吸波材料的失效行為分析及修復(fù)技術(shù)研究*

李寶毅，周必成，趙亞娟，王　蓬，張　榕

(1 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所，山西　太原　030006；2 電磁防護(hù)材料及技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西　太原　030006)

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吸波材料的失效行為分析及修復(fù)技術(shù)研究*

李寶毅1,2，周必成1,2，趙亞娟1,2，王蓬1,2，張榕1,2

(1 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所，山西太原030006；2 電磁防護(hù)材料及技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030006)

吸波材料的失效分析對(duì)武器裝備的隱身性能具有重要意義。首先概括了吸波材料的主要失效形式，并對(duì)其失效機(jī)制、可能的原因以及可粗取得預(yù)防措施進(jìn)行了分析。然后簡(jiǎn)述了吸波材料失效的判斷方法、修復(fù)的意義及常用工藝，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外吸波材料修復(fù)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，特別是美軍的吸波材料吸附技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。最后對(duì)未來(lái)吸波材料修復(fù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

吸波材料；失效；修復(fù)技術(shù)

隱身性能是四代機(jī)、四代艦等新一代武器裝備的重要指標(biāo)，是保證裝備在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境下生存能力、作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵。應(yīng)用高性能吸波材料是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)裝備高隱身性能必不可少的手段。目前國(guó)際上研發(fā)或服役的新一代戰(zhàn)機(jī)如美國(guó)F-22、F-35、俄羅斯T-50及我國(guó)的J-20等均大量使用了吸波材料。

吸波材料通過(guò)與入射電磁波的相互作用將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，降低目標(biāo)的回波強(qiáng)度，使飛機(jī)的雷達(dá)散射截面(RCS)減小，從而實(shí)現(xiàn)裝備的隱身。在裝備的運(yùn)輸、貯存及作訓(xùn)過(guò)程中，因碰撞、劃傷或自然老化等原因，吸波材料的結(jié)構(gòu)和組分將不可避免的發(fā)生各種物理化學(xué)變化，引起材料開(kāi)裂、脫落、變質(zhì)等，導(dǎo)致吸波材料性能下降甚至完全失效，嚴(yán)重影響武器裝備的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力和作戰(zhàn)效能的發(fā)揮[1-2]。因此，研究吸波材料的失效行為及其修復(fù)技術(shù)具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)外高度重視對(duì)吸波材料的失效分析研究，開(kāi)發(fā)出了系列電性能穩(wěn)定和可快速修復(fù)的吸波材料[3-8]，相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)對(duì)吸波材料的失效行為分析卻研究不多，積累的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)較少。針對(duì)此情況，本文從吸波材料失效的主要表現(xiàn)形式出發(fā)對(duì)吸波材料的失效機(jī)制進(jìn)行分析，并總結(jié)國(guó)內(nèi)外應(yīng)對(duì)吸波材料失效的措施，提出未來(lái)吸波材料修復(fù)技術(shù)的發(fā)展方向，期望能對(duì)國(guó)內(nèi)吸波材料的發(fā)展有所幫助。

1　吸波材料的失效形式

吸波材料主要由基體和吸收劑兩部分組成，其中基體賦予材料良好的耐候性能和物理性能，主要有環(huán)氧類、樹(shù)脂類、橡膠類、陶瓷類等；吸收劑賦予材料電磁波吸收性能，主要有鐵氧體、金屬微粉、碳材料等[9]。吸波材料的失效是一個(gè)長(zhǎng)期的從量變到質(zhì)變的過(guò)程，包含各種物理的、化學(xué)的因素。按照其失效部位可分為基體失效和吸收劑失效，按照其失效原因可分為物理失效和化學(xué)失效，按照其表現(xiàn)形式可分為脫落、附著力下降、開(kāi)裂、變形及吸收劑變質(zhì)等。圖1為吸波材料失效的表現(xiàn)形式及可能引起的原因匯總。

圖1　吸波材料的失效形式

2　吸波材料的失效分析

吸波材料在材料制備、基底預(yù)處理、施工及服役中的全過(guò)程中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)都有可能出現(xiàn)導(dǎo)致材料失效的因素。本部分將根據(jù)吸波材料失效的表現(xiàn)形式分別對(duì)其失效機(jī)制和可能的原因進(jìn)行分析。

2.1脫落或附著力下降

這是一種與材料的附著力丟失相關(guān)的失效形式，常見(jiàn)于吸波涂層和貼片型吸波材料，表現(xiàn)為材料與基底剝離或粘結(jié)不牢，如圖2所示。在吸波材料施工時(shí)，若基底預(yù)處理不徹底(如存在油污等)，則會(huì)導(dǎo)致材料與基材的連接強(qiáng)度降低，易出現(xiàn)脫落失效。某些吸波材料工作時(shí)因外界環(huán)境的變化長(zhǎng)期經(jīng)受交變載荷的作用，如工作在密封墊圈等處的吸波材料在冷熱交變作用下產(chǎn)生膨脹和收縮等，也容易導(dǎo)致材料附著力的下降。吸波材料的大面積脫落將導(dǎo)致裝備雷達(dá)散射截面增大，隱身效果降低甚至完全喪失，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)砣脒M(jìn)氣道等導(dǎo)致裝備的重大安全事故。吸波材料的脫落表明其施工工藝和使用形式還存在一定的缺陷，通過(guò)對(duì)這兩個(gè)方面的改進(jìn)可以降低材料的脫落幾率，提高使用壽命。

圖2　吸波材料的脫落失效

2.2開(kāi)裂

吸波材料開(kāi)裂是與材料內(nèi)部應(yīng)力集中相關(guān)的一種失效形式，表現(xiàn)為材料產(chǎn)生表面微裂紋、腭裂、整體開(kāi)裂(如圖3所示)、層間分離等，集中出現(xiàn)在武器裝備的結(jié)構(gòu)過(guò)渡連接處、存在高溫或溫度變化的部位以及容易遭受碰撞的部位。由于裝備的過(guò)渡區(qū)和連接位置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，吸波材料施工時(shí)容易引入氣孔等缺陷并存在厚度不一致的問(wèn)題，在長(zhǎng)期的服役過(guò)程中因機(jī)械振動(dòng)、溫度變化等產(chǎn)生的應(yīng)力將在缺陷處集中，積累到一定的程度后產(chǎn)生微裂紋以釋放應(yīng)力，隨后進(jìn)行裂紋的擴(kuò)展和增殖，導(dǎo)致吸波材料開(kāi)裂。在存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)(如固定螺釘部位)和溫度交變(密封墊片處)的部位，這種應(yīng)力累積將會(huì)被加速，從而更容易導(dǎo)致吸波材料的開(kāi)裂。

圖3　吸波材料的開(kāi)裂失效

開(kāi)裂失效歸因于材料內(nèi)部的應(yīng)力集中，這些應(yīng)力的來(lái)源極為廣泛[10]，如吸波材料靠近振動(dòng)源產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力，經(jīng)受溫度沖擊熱脹冷縮產(chǎn)生的熱應(yīng)力，溶劑揮發(fā)和基體變質(zhì)產(chǎn)生的體積變化應(yīng)力，受外來(lái)沖擊產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力等，各種應(yīng)力在材料缺陷和結(jié)構(gòu)變化處集中，并最終以裂紋的形式釋放，形成開(kāi)裂失效。

由于應(yīng)力來(lái)源的不受控制，故只能采用優(yōu)化吸波材料成分、結(jié)構(gòu)和工藝等措施。其中，粘結(jié)劑是吸波材料力學(xué)性能的主要影響因素，對(duì)提高材料的抗開(kāi)裂能力至關(guān)重要[11]。當(dāng)前應(yīng)用于吸波材料的粘結(jié)劑主要有橡膠基和樹(shù)脂基兩大類，橡膠基材料具有彈性高、柔韌性好、抗振動(dòng)等特點(diǎn)，樹(shù)脂基材料具有附著力強(qiáng)、有一定的剛度、耐沖擊等特點(diǎn)，其中以聚氨酯和環(huán)氧樹(shù)脂的應(yīng)用最為廣泛。選擇粘結(jié)劑時(shí)，除了要考慮吸波材料的整體電磁參數(shù)匹配外，還要綜合考慮粒子相容性、顆粒級(jí)配、化學(xué)活性和力學(xué)性能等多個(gè)因素，盡量減少材料內(nèi)部的缺陷，提高吸波材料的內(nèi)聚強(qiáng)度和層間結(jié)合強(qiáng)度，必要時(shí)需要對(duì)粘結(jié)劑進(jìn)行改性處理[12]，以提高應(yīng)對(duì)開(kāi)裂失效的能力。

2.3變形

形狀是影響吸波材料吸收性能的一個(gè)重要因素，變形則是材料的宏觀形貌發(fā)生改變的一種失效形式。當(dāng)吸波材料與浸漬、潮濕等環(huán)境長(zhǎng)期作用時(shí)，會(huì)因吸收空氣中的水分或部分材質(zhì)遭受環(huán)境腐蝕導(dǎo)致吸波材料的整體形狀改變，諸如錐體的“塌腰”(如圖4所示)、吸波泡沫厚度收縮等。而在暴曬、風(fēng)沙環(huán)境下的吸波材料，則可能在紫外線、氧氣及應(yīng)力的綜合作用下發(fā)生粉化、褪色、彎曲等形貌的變化。

圖4　吸波錐體的塌腰變形

預(yù)防吸波材料變形的關(guān)鍵是阻斷外界環(huán)境對(duì)吸波材料的侵蝕通道，例如在吸波材料表面增加保護(hù)層。但保護(hù)層在提高吸波材料抗侵蝕能力的同時(shí)也影響了其阻抗匹配性能，導(dǎo)致其吸波效果發(fā)生變化，這需要在具體實(shí)施過(guò)程進(jìn)行綜合考慮。杜紀(jì)柱等[13]提出了一種利用炭包EPS顆粒制備新型諧振式吸波錐體煩的設(shè)計(jì)方法，具有不受環(huán)境影響，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于南方潮濕多雨環(huán)境中吸波暗室使用。

2.4吸收劑變質(zhì)

吸收劑是吸波材料具有吸波功能的主要功能來(lái)源，其性能的穩(wěn)定性對(duì)材料的隱身效果有著決定性的作用。吸收劑變質(zhì)是與吸收劑失穩(wěn)相關(guān)的一類失效形式，包括吸收劑組成成分、微觀形貌以及分布狀態(tài)的改變。鐵磁類吸收劑是使用最廣泛的一種吸波材料，但在高溫和氧化氣氛的共同作用下容易發(fā)生氧化，使吸收劑變質(zhì)，從而使材料喪失隱身功能。圖5是某吸波材料在高功率微波照射7天后的吸收性能變化，可以發(fā)現(xiàn)其吸收效果有了明顯的降低，這就是由于高功率微波產(chǎn)生的高溫使吸收劑氧化的結(jié)果。

圖5　高功率微波作用前后吸波材料的性能對(duì)比

核殼結(jié)構(gòu)、空心結(jié)構(gòu)等特殊微觀結(jié)構(gòu)使吸收劑具有更好的吸波性能，但這種特殊結(jié)構(gòu)能否穩(wěn)定存在是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵。如表面金屬化的磁性微珠容易受到氧化腐蝕而變質(zhì)，表面包覆導(dǎo)電導(dǎo)磁層的有機(jī)高分子微球容易在外力的作用下變形而脫落。因此，對(duì)于特殊微觀結(jié)構(gòu)吸收劑的使用應(yīng)重點(diǎn)考察其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

吸收劑分布狀態(tài)的改變也可引起材料性能的降低。在吸波材料的施工過(guò)程中，攪拌不充分或固化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等因素會(huì)引起較重的吸收劑下沉，導(dǎo)致吸收頻段偏離預(yù)設(shè)值。錐體吸波材料和碳纖維增強(qiáng)吸波材料在加工和使用過(guò)程中會(huì)有吸收劑的脫落現(xiàn)象，長(zhǎng)期積累下會(huì)導(dǎo)致吸收性能的逐漸下降進(jìn)而失效。

3　吸波材料失效的判斷

吸波材料在使用過(guò)程中將不可避免的出現(xiàn)各種損傷，對(duì)其進(jìn)行合理的失效判斷是進(jìn)行吸波材料維修的基礎(chǔ)。根據(jù)目前的測(cè)試手段，吸波材料的失效判斷可采用目測(cè)、無(wú)損檢測(cè)和反射率測(cè)試等方式。

(1)目測(cè)：對(duì)于吸波材料的脫落、開(kāi)裂、變形等宏觀形貌有顯著變化的失效形式，可通過(guò)肉眼觀察判斷。

(2)無(wú)損檢測(cè)：對(duì)于由缺陷導(dǎo)致的吸波材料失效可以利用無(wú)損檢測(cè)的方法進(jìn)行判斷。利用超聲波檢測(cè)儀進(jìn)行圖譜分析，可以判斷材料與基底間是否存在空氣層，材料內(nèi)部是否產(chǎn)生氣泡、裂紋等。

(3)反射率測(cè)試：對(duì)于因吸收劑和基體變質(zhì)等引起的失效，由于材料的表觀和內(nèi)在結(jié)構(gòu)特征均無(wú)明顯變化，必須對(duì)其進(jìn)行反射率測(cè)試以判斷是否失效。可采用便攜式雷達(dá)波反射率測(cè)試儀進(jìn)行反射率測(cè)試，或在微波暗室中對(duì)裝備的RCS進(jìn)行檢測(cè)，以判斷材料是否滿足設(shè)計(jì)要求。

4　吸波材料的修復(fù)技術(shù)

武器裝備設(shè)計(jì)定型后，其隱身性能的好壞取決于吸波材料的完整程度，關(guān)鍵部位(如進(jìn)氣道、機(jī)身縫隙)吸波材料的損傷，可導(dǎo)致隱身性能的顯著下降。因此，世界各國(guó)十分重視吸波材料的修復(fù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，F(xiàn)-117戰(zhàn)機(jī)每飛行1 h平均要100 h的維修工作量；B-2飛機(jī)95%的表面涂覆有一種韌性吸波涂層，每次飛行后都需要對(duì)表面涂層進(jìn)行掉屑、劃傷和腐蝕等檢查修復(fù)。美軍高度重視吸波材料修復(fù)技術(shù)對(duì)隱身武器裝備的作戰(zhàn)效能的提升作用，目前美軍的吸波材料修復(fù)技術(shù)已在其軍用飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用。

美軍對(duì)吸波材料修復(fù)能力的建設(shè)主要有兩個(gè)措施：

(1)加強(qiáng)對(duì)易修復(fù)吸波材料的研制。在吸波材料的研制階段即提出明確的維修要求，對(duì)吸波材料各類故障形式制定最大允許尺寸，監(jiān)控故障發(fā)展情況，綜合使用貼片技術(shù)、噴涂技術(shù)以及機(jī)器人智能修復(fù)等多種技術(shù)手段，保證新型吸波材料可應(yīng)用于裝備隱身能力的快速修復(fù)。

(2)加強(qiáng)裝備吸波材料快速維修能力的建設(shè)，建設(shè)多級(jí)維修體制。根據(jù)材料失效面積的大小，分別由裝備使用人員、維修部門以及生產(chǎn)廠商進(jìn)行不同級(jí)別的維修，以保證裝備隱身性能的快速恢復(fù)。美軍完善的吸波材料維修體系為裝備優(yōu)異的隱身性能提供了有效保障。

我國(guó)對(duì)吸波材料的修復(fù)技術(shù)研究較晚，還處于探索研究階段，主要單位有兵器工業(yè)第五九研究所、北京航空材料研究院、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所、國(guó)防科技大學(xué)等，研究重點(diǎn)集中在吸波材料的損傷機(jī)理、快速修復(fù)技術(shù)以及原始數(shù)據(jù)積累等[14-16]。在吸波材料修復(fù)技術(shù)的工程化應(yīng)用方面國(guó)內(nèi)還未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，為保障武器裝備壽命期內(nèi)完好的隱身性能，開(kāi)發(fā)適于外場(chǎng)使用要求的快速修復(fù)技術(shù)是必不可少的。

5　建議和展望

吸波材料在武器裝備中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在提高裝備的突防性能、作戰(zhàn)效能和生存能力方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，這對(duì)吸波材料的性能穩(wěn)定性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。吸波材料的修復(fù)技術(shù)應(yīng)具備方便快捷、工藝簡(jiǎn)便、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，需要在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究：

(1)加強(qiáng)對(duì)吸波材料失效機(jī)理和預(yù)測(cè)技術(shù)的研究。分析不同作戰(zhàn)環(huán)境下吸波材料的成分、組織、結(jié)構(gòu)和性能的演化規(guī)律，掌握材料壽命周期內(nèi)組織缺陷和吸波性能的預(yù)測(cè)方法，使吸波材料的失效分析做到有理可依。

(2)研究使用方便、易于修復(fù)的新型吸波材料。利用納米材料、磁性微球等高效吸收劑和超材料等先進(jìn)材料設(shè)計(jì)方法，降低材料的厚度和對(duì)選材的制約，優(yōu)化材料的組織和結(jié)構(gòu)體系，提高其使用壽命和可修復(fù)性。

(3)吸波材料的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。研究利用射線、超聲等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)快速確定多組分、多相、多層復(fù)雜體系中缺陷的種類、數(shù)量和位置的技術(shù)，判斷難以通過(guò)外觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的吸波材料失效。

(4)吸波材料的原位快速修復(fù)技術(shù)。原位修復(fù)技術(shù)可在外場(chǎng)環(huán)境下直接進(jìn)行，具有快捷、方便、高效、低耗等特點(diǎn)，是對(duì)失效區(qū)域進(jìn)行快速修復(fù)的一種經(jīng)濟(jì)有效方法。國(guó)內(nèi)對(duì)此方面的研究較弱，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)此的研究，爭(zhēng)取快速實(shí)用化。

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Failure Types of Radar Absorbing Materials and Its Repair Techniques*

LI Bao-yi1,2, ZHOU Bi-cheng1,2, ZHAO Ya-juan1,2, WANG Peng1,2, ZHANG Rong1,2

(1 No.33 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shanxi Taiyuan 030006；2ElectromagneticProtectionMaterialsandTechnologyKeyLaboratoryofShanxiProvince,ShanxiTaiyuan030006,China)

The failure analysis of wave absorbing material plays an import role in weapons’ stealth. The main failure types and the failure mechanisms of absorbing materials were discussed. And then the judge methods for failure and its repair techniques were summarized, the research developments of repair techniques of absorbing material both of the domestic and foreign were also reviewed. Finally, the developing trend of absorbing repair technology was discussed.

wave absorbing materials; failure; repair techniques

山西省青年科技研究項(xiàng)目(2015021083)；國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2014DFR10020)。

李寶毅(1983-)，男，工程師，博士，研究方向：電磁防護(hù)材料。

TB304, TQ050.4+3

A

1001-9677(2016)014-0015-04