一種多層膠板雷達(dá)吸波材料

何　山，　李業(yè)華，　周　淳

(北京航空材料研究院， 北京 100095)

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一種多層膠板雷達(dá)吸波材料

何山，李業(yè)華，周淳

(北京航空材料研究院， 北京 100095)

依據(jù)阻抗匹配原理，設(shè)計(jì)了具有“陷阱”結(jié)構(gòu)的多層吸波材料。通過(guò)方案優(yōu)化，設(shè)計(jì)出五層結(jié)構(gòu)的吸波材料，該材料在2～18 GHz頻段內(nèi)具有雙吸收峰的寬帶吸收特性。改變第五層的厚度，可以調(diào)整高頻吸收峰的位置，而對(duì)低頻吸收峰影響不大。應(yīng)用阻抗圓圖，直觀顯示了三種設(shè)計(jì)方案的阻抗變換情況。研制的JB-5多層吸波材料，在6～17 GHz頻段內(nèi)，反射率≤-12 dB，材料厚度小于5.0 mm，并有良好的耐環(huán)境性能。該吸波材料可在實(shí)驗(yàn)室制作，根據(jù)需要裁剪成一定形狀，用專用黏結(jié)劑粘貼在目標(biāo)體表面，能有效降低目標(biāo)對(duì)雷達(dá)波的反射。

阻抗匹配；陷阱結(jié)構(gòu)；寬帶吸收；阻抗圓圖；

雷達(dá)探測(cè)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，新型雷達(dá)的發(fā)展對(duì)武器裝備產(chǎn)生的威脅越來(lái)越大，為此各國(guó)都在努力發(fā)展雷達(dá)隱身技術(shù)[1]。雷達(dá)隱身技術(shù)包括外形隱身技術(shù)和雷達(dá)吸波材料隱身技術(shù)[2-3]，對(duì)于已經(jīng)定型的武器裝備而言外形已很難改進(jìn)，雷達(dá)吸波材料成為必選的隱身措施。

結(jié)構(gòu)型吸波材料具有吸波頻帶寬、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，并且具有承重和吸波雙重功能[4-8]。涂覆型吸波材料可涂覆于目標(biāo)體表面，具有成本低、施工方便、適應(yīng)于復(fù)雜外形等特點(diǎn)[9-12]。我國(guó)現(xiàn)役的武器裝備在研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)多無(wú)隱身考慮，難以采用外形隱身技術(shù)和使用結(jié)構(gòu)型吸波材料來(lái)降低雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section, RCS)，因此在裝備表面涂覆高吸收性能的吸波材料可以降低RCS，提升防御能力[13]。

隱身材料要求吸波能力強(qiáng)、吸波頻帶寬、質(zhì)量輕、厚度薄[14]，對(duì)于單層吸波材料阻抗匹配和寬帶高效吸收兩個(gè)要求常常會(huì)相互矛盾，采用多層設(shè)計(jì)可以改善吸收效果和展寬頻帶。本研究選用磁損耗大的鐵粉吸收劑[15]，依據(jù)阻抗匹配原理，采用陷阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多層匹配，并用阻抗圓圖選出設(shè)計(jì)方案，研制了一種五層膠板雷達(dá)吸波材料JB-5，在2～18 GHz波段實(shí)現(xiàn)了寬帶吸收，并具有良好的耐環(huán)境性能和力學(xué)性能，吸波材料可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)涂刷成膜，根據(jù)需求裁剪成不同的形狀粘貼在目標(biāo)表面。

1　吸波材料設(shè)計(jì)與選材

1.1基本原理

雷達(dá)吸波材料設(shè)計(jì)遵循微波傳輸線理論，要實(shí)現(xiàn)良好的吸波性能需要具備兩個(gè)條件：(1)吸波材料表面與空氣有良好的無(wú)反射阻抗匹配，使入射到表面的電磁波盡量多地進(jìn)入材料內(nèi)部而不在表面發(fā)生反射；(2)吸波材料內(nèi)部對(duì)電磁波實(shí)現(xiàn)高效吸收衰減，以減少電磁波在底面的反射[16-17]。

均勻傳輸線上的輸入阻抗由式(1)表示

(1)

(2)

反射率為

ΓdB=20lg│Γ│

(3)

在多層吸波材料設(shè)計(jì)中，第一層的輸入阻抗作為第二層的負(fù)載阻抗，依次類(lèi)推得出多層材料的輸入阻抗為[18]

(4)

對(duì)于確定的頻段，多層吸波材料可以通過(guò)改變各層的厚度、相對(duì)復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部、虛部及相對(duì)復(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)部、虛部來(lái)調(diào)整整體的輸入阻抗，使輸入阻抗在吸收頻帶內(nèi)有盡可能多的頻率達(dá)到或接近空氣阻抗，并使內(nèi)層吸波材料有高的電損耗或磁損耗正切角，對(duì)電磁波實(shí)現(xiàn)寬帶匹配和高效吸收。多層設(shè)計(jì)分為阻抗?jié)u變型和阻抗更迭型，后者通常稱為“陷阱”型。對(duì)于厚度較薄的多層吸波材料設(shè)計(jì)多采用“陷阱”型結(jié)構(gòu)，即在高介電常數(shù)、高磁導(dǎo)率的損耗層之間加入低損耗、低介電常數(shù)層，在損耗層之間形成多次反射和多次吸收，從而提高吸收率和展寬頻帶。本研究中采用的是“陷阱”型結(jié)構(gòu)。

1.2實(shí)驗(yàn)選材

吸波材料在應(yīng)用中要求厚度≤5 mm、面密度≤7.5 kg/m2?？紤]這種約束條件，在吸波材料設(shè)計(jì)中對(duì)吸收劑、基體材料以及吸波材料結(jié)構(gòu)需要同時(shí)兼顧。設(shè)計(jì)中選用磁損耗大的鐵粉類(lèi)吸收劑A。如圖1所示，吸收劑A屬于片狀顆粒，粒徑約40～100 μm，厚度約0.5 μm。片狀鐵粉自然共振峰值可超過(guò)1 GHz，可以調(diào)節(jié)吸收劑含量及厚度將吸收峰值調(diào)整到所需頻段。

圖1　吸收劑A的掃描電鏡圖Fig.1　SEM of absorber A

根據(jù)阻抗匹配原理，吸波材料在電磁波的入射面介電常數(shù)越低越好，考慮在吸波材料中加入低密度的空心玻璃微球降低電磁參數(shù)，同時(shí)可降低吸波材料的面密度[19]。本研究中選用合成橡膠B作為吸收劑A和空心玻璃微球的基體材料，合成橡膠具有良好的耐候性、耐臭氧、耐腐蝕、耐磨及阻燃等多種優(yōu)異性能，可以提高吸波材料的耐環(huán)境性能。

使用合成橡膠作為吸收劑A和空心玻璃微球的載體，調(diào)節(jié)吸收劑A的含量，制成吸收劑A質(zhì)量比分別為70%和81%的兩種膠膜C和D，調(diào)節(jié)空心玻璃微球質(zhì)量比為17%制成膠膜E，組成配比如表1,2所示，測(cè)量膠膜C,D,E的電磁參數(shù)如圖2,3,4所示。

表1　膠膜C和D的組成及比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2　膠膜E的組成及比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

圖2　膠膜C的電磁參數(shù)Fig.2　Electromagnetic parameters of film C

圖3　膠膜D的電磁參數(shù)Fig.3　Electromagnetic parameters of film D

圖4　膠膜E的電磁參數(shù)Fig.4　Electromagnetic parameters of film E

由圖2，3可見(jiàn)，膠膜C,D的磁導(dǎo)率虛部與實(shí)部相當(dāng)，表明膠膜有較大的磁損耗，介電常數(shù)實(shí)部在20～50之間。由圖4可見(jiàn)，在2～18 GHz膠膜E的介電常數(shù)實(shí)部和虛部都很低，可實(shí)現(xiàn)良好透波。

1.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)量的電磁參數(shù)進(jìn)行吸波材料設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。提出的3種設(shè)計(jì)方案如表3所示，應(yīng)用公式(1)、(2)、(3)計(jì)算相應(yīng)的反射率，得到的理論曲線如圖6所示。

圖5　五層吸波材料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5　Diagram of absorbing material with 5 layers

SequenceoflayersMaterialThicknessofeachlayer/mmScheme1Scheme2Scheme3FirstA(81%)0.70.70.7SecondGlassmicroballoonparticles(17%)0.80.80.8ThirdA(70%)0.20.20.2ForthGlassmicroballoonparticles(17%)0.33.03.0FifthA(70%)0.10.050

圖6　五層吸波材料反射率理論曲線Fig.6　　　　Theoretical reflectivity graph of absorbing material with 5 layers

由圖6可見(jiàn)，三種設(shè)計(jì)方案將吸收劑A進(jìn)行多次阻抗更迭設(shè)計(jì)，均使吸波材料在2～18 GHz出現(xiàn)兩個(gè)吸收峰，改變第5層的厚度，可以明顯改變高頻吸收峰的位置，而且對(duì)低頻吸收峰的位置影響不大。

吸波材料的反射率以及吸收峰值是吸波材料與空氣匹配效果的反映，為準(zhǔn)確分析三種設(shè)計(jì)方案吸波材料的阻抗匹配效果，可將輸入阻抗繪制在阻抗圓圖中。阻抗圓圖由兩組圓構(gòu)成，兩組圓方程分別為[22]

(5)

(6)

將三種設(shè)計(jì)方案每層材料的厚度以及電磁參數(shù)代入公式(4)得到吸波材料的輸入阻抗，繪制成阻抗圓圖如圖7所示。

圖7　五層吸波材料的阻抗圓圖Fig.7　Impedance chart of absorbing material with 5 layers

輸入阻抗曲線經(jīng)過(guò)阻抗圓圖中的(1，0)點(diǎn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配Γ=0，入射到材料表面的電磁波被全部吸收，沒(méi)有反射，這是阻抗匹配的最佳效果。吸波材料的輸入阻抗隨著頻率變化，在一個(gè)頻段內(nèi)不能實(shí)現(xiàn)全部頻點(diǎn)的匹配時(shí)，輸入阻抗離(1，0)點(diǎn)越近匹配效果越好[23]。從圖7可見(jiàn)，方案2離(1，0)點(diǎn)近的輸入阻抗點(diǎn)更多且集中，因此方案2的整體匹配效果更好。本研究采用方案2制作吸波材料，命名為JB-5，在6～17 GHz頻段整體性能更好，同時(shí)兼顧2～6 GHz頻段的性能，反射率可以達(dá)到指標(biāo)要求。

2　結(jié)果與討論

2.1JB-5吸波材料電性能

JB-5雷達(dá)吸波材料采用涂刷工藝在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行制備，通過(guò)控制每層材料的重量來(lái)控制吸波材料的厚度。根據(jù)理論設(shè)計(jì)的吸波材料基本結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，研制出達(dá)到電性能指標(biāo)要求的JB-5吸波材料，基本性能為：厚度5.0 mm；面密度7.0 kg/m2；反射率在3～6 GHz時(shí)≤-3 dB，在6～17 GHz時(shí)≤-12 dB；典型的JB-5吸波材料反射率曲線見(jiàn)圖8。

圖8　JB-5吸波材料反射率曲線Fig.8　Reflectivity graph of JB-5 absorbing material

2.2JB-5吸波材料力學(xué)性能

按照GB5210—1985《涂層附著力測(cè)定法—拉開(kāi)法》測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，將JB-5吸波材料用801膠黏劑粘接測(cè)試附著力可達(dá)1.5 MPa，破壞形式為90%內(nèi)聚破壞。按照GB/T1731—1993 《漆膜柔韌性測(cè)定法》測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，用圓柱體進(jìn)行柔韌性試驗(yàn)，經(jīng)測(cè)定JB-5吸波材料柔韌性不大于40 mm。

2.3JB-5吸波材料耐環(huán)境實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用801膠黏劑將JB-5吸波材料粘貼在金屬板上，采用HM108B密封劑封邊，吸波材料按照GJB50《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》進(jìn)行耐濕熱試驗(yàn)、耐鹽霧及耐海水試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。JB-5吸波材料耐環(huán)境試驗(yàn)后，涂層表面無(wú)生銹，無(wú)脫落，附著力大于1.5 MPa，電性能無(wú)明顯變化。反射率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖9～11。

表4　JB-5吸波材料耐環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果

圖9　JB-5吸波材料耐海水前后反射率Fig.9　　　　Reflectivity of JB-5 absorbing material before and after resisting sea water

圖10　JB-5吸波材料濕熱試驗(yàn)前后反射率Fig.10　　　　Reflectivity of JB-5 absorbing material before and after resisting humidity

圖11　JB-5吸波材料鹽霧試驗(yàn)前后反射率Fig.11　　　　Reflectivity of JB-5 absorbing material before and after resisting salt fog

2.4吸收性能結(jié)果討論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖8)與理論計(jì)算結(jié)果(圖6)比較可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果有較好的一致性。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)指明了采用的結(jié)構(gòu)和可能達(dá)到的吸收性能，較好地指導(dǎo)了材料試驗(yàn)工作，特別是多層吸波材料研究，大大減少了實(shí)驗(yàn)工作量。本研究成功地利用了雙吸收峰展寬了吸收頻帶。由圖6計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，第5層厚度變化，高頻吸收峰可在一定范圍內(nèi)變化，而低頻吸收峰的位置基本不變。第5層厚度減小，高頻吸收峰向高頻偏移；第5層厚度增加，高頻吸收峰向低頻偏移?？梢?jiàn)，JB-5吸波材料的高頻吸收峰，主要由高頻點(diǎn)入射波與多次反射的出射波相位相反引起的干涉作用產(chǎn)生。關(guān)于低頻吸收峰，由圖2、圖3可見(jiàn)，吸收層材料的共振吸收峰，即μ″的最大值在5 GHz左右，與JB-5吸波材料的低頻吸收峰的位置吻合。由此可見(jiàn)，低頻吸收峰主要由材料的固有特性共振吸收產(chǎn)生。磁性材料對(duì)電磁波的衰減，主要由磁偶極子共振的磁滯效應(yīng)產(chǎn)生，在共振峰即μ＂的最大值處，磁損耗達(dá)到最大值。而干涉作用是吸波材料采用的基本吸收原理。

3　結(jié)　論

(1)采用多層“陷阱”式結(jié)構(gòu)的五層吸波材料通過(guò)反射率計(jì)算得出，在2～18 GHz內(nèi)具有雙峰吸收特性。

(2)采用涂刷工藝控制每層的厚度，制作的JB-5吸波材料在3～6 GHz頻率范圍內(nèi)，反射率 ≤-3 dB;6～17 GHz頻率范圍內(nèi)，反射率 ≤-12 dB，具有突出的寬帶吸收特性。

(3)JB-5吸波材料附著力可達(dá)1.5 MPa；柔韌性不大于40 mm；經(jīng)過(guò)耐環(huán)境試驗(yàn)吸波材料表面無(wú)生銹及脫落現(xiàn)象，反射率無(wú)明顯變化，具有良好的耐環(huán)境性能。

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A Multilayer Rubber Board Radar Absorbing Material

HE Shan，LI Yehua，ZHOU Chun

(Beijing Institute of Aeronautical Materials， Beijing 100095, China)

Based on the theory of impedance matching, a multilayer absorbing material with the “pitfall” structure was designed. The multilayer absorbing material with 5 layers was obtained by optimization of the schemes, and the material shows 2 absorbing peaks in the broadband of 2～18 GHz frequencies. The peak in high frequencies can be adjusted with no effect on the peak in low frequencies through changing the thickness of the fifth layer. The changes of input impedances were displayed by analyzing the impedance chart. The prepared multilayer absorbing material was named JB-5, which processes the reflectivity no more than -12 dB in 6～17 GHz with the thickness no more than 5 mm and a good performance of standing the environment. The absorbing material can be produced in laboratory and pasted on surfaces of target with special adhesive by trimmed into required shapes so as to reduce the reflection of electromagnetic waves effectively.

impedance matching;pitfall structure;broadband absorbing;impedance chart

(責(zé)任編輯：張崢)

2016-04-15；

2016-06-20

航空科學(xué)基金(20143121003)

何山(1963—)，男，高級(jí)工程師，主要從事吸波材料及吸波材料測(cè)試技術(shù)研究，(E-mail)biamhs333@sina.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.4.006

A

1005-5053(2016)04-0041-06