多頻譜干擾劑的制備及性能研究

劉禹廷,張 倩,張開創(chuàng),陳 浩,王洪巖

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 彈藥工程系， 石家莊 050003)

煙幕干擾是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場目標(biāo)隱身的一種重要途徑，廣泛應(yīng)用于干擾偵察告警、搜索跟蹤及精確制導(dǎo)系統(tǒng)中，具有高效廉價(jià)、實(shí)施簡易、方便靈活等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，隨著先進(jìn)成像制導(dǎo)技術(shù)和多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)在現(xiàn)役精確制導(dǎo)彈藥中的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)煙幕干擾材料的局限性和弱點(diǎn)日益突顯，主要體現(xiàn)在以下幾方面：有機(jī)鹵化物等熱煙幕劑在紅外波段幾乎起不到遮蔽作用，且對(duì)環(huán)境和人體危害性較大；黃銅粉冷煙幕劑對(duì)紅外激光消光顯著，但可見光兼容性較差，且煙幕遮蔽時(shí)間較短；箔條等傳統(tǒng)干擾材料易于被變極化等新體制雷達(dá)識(shí)別，難以達(dá)到理想的干擾效果；組合型干擾煙幕同步性欠佳易被復(fù)合制導(dǎo)系統(tǒng)經(jīng)過智能識(shí)別確定目標(biāo)信息[3-6]。因此，研制質(zhì)輕、多頻譜、綠色環(huán)保的新型干擾劑已成為各軍事強(qiáng)國競相研究的課題。美國專利USP6726964[7]中介紹了一種多頻譜干擾材料，其干擾波段為 0.3～40 GHz。制備方法是采用超聲波法將金屬沉積在聚合物微粒表面。微粒呈纖維狀和片狀，選用的微粒材料以碳纖維、石墨等碳基材料為主。沉積的金屬包括銀、錫、金、鉑、銅、鈷、鈀、鎘、鎳、鈦、鋅等。俄羅斯專利(RU2371665C2)[8]中介紹了一種新型海陸兩用的煙幕彈藥，用來應(yīng)對(duì)多模制導(dǎo)武器和多種探測器材。彈內(nèi)采用分室裝填的結(jié)構(gòu)，裝填材料有箔條、金屬粉、煙火藥。彈體拋出后可在空氣中形成大面積的圓盤形煙幕，可在可見光、紅外、雷達(dá)波段產(chǎn)生多頻譜干擾。

碳?xì)饽z是一種輕質(zhì)多孔的納米材料，具有巨大的比表面積、超低的密度和多孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)[9]，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，多孔結(jié)構(gòu)的碳?xì)饽z對(duì)可見光吸收率可達(dá)99.8%，有望成為一種理想的“超黑體”材料[10]；經(jīng)過SiO2改性的碳?xì)饽z具有高效靜態(tài)電磁屏蔽性能(8～18 GHz平均衰減30.3 dB)和動(dòng)態(tài)紅外衰減特性(空氣中漂浮15 min，保持衰減10dB)[11]。鑒于碳基氣凝膠質(zhì)輕、多孔及良好吸波性能的特點(diǎn)，其在煙幕干擾領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。本研究采用干混法將碳?xì)饽z與碳纖維混合制備了多頻譜干擾劑，并利用煙箱動(dòng)態(tài)系統(tǒng)研究了多頻譜干擾劑對(duì)紅外(1～3 μm、3～5 μm、8～14 μm)及毫米波(3 mm、8 mm)的衰減效果。

1 多頻譜干擾劑設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

1.1 煙幕的電磁波衰減機(jī)理

煙幕對(duì)電磁波的衰減主要是對(duì)入射電磁波產(chǎn)生吸收和散射作用[12]，當(dāng)衰減量足夠大時(shí)，探測器件所接收到目標(biāo)特征信號(hào)便會(huì)減弱甚至消失，從而使敵方無法發(fā)現(xiàn)和識(shí)別目標(biāo)，達(dá)到有效干擾的作用。煙幕對(duì)電磁波的衰減機(jī)理如圖1。

圖1 煙幕對(duì)電磁波的衰減機(jī)理

煙幕的衰減特性與煙幕干擾劑的電磁特性、表面特性、粒子尺寸、結(jié)構(gòu)形狀等密切相關(guān)。從微觀角度看，物質(zhì)是由大量帶有正負(fù)電荷的粒子組成，電磁波在煙幕中傳輸時(shí)會(huì)與干擾材料發(fā)生相互作用，此時(shí)，干擾材料中的帶電粒子會(huì)在電磁場的作用下發(fā)生分布狀態(tài)的改變，從宏觀上表現(xiàn)出干擾材料對(duì)外加電磁場的極化、磁化及傳導(dǎo)效應(yīng)[13]。干擾材料對(duì)電磁波的吸收衰減本質(zhì)上是將入射的電磁能轉(zhuǎn)化其他形式的能量(如熱能)損耗掉，根據(jù)損耗機(jī)制的不同，可將其分為電損耗和磁損耗等。常見的電損耗型干擾材料包括：金屬類消光材料(消光銅粉、銀粉)、碳系消光材料(石墨、炭黑及碳纖維)、陶瓷類消光材料(SiC、Al2O3)等[14,15]。常見的磁損耗材料包括鐵氧體材料、磁性金屬粉(鐵粉、鈷粉、鎳粉及其合金粉)以及有機(jī)金屬絡(luò)合物等[16]。根據(jù)空腔黑體模型，干擾材料具有類似黑體模型的結(jié)構(gòu)將有助于提高其吸收電磁波的能力[17]。煙幕對(duì)電磁波的散射是由于衰減部分電磁波能量會(huì)被干擾材料所截獲，并以自身作為波源向四周輻射電磁波，從而使原方向上傳輸?shù)碾姶挪芰繙p少，當(dāng)煙幕粒子半徑遠(yuǎn)小于入射電磁波波長時(shí)，產(chǎn)生的散射稱為Rayleigh散射，當(dāng)煙幕粒子半徑接近或大于入射電磁波波長時(shí)，其對(duì)電磁波的散射衰減可用米氏理論來解釋。而根據(jù)半波諧振理論，當(dāng)散射體長度是入射波長的0.5、1、1.5、…倍時(shí)，諧振峰出現(xiàn)峰值，此時(shí)干擾材料對(duì)電磁波的散射衰減效果最強(qiáng)，如箔條、碳纖維等干擾材料在半波長處對(duì)3mm和8mm波的衰減效果最佳[16]。

1.2 多頻譜干擾劑的設(shè)計(jì)依據(jù)

本質(zhì)上紅外、激光、毫米波都是一種電磁波，但因各自波長、頻率的不同，呈現(xiàn)出不同的傳輸特性，而所需干擾材料的尺寸、電磁特性也往往不同，如一般的紅外干擾材料對(duì)毫米波幾乎起不到干擾效果，而毫米波干擾材料往往對(duì)紅外衰減效果又甚微。

碳?xì)饽z是一種多孔碳材料，其特點(diǎn)易于滿足煙幕干擾材料的要求，主要原因如下：① 碳?xì)饽z內(nèi)部具有大量的孔結(jié)構(gòu)，這一特點(diǎn)符合空腔黑體模型，有助于其對(duì)電磁波的吸收衰減；② 在電磁特性上，碳?xì)饽z作為碳系材料對(duì)電磁波可產(chǎn)生很好的電損耗；③ 碳?xì)饽z作為一種新碳納米材料，其內(nèi)部的納米孔使其具有納米材料的特性，這一特點(diǎn)有望拓寬吸收頻帶；④ 碳?xì)饽z可制備成不同的形狀和尺寸，可制備出微米級(jí)別的碳?xì)饽z材料，干擾材料的尺寸和形狀上可以滿足要求；⑤ 碳?xì)饽齼?nèi)部大量的孔結(jié)構(gòu)使其具有很低的假密度，這意味著其具有較好的懸浮性，有助于提高遮蔽時(shí)間。

碳纖維是目前毫米波干擾的常用材料，具有質(zhì)量輕、滯空時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，且碳纖維屬于碳系材料，與碳?xì)饽z材料的物性接近相容性較好。綜上，本研究以碳?xì)饽z作為紅外干擾組分，碳纖維作為毫米波干擾組分制備多頻譜干擾劑。

2 實(shí)驗(yàn)部分

碳?xì)饽z：粒徑6～10 μm，平均孔徑0～2 nm，比表面積1 800～2 200 m2·g-1，振實(shí)密度0.4 g·cm-3；短切碳纖維：長度1.5 mm/2 mm， 纖維直徑7 μm，密度1.75 g·cm-3，拉伸強(qiáng)度3 800 GPa，兩種材料均由國內(nèi)生產(chǎn)廠家提供。

煙箱：容積為16.5 m3(4.3 m ×2.1 m×1.8 m)，測試光程2.1 m，內(nèi)置攪拌風(fēng)扇兩個(gè)。

紅外輻射計(jì)及光源：JHF-1型(1～3 μm)；JHF-2型(3～5 μm)；JHF-3型(8～14 μm)紅外輻射計(jì)，建華機(jī)械有限公司。

10.6 μm激光測試系統(tǒng)：YC-CO-O2型，由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、以及計(jì)算機(jī)終端處理系統(tǒng)組成，中國科學(xué)院安徽微光機(jī)所生產(chǎn)。

3 mm、8 mm波測試系統(tǒng)：由發(fā)射單元、接收單元數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，中國電子科技集團(tuán)公司第五十研究所生產(chǎn)。

稱取一定質(zhì)量的將短切碳纖維放于箱式電阻爐中，在400 ℃下灼燒5～10 min除去碳纖維表面的有機(jī)膠，得到毫米波干擾組分。稱取一定質(zhì)量的碳?xì)饽z粉體置于容器中，分別向其中加入5wt%的毫米波干擾組分，利用精密增力電動(dòng)攪拌器攪拌5～10 min得到多頻譜干擾劑。由于碳?xì)饽z和碳纖維的物性接近，碳?xì)饽z粉體既作為紅外干擾組分也可作為固體分散劑，為達(dá)到有效干擾組分裝藥的最大化，不再加入其他固體分散劑。

圖2為煙箱測試系統(tǒng)布置圖，具體操作過程如下：稱取33 g多頻譜干擾劑，將其裝入到噴灑罐體中并旋緊密封；安裝并調(diào)試好測試系統(tǒng)，試驗(yàn)前將10.6 μm激光發(fā)射和接收裝置、紅外輻射計(jì)及光源、及3 mm、8 mm波接收和發(fā)射系統(tǒng)放置于煙箱兩側(cè)，并保持光路暢通；打開測試儀器，預(yù)熱儀器半小時(shí)，試驗(yàn)前進(jìn)行背景采集，并用塑料薄膜封住煙箱窗口，而后利用高壓氣流將多頻譜干擾劑噴灑至煙箱中，同時(shí)開啟攪拌風(fēng)扇30s使干擾材料分散均勻，并同步測量，通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理終端記錄數(shù)據(jù)并得出結(jié)果；測試結(jié)束后，打開煙箱門，啟動(dòng)排煙裝置，將箱中煙幕排盡，再進(jìn)行下一次測量。

圖2 煙箱測試系統(tǒng)布置圖

3 結(jié)果與討論

1) 多頻譜干擾劑紅外干擾性能

煙幕的透過是評(píng)價(jià)其電磁波干擾性能的重要指標(biāo)，透過率越小表明其電磁波衰減性能越好。圖3為測試時(shí)間內(nèi)多頻譜干擾劑對(duì)紅外(1～3 μm、3～5 μm、8～14 μm)透過率曲線?？梢钥闯觯囝l譜干擾劑施放后，紅外透過率迅速下降至0%附近。在氣流的作用下，紅外透過率曲線出現(xiàn)了一定的擾動(dòng)，待煙幕分散均勻后，紅外透過率的數(shù)值趨于穩(wěn)定，在近中遠(yuǎn)紅外窗口的透過率幾乎為0，處于完全遮蔽狀態(tài)，且有效遮蔽時(shí)間大于240 s，測試結(jié)果表明多頻譜干擾劑質(zhì)輕、遮蔽時(shí)間長，具有優(yōu)異的紅外遮蔽性能。

2) 多頻譜干擾劑10.6 μm激光干擾性能

圖4為多頻譜干擾劑的10.6 μm激光透過率曲線?？梢钥闯龆囝l譜干擾劑對(duì)10.6 μm激光同樣具有很好的遮蔽性能，隨著干擾劑的施放，激光透過率迅速減小，煙幕穩(wěn)定后，10.6 μm激光的透過率小于6%，且有效遮蔽時(shí)間大于240 s。

3) 多頻譜干擾劑毫米波干擾性能

圖5和圖6分別為多頻譜干擾劑對(duì)3 mm/8 mm波的動(dòng)態(tài)衰減性能，可以看出多頻譜干擾劑對(duì)3 mm、8 mm波均具有較好的衰減特性。

圖5 多頻譜干擾劑3 mm波衰減測試曲線

為了綜合評(píng)價(jià)多頻譜干擾劑的毫米波干擾性能，根據(jù)測試結(jié)果計(jì)算了測定時(shí)間內(nèi)多頻譜干擾劑的毫米波最大衰減值、平均衰減值和留空時(shí)間，結(jié)果見表1。

圖6 多頻譜干擾劑8 mm波衰減測試曲線

波段/mm最大衰減值/dB平均衰減值/dB持續(xù)時(shí)間/s310.733.566086.893.0160

由表1結(jié)果可見，對(duì)于干擾3 mm波，多頻譜干擾劑的最大衰減值為10.73 dB，平均衰減值為3.56 dB，干擾煙幕的持續(xù)時(shí)間大于60 s。對(duì)于干擾8 mm波，多頻譜干擾劑的最大衰減值為6.89 dB，平均衰減值為3.01 dB，干擾煙幕的持續(xù)時(shí)間大于60 s。可見，多頻譜干擾劑對(duì)3 mm/8 mm均具有一定的衰減作用，這主要是由于短切碳纖維偶極子對(duì)毫米波產(chǎn)生吸收和散射作用的結(jié)果。

4 結(jié)論

1) 基于煙幕對(duì)電磁波的衰減機(jī)理，結(jié)合碳?xì)饽z和碳纖維的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了以碳?xì)饽z作為紅外干擾組分，碳纖維作為毫米波干擾組分制備多頻譜干擾劑的設(shè)計(jì)思路。

2) 采用干混法制備了新型多頻譜干擾劑，并利用煙箱測試系統(tǒng)研究了其動(dòng)態(tài)電磁波衰減性能。

3) 該材料滯空時(shí)間長且具有良好的多頻干擾性能，是一種極具潛力的新型多頻譜干擾劑，其對(duì)紅外(1～3 μm、3～5 μm、8～14 μm)的透過率均小于5%，對(duì)10.6 μm激光的透過率小于6%，對(duì)3 mm波和8 mm波的最大衰減值分別可達(dá)10.73 dB和6.89 dB。