石墨烯在艦船雷達透波防護材料中的應(yīng)用

康新征 盧碩 于冰

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的呈蜂巢晶格狀六角型的平面二維碳納米材料，具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、疏水、疏油性能和巨大的比表面積，因此使得石墨烯在防腐領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。將石墨烯以顏料形式應(yīng)用于艦船雷達天線透波涂料中，借助石墨烯良好的導(dǎo)電性能和物理屏蔽性能，可大幅度改善艦船雷達天線防護涂料的使用性能，延長涂料使用壽命，保障雷達天線在惡略海洋環(huán)境下的裝備可靠性，具有重大的軍事意義和戰(zhàn)略價值。同時為石墨烯在軍事裝備應(yīng)用領(lǐng)域提供了一個新思路，為國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展開拓了一個新方向。

1 前言

艦載雷達天線罩（又稱“天線罩”“雷達罩”）是保護艦載雷達天線系統(tǒng)免受外部海洋環(huán)境影響的結(jié)構(gòu)設(shè)備，一般由玻璃鋼等復(fù)合材料制成。艦船雷達透波防護材料是涂裝在雷達罩表面，保護其免受環(huán)境影響的功能性防護涂料。

在惡劣的海洋環(huán)境下，艦船各型雷達面臨嚴酷的腐蝕問題。如何降低材料腐蝕而造成的設(shè)備失效問題，使船舶電子設(shè)備時刻處于良好的防護狀態(tài)，最大限度地延長雷達天線的使用壽命，是海軍艦船維修保障的重要課題。石墨烯——作為一種新型的碳納米材料，具有獨特的二維分子結(jié)構(gòu)和良好的導(dǎo)電性能，為研發(fā)新型艦船雷達防護涂層提供了新的思路。石墨烯具有的雙疏性能（疏水、疏油）、單原子層結(jié)構(gòu)及分子不可滲透性，可以良好地屏蔽氯離子、水和氧等腐蝕介質(zhì)的侵入，石墨烯是被公認為最薄的防護材料；石墨烯穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)，可以降低紫外線造成的高分子材料老化問題；而石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能，克服了有機涂層電阻率高的問題，因此石墨烯在艦船雷達透波防護領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 國軍標、海軍標對艦船雷達透波防護涂層的性能要求

與航載雷達相比，艦載雷達常年暴露于高溫、潮濕和日光老化等海洋腐蝕環(huán)境（ISO 12944規(guī)定的C5—M腐蝕環(huán)境），保養(yǎng)和涂裝困難，而惡劣的使用環(huán)境會造成涂層失效，導(dǎo)致天線罩表面靜電荷積累，干擾雷達正常使用效能。因此艦載雷達專用涂層的防護期限和防護效果遠遠高于航載雷達；同時艦載雷達的有效涂裝面積遠超航載雷達，導(dǎo)致所需的透波防護涂料用量遠大于航載雷達。近年來，隨著海軍服役艦艇噸位的穩(wěn)步提升，軍方對透波防護涂料的用量也急劇增長。因此，雷達天線透波涂料具有穩(wěn)定的市場需求，非常符合石墨烯這種高附加值納米材料的使用。目前，海軍艦船雷達專用透波防護涂層為海軍某研究院研制，而對涂層的性能要求主要集中在涂料基礎(chǔ)性能、涂層機械性能、環(huán)境適應(yīng)性能和電氣性能這幾個主要方面，其中涂層的機械性能和環(huán)境適應(yīng)性能應(yīng)滿足海軍標HJB 284a的要求，涂層的電氣性能應(yīng)滿足國軍標GJB 3531a的要求。目前，常見的雷達罩透波涂料配套體系見表1、表2，涂料涂層的常規(guī)性能見表3。

3 石墨烯材料的透波原理

艦艇雷達天線通過電磁波搜索、識別、判斷目標物的位置和狀態(tài)。雷達天線發(fā)射的電磁波傳播過程中遇到不同介質(zhì)時，在電磁波的入射面會發(fā)生反射和透射現(xiàn)象。當相鄰介質(zhì)的電磁波阻抗不匹配時，就會發(fā)生波反射現(xiàn)象，兩物質(zhì)波阻抗越不匹配，反射的電磁波就越多。一般雷達罩防護材料的透波性能主要由防護材料內(nèi)部的阻抗匹配性和衰減性兩方面條件決定，雷達天線罩防護涂層在設(shè)計時應(yīng)兼顧涂層的環(huán)境防護性能和防護材料的波阻抗匹配性能，并且在長時間的服役環(huán)境下，必須保持防護材料的波阻抗的穩(wěn)定性和匹配性，才能達到對天線罩的最佳防護效能。

當石墨烯應(yīng)用于雷達透波防護材料時，石墨烯與涂層中的功能顏料通過復(fù)合協(xié)同效應(yīng)，對涂層內(nèi)部的電磁參數(shù)形成影響，同時利用石墨烯的高比表面積和優(yōu)異的導(dǎo)電性能以及石墨烯與復(fù)相陶瓷粒子復(fù)合所帶來的特殊界面極化、電子弛豫極化和偶極子極化等協(xié)同效應(yīng)來透射電磁波，從而提高傳統(tǒng)透波防護材料的電器性能，獲得長效、寬頻、質(zhì)輕的透波防護涂層。

4 石墨烯防護涂層的研制

4.1 原料

改性聚氨酯樹脂來自煙臺萬華聚氨酯股份有限公司；固化劑來自德國拜耳；云母、硅粘土來自北京利國偉業(yè)粉體有限公司；二氧化硅/（氮化硅/氮化硼）[SiO2/（Si3N4+BN）]復(fù)相陶瓷來自北京航空材料研究院；助劑來自德謙（上海）化學(xué)有限公司；石墨烯粉體和分散劑來自青島華高墨烯科技股份有限公司。

4.2 涂料及樣板的制備

依據(jù)涂料配方（見表4）依次加入各種原料，球磨分散儀低速分散均勻后，添加石墨烯粉體材料和分散劑，超高速分散儀高速分散30min，靜置24h后過濾，檢測涂料樣品細度，如果細度不達標，再低速分散2h。

4.3 涂層性能測試

4.3.1 表面電阻率的測試

用細砂紙將100mm×150mm×3mm規(guī)格的玻璃鋼試板打磨均勻，平均粗糙度為15μm，用丙酮將試板表面清洗干凈，待完全干燥后按涂料配套要求噴涂防護涂層，室溫干燥7d，用由兆歐表和2個銅電極組成的表面電阻測量儀測量涂層面電阻。平行測試3塊試板，取平均值，即為該涂料的表面電阻率。

4.3.2 漆膜透波率的測試

規(guī)格為610mm×610mm×0.3mm的玻璃鋼試板，表面處理和施工工藝同電阻率測試相同。將空白玻璃鋼試板和制好的試板輪流置于發(fā)射天線和接收天線之間，測定不同頻率的電磁微波透射功率T20和T2τ，兩者比值即為該頻率下的涂層透波率。

4.3.3 涂層機械性能和環(huán)境適應(yīng)性測試

涂層的機械性能和環(huán)境適應(yīng)性按照國標和國軍標規(guī)定的方法進行。

4.4 聚氨酯石墨烯防靜電涂料與現(xiàn)有防護涂料的比較

將新研制的聚氨酯石墨烯透波涂料與現(xiàn)有的雷達透波防護涂料制作試板后進行常規(guī)環(huán)境適應(yīng)性、電氣性能和人工加速老化后電氣性能進行比較（測試數(shù)據(jù)見表5、表6），從測試數(shù)據(jù)可以看出，石墨烯可以大幅度延長涂層的防護效果，有效提高涂層的電導(dǎo)率和透波率，并且經(jīng)過長時間老化后，涂層仍保持良好的透波效果，防護效果明顯。

5 結(jié)語

通過系統(tǒng)的研究和實船測試，新研制的聚氨酯石墨烯透波涂料配套產(chǎn)品，較好地滿足了我國常規(guī)雷達罩的防護需求，與傳統(tǒng)透波涂料相比可以大幅度延長雷達罩的防護期限，保障雷達天線的正常使用。通過實驗研究工作，可以歸納出以下幾點結(jié)論：

第一，石墨烯作為良好的防腐材料和優(yōu)異的導(dǎo)電材料，通過和傳統(tǒng)的雷達罩涂料進行復(fù)合，可以大幅度提高原有涂料的防護效果，延長雷達天線罩的涂裝間隔，降低艦船電子裝備的維護頻率，提高艦載雷達的環(huán)境可靠性，從而節(jié)約艦船的維護成本，軍事和經(jīng)濟價值顯著。

第二，研究工作為石墨烯在透磁方面的應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，為石墨在軍用領(lǐng)域的應(yīng)用打開了一扇窗口。

第三，由于缺少微觀檢測設(shè)備，本文只能從宏觀角度進行試驗和數(shù)據(jù)分析，針對石墨烯材料在涂料中的分散狀態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)特征對電磁波的影響，缺少必要的理論研究，相關(guān)內(nèi)容還有待行業(yè)專家進一步探討研究。

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