碳化硅涂層吸波性能的研究

陳春梅

（寧波工程學院，寧波 315211）

目前，吸波材料在各個領域中的應用越來越廣泛。尤其在國防領域，軍隊為了加強自身建設，通常將吸波材料涂層應用于戰(zhàn)斗武器表面，以達到“隱身”的目的。吸波材料在軍隊武器裝備力量與電子科技戰(zhàn)爭中占據(jù)重要地位。在國際上，美國對吸波材料作為“隱身材料”的應用已經(jīng)較為成熟，例如，美國將吸波性能良好的碳化硅材料作為涂層涂于軍事武器表面，減弱目標向外散發(fā)的雷達特征與紅外線等，使得敵軍無法檢測到目標，從而在戰(zhàn)爭中占據(jù)優(yōu)勢[1-2]。在海灣戰(zhàn)爭和科索沃戰(zhàn)爭，人們都可以看到有關“隱身材料”的應用經(jīng)驗。因此，吸波材料作為“隱身”技術的應用越來越重要，為增強我國軍事實力，建設國防事業(yè)，必須對吸波材料進行深入研究與應用。

較為常見的吸波材料為碳化硅，可以用于一些電子設備、屏蔽設備等，尤其在信息化戰(zhàn)爭中，可以減弱目標的光電特征、紅外信號等[3]。碳化硅作為吸波材料，分為不同的類型，如鐵磁金屬微粉吸波材料、鐵氧體吸波材料、納米吸波材料、多晶鐵纖維吸波材料、陶瓷吸波材料、導電高聚物吸波材料。本文就通過試驗研究碳化硅涂層的吸波性能，以期為國防事業(yè)作出貢獻。

1 吸波機理

碳化硅的原料有石英砂、石油焦等，又叫金剛砂，化學結(jié)構(gòu)為六方形晶體，通常比重為3.2，硬度較大，平均為3000kg/mm2。碳化硅具有很多優(yōu)點，如導熱系數(shù)高、膨脹系數(shù)小、體積小和強度高等。碳化硅涂層被電磁波影響，從而產(chǎn)生感應電流，感應電流易受電磁場影響改變方向，同時由于材料的高電阻阻礙，電磁波的能量會變?yōu)闊崃可⑹?，即能量消耗，這樣雷達等電子設備的信號大大減弱，這種現(xiàn)象稱為吸波性能。

不同類型的碳化硅材料具有不同的吸波能力。例如，異形截面的碳化硅與邊界規(guī)則的碳化硅截面具有不同的吸波性能，不同碳化硅的表面曲率不同，其電荷聚集的能力也不同，通常曲率較小則容易聚集電荷。另外，不同厚度的涂層對吸波性能也有不同的影響。

2 碳化硅涂層吸波性能試驗

2.1 試驗部分

2.1.1 試驗設備及試劑準備

試驗用到的設備有電子天平、電子掃描儀、恒溫加熱磁力攪拌器、X射線衍射儀、紅外光譜儀、離心機等。用到的試劑包括碳化硅粉末、鹽酸、乙醇、水玻璃、硝基清漆、丙酮、檸檬酸等。

2.1.2 涂層制備

吸波涂層的制備工藝有多種，最簡單的是刷涂法，即將觸變型流體通過多次刷涂，覆蓋住材料的表面。浸涂法是將材料浸入涂料槽，再刷去多余的涂料即可。另外，還有噴涂法與流涂法，本試驗主要選擇刷涂法。

制備碳化硅涂層要選擇合適的黏結(jié)劑，本試驗選擇水玻璃作為黏結(jié)劑，常見的有鈉水玻璃、鉀水玻璃，可通過加熱成膜，起到黏結(jié)作用，其優(yōu)點是耐高溫高熱，易獲取，不污染環(huán)境且性價比高。在使用時，要注意選擇適當模數(shù)的水玻璃，以免黏結(jié)效果不佳。

將碳化硅粉末與水玻璃按不同比例混合，攪拌并均勻涂于玻璃纖維布上，碳化硅含量與涂層厚度分別形成對照，具體如表1、表2所示。

表1 不同含量的碳化硅涂層

表2 不同厚度的碳化硅涂層

2.1.3 試驗過程

（1）用X射線衍射儀對樣品結(jié)晶度進行檢測，XRD掃描，掃描范圍3°～50°。

（2）用電子掃描顯微鏡觀察樣品結(jié)構(gòu)，利用細聚電子束與樣品表面的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生物理作用，發(fā)出相關信號，將采集到的信號放大，轉(zhuǎn)換成調(diào)制信號，再通過顯示屏顯示，掃描電壓為15kV。

（3）用紅外光譜測定碳化硅涂層的結(jié)構(gòu)差異。測定范圍3000cm以內(nèi)，波數(shù)精度0.01cm。

（4）計算涂層的吸波性能。利用公式R（n）=20×lg[г（n）]，其中，n表示n層材料，г（n）為涂層的反射系數(shù)，R（n）為雷達波反射率。

2.2 結(jié)果與討論

2.2.1 結(jié)果

通過檢測不同厚度的涂層反射率可得，當碳化硅含量為20%時，厚度分別為1.15mm、2.04mm、3.25mm的涂層吸收峰分別為5.84GHz、5.35GHz、4.90GHz，吸波強度均小于20dB。

當涂層厚度一定時，吸收性能根據(jù)碳化硅的含量變化，碳化硅含量20%時，吸收峰的峰位在低頻段，接近5.72GHz，頻寬3.4GHz，吸收強度-20dB。當碳化硅含量為30%時，吸收峰峰值為-25GHz,有效頻高為3.7GHz；碳化硅含量為35%時，吸收強度為22.3GHz,頻寬4.0GHz。碳化硅涂層中，碳化硅含量增加，其吸收強度與相應頻寬也隨之增加，即吸波性能增強，但是當碳化硅含量增加到一定程度時，涂層硬度變大，吸波性能不再繼續(xù)增強。

將6個小組中的涂層置于150℃環(huán)境中，觀察其吸收峰的峰位均向低頻段移動，雷達波反射率幾乎無變化，由此可得出150℃高溫對碳化硅涂層的吸波性能影響較小。但當涂層置于250℃高溫環(huán)境中時，吸收峰明顯向高頻段轉(zhuǎn)移，吸收強度相對減弱。

2.2.2 討論

通過試驗可得，碳化硅涂層越薄，吸波能力越低；涂層中所含碳化硅含量越低，吸波能力越低。當涂層厚度與碳化硅含量達到標準時，涂層可承受250℃高溫。在150℃環(huán)境中，厚度為1mm的碳化硅涂層吸收強度保持在20dB左右。

通過對比分析可知，碳化硅涂層的最適吸波能力為1mm，碳化硅涂層的多波段吸收可以跨越不同厚度的涂層。隨著碳化硅涂層厚度的減小，涂層吸收峰的峰位逐漸轉(zhuǎn)為高頻。

在一定范圍內(nèi)，吸收峰的峰位變化與碳化硅含量成正比，碳化硅含量增加，則吸收峰峰位向高頻移動。相反，涂層厚度與吸收峰的峰位成反比，厚度增加，則吸收峰峰位移向低頻段。當涂層厚度1mm時，碳化硅涂層的吸波性能最佳。

3 結(jié)論

本文通過制備碳化硅涂層，對碳化硅涂層的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和吸波強度等測定，對比了不同含量的碳化硅涂層以及不同涂層厚度對吸波性能的影響，評估了不同涂層的耐高溫能力，從而較為深入、全面地了解了碳化硅的吸波性能。