多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在吸波材料中的應(yīng)用

馬覓洋 張西軍 曾一兵

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在吸波材料中的應(yīng)用

馬覓洋 張西軍 曾一兵

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

文 摘 簡(jiǎn)述了多層結(jié)構(gòu)吸波材料設(shè)計(jì)的理論模型、設(shè)計(jì)原則及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，從吸收劑材料的電磁特性方面總結(jié)了多層結(jié)構(gòu)吸波材料的特點(diǎn)，詳細(xì)論述了多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)吸波材料性能的影響，最后提出了多層吸波材料的技術(shù)難點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

吸波材料，多層結(jié)構(gòu)，材料設(shè)計(jì)，電磁參數(shù)

0 引言

雷達(dá)隱身技術(shù)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中最重要、最有效的突防技術(shù)手段?？赏ㄟ^外形設(shè)計(jì)和使用吸波材料對(duì)武器裝備進(jìn)行隱身設(shè)計(jì)。而單一的吸波材料結(jié)構(gòu)存在著電磁參數(shù)可調(diào)范圍小、頻響特性差、吸收頻帶窄等問題，不能滿足隱身技術(shù)對(duì)輕質(zhì)寬頻的要求；理想的吸波材料應(yīng)具有厚度薄、質(zhì)量輕、吸收頻帶寬、吸波能力強(qiáng)(薄、輕、寬、強(qiáng))等特點(diǎn)，多層結(jié)構(gòu)吸波材料可通過設(shè)計(jì)靈活度彌補(bǔ)材料本身的缺陷，能在一定程度上降低面密度有效改善吸波效果，拓寬材料吸波帶寬[1-5]。本文介紹了多層結(jié)構(gòu)吸波材料設(shè)計(jì)的理論模型及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，論述了多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)吸波材料性能的影響，展望了多層結(jié)構(gòu)吸波材料的發(fā)展趨勢(shì)。

1 多層結(jié)構(gòu)吸波材料的理論模型及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

1.1 理論模型

材料的吸波性能通常以反射率表示，反射率為負(fù)值，其值越小，表明其吸波性能越好。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，可用復(fù)介電常數(shù)ε和復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率μ以及材料厚度d來表征其反射率，典型的理論模型為傳輸線理論[6]。等效傳輸線法是目前應(yīng)用最廣的一種多層材料反射系數(shù)求解方法，該方法利用傳輸線理論導(dǎo)出多層涂層反射系數(shù)，具有計(jì)算簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)。多層材料結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，圖1中右方最底端為金屬板，即全反射板，電磁波由左側(cè)垂直入射到吸波材料上。假設(shè)第i層為均質(zhì)、等厚平板吸波材料，則n層平板吸波材料的綜合吸波性能可以用(1)～(6)式表示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

1.2 設(shè)計(jì)原則

在多層結(jié)構(gòu)吸波材料設(shè)計(jì)中，采用最多的是阻抗?jié)u變?cè)瓌t，即自下而上，每層材料的阻抗逐漸變大(圖2)，實(shí)現(xiàn)材料阻抗變化可通過吸收劑濃度改變或更換材料種類兩種方式進(jìn)行。采用阻抗?jié)u變?cè)瓌t設(shè)計(jì)吸波材料類同于尖劈吸波材料(圖3)，不同的是尖劈材料從物理形狀上實(shí)現(xiàn)了阻抗的變化，多層材料結(jié)構(gòu)從每層材料的電磁參數(shù)差異或含量變化實(shí)現(xiàn)阻抗的變化[11-16]。阻抗?jié)u變?cè)O(shè)計(jì)材料的最大優(yōu)勢(shì)是可以在很寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)大吸收，這一點(diǎn)可以從50 mm蜂窩尖劈材料的吸波性能得到驗(yàn)證(圖4)。在某些情況下，如在需要提高低頻吸收峰時(shí)，采用阻抗逐漸變小的設(shè)計(jì)則更為有效，其主要原因在該頻段產(chǎn)生了諧振吸收，能在某些頻帶出現(xiàn)強(qiáng)吸收峰，但是犧牲了吸收帶寬。

如圖5所示為一種雙層阻抗逐漸變小的吸波材料反射率曲線，在3.36 GHz出現(xiàn)了強(qiáng)烈的吸收峰，但在-20 dB以下峰寬小于1 GHz。

1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

多層吸波材料的吸波性能與各層的電磁常數(shù)、介電常數(shù)、厚度等參數(shù)有關(guān)，在上述參數(shù)已知的情況下，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可預(yù)估材料吸波性能，進(jìn)行材料結(jié)構(gòu)層數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，大幅度提高效率。遺傳算法(GA)是一類借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機(jī)制的隨機(jī)化搜索算法，其基本思想是從一組候選解開始迭代,在每次迭代的過程中保留其中優(yōu)秀的候選解,通過遺傳操作,如雜交、變異等運(yùn)算,產(chǎn)生新一代候選解。重復(fù)以上過程,直到滿足某個(gè)收斂條件為止，主要特點(diǎn)是群體搜索策略和群體中個(gè)體之間的信息交換，搜索不依賴于梯度信息，具有自組織、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)功能，通過優(yōu)勝劣汰的原理，達(dá)到快速收斂的目的，適于處理多層吸波材料的優(yōu)化這類多參數(shù)復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題[17-25]。肖剛等[26]對(duì)多層吸波材料進(jìn)行遺傳算法優(yōu)化,計(jì)算了2～4層材料,得到了最優(yōu)解；周志安等[27]采用了帶約束條件的單目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法(SGA)來設(shè)計(jì)高性能的吸波涂層,還成功的將多目標(biāo)遺傳算法引入到多層納米吸波材料的設(shè)計(jì)中,得到性能優(yōu)異的多層結(jié)構(gòu)吸波材料；陳良等[28]采用混合遺傳算法(模擬退火算法與遺傳算法的結(jié)合)，利用該方法優(yōu)化的結(jié)果，可使五層平板浸炭泡沫吸波材料在寬頻帶范圍(2～18 GHz)內(nèi)平均吸收性能達(dá)到-15 dB以上。

2 多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)吸波材料性能的影響

2.1 電磁特性

吸波材料種類繁多，從吸收原理來分，大致可分為兩類：一是磁性吸收材料，主要以鐵氧體、羰基鐵、磁纖維、碳化硅等為吸收劑的材料；二是介電型吸收材料，主要以碳黑、碳纖維、碳管、金屬纖維、導(dǎo)電高聚物等為吸收劑的材料[29-33]。

鐵粉吸收劑是目前最常用、也是最有效的吸收劑，主要為羰基鐵或其改性體，其優(yōu)異的磁性能可使吸波材料具備厚度薄、吸收頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是材料的密度大、防腐效果差。典型鐵粉吸收劑的電磁參數(shù)見圖6。碳黑吸收劑是常用介電吸收劑之一，具有質(zhì)量輕、防腐性能好的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是材料厚度大、吸收頻帶窄。典型的碳黑電磁參數(shù)見圖7。

由式(1)～(3)的推導(dǎo)可見，材料吸波性能為電磁參數(shù)(ε=ε′-jε″、μ=μ′-jμ″)、頻率f以及厚度d的函數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用過程中，涂層厚度為一定量值，如果在一定的頻率范圍內(nèi)需要良好的吸收性能，由式(4)～(6)可知，必然要求其電磁參數(shù)隨著頻率的變化而變化，形成頻散效應(yīng)，保證輸入阻抗的穩(wěn)定或升高，從而具有寬頻帶吸波性能。從圖6可見，對(duì)鐵粉類吸收劑材料而言，介電常數(shù)隨頻率變化不大，但是其磁導(dǎo)率和磁損耗有較好的頻率響應(yīng)特性，因此該類涂層吸收帶寬較大。

圖8為該鐵粉材料在不同厚度時(shí)的仿真反射率，結(jié)果顯示，隨著涂層厚度的增加，反射率逐漸傾向于成為一條平線，且在厚度超過6 mm以后，反射率不再發(fā)生明顯變化，全頻段位于-8.5 dB左右。實(shí)際應(yīng)用中，一般在高頻(8～18 GHz)要求10 dB吸收時(shí)，單層鐵粉材料可以實(shí)現(xiàn)，但如果吸收性能要求更高時(shí)，則需要材料本身的電磁參量隨頻率變化幅度應(yīng)更大才能滿足設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)實(shí)中材料不具備該種特性，因此需考慮采取多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，采用不同參數(shù)的吸波材料實(shí)現(xiàn)大幅度的磁導(dǎo)率和磁損耗變化。圖7所示碳黑類吸收劑作為介電類材料其磁導(dǎo)率與磁損耗基本符合理論值(μ′=1，μ″=0)，其介電常數(shù)隨頻率變化僅有小幅變動(dòng)，所以該類材料反射率呈現(xiàn)單一的吸收峰，如圖9所示，且隨著厚度增加，吸收峰向低頻偏移，無法滿足寬頻吸收要求，因此介電類材料寬帶設(shè)計(jì)也需采用多層結(jié)構(gòu)或改變材料的頻率響應(yīng)特性才可滿足寬帶吸收性能。

2.2 吸波性能

吸波材料多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從本質(zhì)上來講，是將材料厚度分成若干層，每層可設(shè)置不同的電磁參數(shù)，從宏觀上引入材料參數(shù)變化梯度，增加參數(shù)調(diào)整的靈活度，對(duì)吸波性能影響表現(xiàn)在以下幾方面。

2.2.1 拓寬吸收頻帶

寬帶吸收的本質(zhì)是對(duì)材料(單層或多層)等效電磁參數(shù)頻響特性進(jìn)行調(diào)整，其調(diào)整幅度大小及變化趨勢(shì)決定了材料吸收性能，而多層設(shè)計(jì)正是由于從厚度方向引入了不同參數(shù)的材料，具備調(diào)整等效參數(shù)的功能，因此可以實(shí)現(xiàn)吸收頻帶的展寬。從目前報(bào)道中可知，何山等[34]研制的JB-5多層吸波材料，在6～17 GHz頻段，反射率小于-12 dB；其研制的一種寬帶輕質(zhì)泡沫型吸波材料在8～18 GHz頻段反射率均小于-15 dB[35]。趙宏杰等[14]采用多層阻抗?jié)u變?cè)O(shè)計(jì)的三層4 mm厚吸波層板在5～18 GHz頻段反射率小于-10 dB；其研制的六層吸波泡沫在8～12 GHz頻段反射率小于-30 dB。航天材料及工藝研究所研制的一種20 mm厚多層泡沫吸波材料在8～12 GHz頻段反射率小于-30 dB， 8～18 GHz頻段反射率小于-20 dB(圖10)。

在多層結(jié)構(gòu)吸波涂層的研制過程中，僅采用表1中1、2兩種材料的雙層結(jié)構(gòu)時(shí)，反射率呈現(xiàn)窄而深的單吸收峰，如圖11中曲線①所示。進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)為1～5五層結(jié)構(gòu)后，通過引入不同電磁參數(shù)的材料，改善了材料整體的頻率響應(yīng)特性，使其在較寬頻率范圍內(nèi)形成阻抗匹配，有效拓寬了多層結(jié)構(gòu)吸波涂層的吸收帶寬，反射率曲線如圖11中曲線②所示，多層吸波材料在8～12 GHz頻段反射率<-18 dB，且具有優(yōu)異的RCS(雷達(dá)散射截面積)性能。

2.2.2 降低材料面密度

在多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，往往會(huì)引入介質(zhì)層(低介電損耗材料)作為匹配層來調(diào)整材料等效參數(shù)，介質(zhì)層一般為含有空氣的材料，如空心玻璃微球、酚醛微球、泡沫材料等，該類材料一般密度較小，引入后具有降低等效電磁參數(shù)、增大頻響幅度的特性，從而改善材料吸波性能。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，在相同厚度和吸波性能的情況下，引入介質(zhì)層能降低材料的面密度，如1.0 mm涂層在8～18 GHz達(dá)到8 dB吸收時(shí)，無介質(zhì)層時(shí)其面密度為3.6～3.7 kg/m2，而引入介質(zhì)層后面密度降低0.3～0.4 kg/m2。

2.2.3 提高吸收峰值

窄帶大吸收類吸波材料常用于解決電磁干擾問題，其吸收帶寬一般在1 GHz范圍內(nèi)，吸收性能則要求大于20 dB，而要實(shí)現(xiàn)此吸收效果，材料的介電損耗須盡可能小，從而能與自由空間的波阻抗進(jìn)行匹配[36]，而不至于在電磁波未能進(jìn)入材料內(nèi)部而在表面產(chǎn)生大量反射，在多層設(shè)計(jì)中，介質(zhì)層正好具有降低材料等效介電損耗的特性，因此可用于提高材料的吸收峰值。天津大學(xué)以短切活性碳纖維作為吸收劑設(shè)計(jì)的4 mm厚四層吸波材料，在2～18 GHz頻段內(nèi)反射率達(dá)到-10 dB以下的頻帶寬度為8 GHz，最大反射衰減-39.3 dB[37]。航天材料及工藝研究所的多層泡沫結(jié)構(gòu)吸波材料通過將參數(shù)特性接近于自由空間的泡沫材料A[圖12(a)]和吸波材料B[圖12(b)]進(jìn)行復(fù)合優(yōu)化設(shè)計(jì)。

將泡沫材料A與吸波材料B按照厚度比5∶1復(fù)合后，得到的復(fù)合材料C(等效電磁參數(shù)見圖13)，從材料電磁參數(shù)變化可見，通過加入介質(zhì)層(泡沫材料)，吸波材料的厚度增加，但使材料的ε′及ε″均大幅度下降；圖14為A、B材料復(fù)合前后的反射率變化，A、B在復(fù)合之前，反射率均趨于0，通過復(fù)合設(shè)計(jì)后，在8～12 GHz反射率達(dá)到-8 dB?？梢娡ㄟ^與介質(zhì)材料復(fù)合設(shè)計(jì)有利于多層結(jié)構(gòu)吸波材料設(shè)計(jì)中材料參數(shù)調(diào)整，促進(jìn)吸波性能的提升。

(a) 泡沫材料A (b) 吸波材料B

圖12 泡沫材料A和吸波材料B的電磁參數(shù)

Fig.12 Electromagnetic parameter of A polyfoam and B absorbing material

3 結(jié)語

多層結(jié)構(gòu)吸波材料設(shè)計(jì)是與每層材料的電磁參數(shù)和厚度相關(guān)，而且相互影響的多目標(biāo)設(shè)計(jì)問題，故在設(shè)計(jì)制造過程中，存在以下技術(shù)難點(diǎn)：(1)多層結(jié)構(gòu)吸波材料涉及多種材料、多種厚度的匹配設(shè)計(jì)，相較于單層材料，其工藝容差性小，累計(jì)誤差大，由實(shí)際測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果比較，反饋優(yōu)化調(diào)節(jié)是其一大難點(diǎn)；(2)設(shè)計(jì)過程中的測(cè)量誤差易產(chǎn)生累計(jì)放大，故制造過程中需要嚴(yán)格的工藝精細(xì)化控制，執(zhí)行最優(yōu)設(shè)計(jì)厚度；(3)多層結(jié)構(gòu)材料層間界面多，材料種類不一，使材料其他性能(如附著力、粘接性能、韌性、界面應(yīng)力等)的影響復(fù)雜化，界面相容性問題突出，同時(shí)需要兼顧工藝流程及可行性。

隨著隱身材料技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，材料種類增多、層數(shù)增加、應(yīng)用復(fù)合化，多層結(jié)構(gòu)吸波材料將呈現(xiàn)出多樣化、復(fù)雜化發(fā)展態(tài)勢(shì)。此外，多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)吸波材料寬頻段、大吸收的一條主要技術(shù)途徑，未來多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將依賴于吸波理論模型的優(yōu)化發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用，以及材料制造工藝技術(shù)水準(zhǔn)的提升，三者共同推動(dòng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)吸波材料的工程化應(yīng)用，促進(jìn)隱身材料技術(shù)的發(fā)展。

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Application of Multilayer Structure Design in Absorbing Materials

MA Miyang ZHANG Xijun ZENG Yibing

(Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology,Beijing 100076)

The theoretical model, design principle and optimization design methods of multilayer structured absorbing material is described in this paper.Characteristics of multilayer structured absorbing material from the electromagnetic properties of absorbing materials point of view, and the multilayer structure design on the performance of the absorbing material is also discussed in detail.The technical difficulties of multilayer absorbing material, and the development trend of the multilayer structure absorbing material are put forward.

Absorbing material,Multilayer structure,Material design,Electromagnetic parameter

2017-03-29

馬覓洋，1990年出生，碩士研究生，主要從事特種功能材料的研究工作。E-mail：mmy3433@163.com

TB34

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.04.002