有碳黑雷達(dá)吸波涂料、鐵氧體雷達(dá)吸波涂料和納米復(fù)合雷達(dá)吸波涂料。納米復(fù)合雷達(dá)吸波涂料在國(guó)內(nèi)正處于基礎(chǔ)研究階段，距離工程化應(yīng)用還有較大差距，國(guó)內(nèi)目前可以實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的防腐吸收劑主要有鐵氧體和碳黑。使用碳黑做為吸收劑最大的缺點(diǎn)是吸波性能差，無(wú)法達(dá)到艦船裝備的要求。鐵氧體吸收劑是目前應(yīng)用比較成熟的吸收劑，應(yīng)用十分廣泛。其吸波性能來(lái)源于其既具有亞鐵磁性又有介電性能。其相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)電導(dǎo)率均呈復(fù)數(shù)形式(一般稱(chēng)此類(lèi)物質(zhì)為雙復(fù)介質(zhì))，它既能產(chǎn)生介電損耗又能產(chǎn)生磁致?lián)p耗，吸波性能優(yōu)良［3～5］。但是國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段研究的鐵氧體雷達(dá)吸波涂料的主要缺點(diǎn)是吸收頻段較窄，涂層面密度較重。為了達(dá)到艦船使用雷達(dá)吸波涂料實(shí)用寬頻帶吸收的要求，同時(shí)又受材料的限制雷達(dá)吸波涂層不能太薄。到目前為止，國(guó)內(nèi)［6，7］在防腐蝕型雷達(dá)吸波涂料方面也有一定研究，但大都存在吸波帶寬較窄、雷達(dá)吸波涂層較厚、環(huán)境穩(wěn)定性差等問(wèn)題，并且還沒(méi)有鐵氧體單獨(dú)做為吸收劑的薄層雷達(dá)吸波涂層具有寬頻吸波性能的報(bào)道。

為解決寬頻強(qiáng)吸收與涂層厚度的矛盾，本研究設(shè)計(jì)了雙層結(jié)構(gòu)雷達(dá)吸波涂層;又由于低頻電磁波比高頻電磁波有更好的穿透性，故一般將低頻性能良好的涂層作為最底層;而表層涂料直接與空氣接觸，形成空氣與吸波介質(zhì)界面。因此，設(shè)計(jì)表層材料阻抗近似于空氣阻抗(377Ω)，盡量減少表層反射。另外，采用頻率選擇界面或者半反射界面，可以拓展頻寬增強(qiáng)吸收，提高涂層性能［8］。

1 設(shè)計(jì)原理與試驗(yàn)方法

1.1 雷達(dá)吸波涂料的吸波原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雷達(dá)吸波涂層的吸收效果通常是以反射率的大小來(lái)表示，反射率越小，吸波效果越好［7～9］。對(duì)于單層雷達(dá)吸波涂料，假定底板金屬是理想導(dǎo)體，根據(jù)傳輸線理論，空氣與雷達(dá)吸波涂料界面處的輸入阻抗及雷達(dá)吸波涂料的反射率可表示為:

式中:Zi為傳輸線的特性阻抗，μr為雷達(dá)吸波涂料的復(fù)磁導(dǎo)率(即μr=μ' －jμ″)，εr為雷達(dá)吸波涂料的復(fù)介電常數(shù)(即εr=ε' －jε″)，d 為雷達(dá)吸波涂料的厚度，λ 為自由空間中電磁波的波長(zhǎng)，R 為雷達(dá)吸波涂料的反射率;Z0為空氣的特性阻抗。

由式(1)、式(2)可知，雷達(dá)吸波涂料的吸波效果與材料的復(fù)磁導(dǎo)率、復(fù)介電常數(shù)、厚度和電磁波的波長(zhǎng)有關(guān)。采用單層材料很難達(dá)到寬頻高吸波的目的［10～12］。因此，可考慮使用復(fù)合吸收劑和雙層結(jié)構(gòu)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，其可變參量增多，也就更容易達(dá)到可調(diào)參數(shù)的控制，可在厚度盡可能小的情況下達(dá)到寬頻吸波的效果，隨后對(duì)幾種吸收劑進(jìn)行電磁參數(shù)的測(cè)量以了解μr和εr，然后再合理進(jìn)行電性能設(shè)計(jì)。

1.2 測(cè)試方法及原料

A)原材料

鐵氧體鐵粉，牌號(hào)A，B;多羥基支化聚酯，牌號(hào)MX－2325;甲苯二異氰酸酯，牌號(hào)TDI;環(huán)氧樹(shù)脂，牌號(hào)0199;助劑;有機(jī)溶劑。

B)測(cè)試方法

電磁參數(shù)測(cè)量:把吸收劑和低介電常數(shù)物質(zhì)(如石蠟)混合一起應(yīng)用“波導(dǎo)法”使用HP8722ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)吸收劑進(jìn)行電磁參數(shù)測(cè)量，即得到吸收劑的電磁參數(shù)ε'，ε″，μ'和μ''。

反射率測(cè)量:把雷達(dá)吸波涂料涂敷在鋁制平板上待涂層完全固化后應(yīng)用“弓形法”使用HP8757E標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)雷達(dá)吸波涂層進(jìn)行反射率測(cè)量。

面密度測(cè)量:首先在試驗(yàn)前用天平稱(chēng)量試板的重量，待涂層完全固化后稱(chēng)量已涂敷涂料的試板重量，用兩者的質(zhì)量差除以試板的面積即得到涂料的面密度。

C)反射率試樣制備方法

準(zhǔn)備180mm ×180mm × (3 ～5)mm 的鋁制平板，根據(jù)雙層復(fù)合雷達(dá)吸波涂料各層材料與厚度的設(shè)計(jì)，將制成的雷達(dá)吸波涂料攪拌均勻，然后分別按方案設(shè)計(jì)的厚度要求涂底、面層涂料在平板上。待涂層完全固化后按照GJB 2038—1994 測(cè)試方法測(cè)量涂層反射率。

2 結(jié)果與討論

2.1 電性能設(shè)計(jì)

因?yàn)楦鶕?jù)以上提到的材料吸波原理可知吸收劑的電磁參數(shù)ε'，ε″，μ'和μ″對(duì)材料的吸波性能起到關(guān)鍵的作用［13～16］，因此首先在電性能研究之前對(duì)A，B兩種吸收劑進(jìn)行電磁參數(shù)的測(cè)量，這樣可以根據(jù)電磁參數(shù)的結(jié)果優(yōu)化選擇對(duì)電性能的設(shè)計(jì)有較大的幫助。

吸收劑的電磁參數(shù)見(jiàn)表1 ～表4。

表1 80% A 吸收劑電磁參數(shù)Table 1 Electromagnetic parameters of 80% A absorbent

表2 82% A 吸收劑電磁參數(shù)Table 2 Electromagnetic parameters of 82% A absorbent

表3 78% A 吸收劑電磁參數(shù)Table 3 Electromagnetic parameters of 78% A absorbent

表4 75% B 吸收劑電磁參數(shù)Table 4 75% B absorbent electromagnetic parameters

用雷達(dá)吸波涂料電設(shè)計(jì)軟件，經(jīng)過(guò)方案優(yōu)化得出設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖1 ～圖3。對(duì)應(yīng)的方案見(jiàn)表5。

比較圖1 ～圖3 可知，當(dāng)?shù)讓訛?0%A 面層為75%B 時(shí)，材料的反射率吸收頻段較寬，即在8 ～18GHz 頻率范圍內(nèi)反射率均接近－10dB，性能優(yōu)于底層為82%A 和底層為78%A 的反射率，故以底層為80%A 面層為75%B 展開(kāi)試驗(yàn)研究。

表5 材料各層厚度設(shè)計(jì)方案Table 5 Each layer design scheme of material thickness

圖1 底層80%A 面層為75%B 時(shí)的電性能設(shè)計(jì)曲線Fig.1 Electrical properties design curve of the 80%A bottom and 75%B surface

圖2 底層82%A 面層為75%B 時(shí)的電性能設(shè)計(jì)曲線Fig.2 Electrical properties design curve of the 82%A bottom and 75%B surface

2.2 防腐蝕型雷達(dá)吸波涂料實(shí)際反射率試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)以上電性能設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案驗(yàn)證得到實(shí)際的雷達(dá)吸波涂層電性能反射率曲線，試驗(yàn)方案見(jiàn)表6，測(cè)量反射率曲線見(jiàn)圖4 所示。

圖3 底層78%A 面層為75%B 時(shí)的電性能設(shè)計(jì)曲線Fig.3 Electrical properties design curve of the 78%A bottom and 75%B surface

表6 雙層復(fù)合雷達(dá)吸波涂料各層材料與厚度Table 6 Materials and paint layers thick of multi-absorbing composite

圖4 雙層復(fù)合雷達(dá)吸波涂料反射率特性曲線Fig.4 Frequency characteristic curve of multi-absorbing composite coatings

當(dāng)厚度為1.7mm，面密度為4.0kg/m2時(shí)，雷達(dá)波頻率在8 ～18GHz 時(shí)反射率小于－11.0dB。反射率曲線見(jiàn)圖4。

2.3 防腐蝕雷達(dá)吸波涂料耐環(huán)境性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

為滿足現(xiàn)實(shí)的海洋環(huán)境使用要求，防腐蝕雷達(dá)吸波涂層進(jìn)行了耐高低溫、耐人造海水、耐濕熱、耐鹽霧、人工加速老化試驗(yàn)。環(huán)境試驗(yàn)試板表面涂覆氯化橡膠船殼漆。

耐高低溫試驗(yàn)根據(jù)GJB150.5—1986 進(jìn)行試驗(yàn)前后對(duì)比如圖5 所示。

圖5 高低溫試驗(yàn)前后涂層外觀Fig.5 The appearance of the coating before and after high and low temperature tests

耐70℃高溫48h 后材料外觀無(wú)變化，如圖5 中G20;耐－55℃低溫48h 后材料外觀無(wú)變化，如圖5中G21;70℃至－55℃溫度交變?cè)囼?yàn)，保溫時(shí)間1h，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間10min，循環(huán)10個(gè)周期后材料外觀無(wú)變化，如圖5 中G22(上側(cè)為試驗(yàn)前，下側(cè)為試驗(yàn)后);試驗(yàn)前涂層的附著力為5.35MPa，試驗(yàn)后涂層的附著力為5.29MPa，試驗(yàn)前后的反射率見(jiàn)圖6。

圖6 高低溫試驗(yàn)前后復(fù)合雷達(dá)吸波涂層反射率Fig.6 Composite radar absorbing coating reflectivity before and after high and low temperature tests

耐海水試驗(yàn)采用青島海域?qū)嶋H海水。在海水中浸泡2000h 后，反射率無(wú)明顯變化，涂層表面生銹腐蝕現(xiàn)象，試驗(yàn)前涂層的附著力為5.56MPa，試驗(yàn)后涂層的附著力為5.41MPa，見(jiàn)圖7。

耐濕熱性能按GJB150.9—1986 測(cè)定，5個(gè)周期(1個(gè)周期為24h)后，外觀無(wú)變化，反射率滿足要求，試驗(yàn)前涂層的附著力為4.89MPa，試驗(yàn)后涂層的附著力為4.77MPa，如圖8 所示。

圖7 耐人造海水浸泡試驗(yàn)前后雷達(dá)吸波涂層反射率Fig.7 Radar absorbing coating reflectivity before and after resistant artificial seawater immersion test

圖8 雷達(dá)吸波涂層濕熱試驗(yàn)前后反射率Fig.8 Radar absorbing coating reflectivity before and after the hot and humid test

(4)鹽霧試驗(yàn)

按GB/T1771—1991 進(jìn)行耐鹽霧2000h 后，涂層不起泡、不開(kāi)裂、不脫落，反射率滿足要求，試驗(yàn)前涂層的附著力為5.93MPa，試驗(yàn)后涂層的附著力為5.88MPa，具體的電性能如圖9 所示。

圖9 雷達(dá)吸波涂層鹽霧試驗(yàn)前后反射率Fig.9 Radar absorbing coating salt spray test before and after the reflectivity

(5)人工加速老化試驗(yàn)

按GB1865—1989 進(jìn)行人工加速老化2000h后，涂層外觀無(wú)明顯變化，反射率滿足要求，試驗(yàn)前涂層的附著力為5.16MPa，試驗(yàn)后涂層的附著力為4.29MPa，具體的反射率如圖10 所示。

圖10 雷達(dá)吸波涂層人工加速老化試驗(yàn)前后反射率Fig.10 The reflectivity of Radar absorbing coating before and after accelerated aging tests

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)兩種優(yōu)良吸收劑的電磁參數(shù)ε'，ε″，μ'和μ″的測(cè)試，并利用雷達(dá)吸波涂料電設(shè)計(jì)軟件的模擬，最終優(yōu)選了底層為80%A 吸收劑面層為75%B 吸收劑的雙層復(fù)合雷達(dá)吸波涂料。

(2)該雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效展寬了雷達(dá)吸波涂層的吸收頻帶，在8 ～18GHz 頻率范圍內(nèi)反射率不大于－10dB，而厚度只有1. 7mm，面密度為4.0kg/m2。

(3)研制的防腐蝕雷達(dá)吸波涂料通過(guò)高低溫、耐海水、耐濕熱等耐環(huán)境性能試驗(yàn)后，涂層外觀、反射率和附著力無(wú)明顯變化，說(shuō)明其耐環(huán)境性能優(yōu)良。

［1］張政權(quán)，李鐵虎，經(jīng)德齊. 雷達(dá)吸波涂料的研究現(xiàn)狀及其進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2007，21(1):307 －309.(ZHANG Z Q，LI T H，JING D Q. Present status and perspectives of the radar absorbing material［J］. Materials Review，2007，21(1):307 －309.)

［2］王結(jié)良，黃英，梁國(guó)正，等. 雷達(dá)吸波涂層用材料的研究進(jìn)展［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2003，02:28.(WANG J L，HUANG Y，LIANG G Z，et al. Progress in the study of radar absorbing coating materials ［J］. Modern Paint Finishing，2007，21(1):307 －309.)

［3］HAN SHINCHO，SUNG SOOKIN. M-Haxaferrites with plannar mangnetic anisotropy and their application to high frequency microwave absorbers. IEEE Transactions On Magnetics，1993，35(5):3151.

［4］SUGIMOTO S，OKAYAMA L，KONDO S，et al. Barium mtype ferrite as an electromaynetic microwave absorber in the GHz range［J］. Mater Trans JIM，1998，39(10):1080.

［5］NEDKOV I，PETKOVA，KAZPOV V. Microwave absorption on Sc and Co-Ni substiuted Ba-haxaferrite powders［J］.IEEE Transactions on Mangetics，1990，26(5):1483.

［6］徐國(guó)亮，羅潔，劉波，等. 碳團(tuán)簇型雷達(dá)隱身涂料環(huán)境穩(wěn)定性研究［J］.原子與分子物理學(xué)報(bào)，2003，20(1):103－106.(XV G L，LUO J，LIU B，et al. The study on environmental stabilization about antiradar coating of carbon cluster-like material［J］. Journal of Atomic and Molecular Physics，2003，20(1):103 －106.

［7］何山，熊克敏.潛艇雷達(dá)隱身用雷達(dá)吸波涂料研究［J］.航空材料學(xué)報(bào)，1994，14(1):43 －48.(HE S，XIONG K M. Study on antiradar coating for the submarine stealth［J］. Journal of aeronautic al materials，1994，14(1):43 －48.

［8］周志飚，郭志猛，毛衛(wèi)民，等. 復(fù)合型雷達(dá)吸波涂料［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(8):766 －769.(ZHOU Z B，GUO Z M，MAO W M，et al. A composite radar absorbing material［J］. Journal of University of Science and Technology Beijing，2006，28(8):766 －769.

［9］吳曉光. 國(guó)外微波吸收材料. 長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社，1992.(WU X G. Foreign microwave absorbing materials［M］.Changsha:National Defense University Press，1992.

［10］柯林，呂維堯. 微波工程基礎(chǔ). 北京:人民郵電出版社，1981.(KE L，LV W R. Microwave Engineering Fundamentals［M］. Beijing:People's Posts and Telecommunications Press，1981.

［11］陳曙，史瑩冰. 磁性纖維對(duì)常規(guī)隱身材料的摻雜研究［J］. 航天電子對(duì)抗，2001，(6):46 －48.(CHEN S，SHI Y B. Magnetic fiber doping research of conventional stealth materials［J］. Aerospace Electronic Warfare，2001，(6):46 －48.

［12］朱洪立，葉智書(shū)，陳開(kāi)來(lái)，等. 寬頻雷達(dá)吸波涂料研究［J］.工程塑料應(yīng)用，2006，2(34):14 －16.(CHEN H L，YE Z S，CHEN K L，et al. Research on broadband radar absorbing materials［J］. Engineering Plastics Application，2006，2(34):14 －16.

［13］高正娟，曹茂盛，朱靜. 復(fù)合雷達(dá)吸波涂料等效電磁參數(shù)計(jì)算的研究進(jìn)展［J］. 宇航材料工藝，2004，(4):12－15.(GAO Z J，CAO M S，ZHU J. Development in study of effective electromagnetic parameters of absorbing composite［J］. Aerospace Materials ＆ Technology，2004，(4):12 －15.

［14］彭智慧，曹茂盛，袁杰，等. 雷達(dá)吸波涂料設(shè)計(jì)理論與方法研究進(jìn)展［J］. 航空材料學(xué)報(bào)，2003，23(3):58 －63.(PENG Z H，CAO M S，YUAN J，et al. Progress in design theory and methods research on radar absorbing materials［J］. Journal of aeronautic al materials，2003，23(3):58 －63.

［15］張鐵夫，曹茂盛，袁杰，等. 多薄層涂覆雷達(dá)吸波涂料計(jì)算設(shè)計(jì)方法研究［J］. 航空材料學(xué)報(bào)，2001，21(4):46－49.(ZHANG T F，CAO M S，YUAN J，et al. The experimental principle of Nano Indenter II and its applications［J］.Journal of aeronautic al materials，2001，21(4):46 －49.

［16］曹茂盛，房曉勇. 多涂層吸波體的計(jì)算機(jī)智能化設(shè)計(jì)［J］. 燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，25(1):9 －13.(CAO M S，F(xiàn)ANG X Y. Intelligent computer-aided design for muti-coating layer absorber［J］. Journal of Yanshan University，2001，25(1):9 －13.