深彈發(fā)射裝置高溫抗腐蝕隱身涂層研究

梁昱晨，李旺昌，斯王祥

（國營第四四五廠，浙江 杭州 310024）

0 引言

隨著現(xiàn)代化軍事探測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，軍事設(shè)施及武器裝備的隱蔽變得日益困難，因此隱身技術(shù)的應(yīng)用越來越多。隱身概念和技術(shù)源于二戰(zhàn)，最早因在航空裝備上的應(yīng)用而聞名。它是指通過研究利用各種不同的技術(shù)手段來改變己方目標(biāo)的可探測(cè)性信息特征，最大程度地降低對(duì)方探測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的概率，使己方的武器裝備不被敵方的探測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)和探測(cè)到[1-2]。隱形技術(shù)使偽裝技術(shù)由防御性走向了進(jìn)攻，由消極被動(dòng)變成了積極主動(dòng)，增強(qiáng)我方的生存能力，提高對(duì)敵人的威脅力。通常采用外形隱身與吸波材料隱身相結(jié)合的手段實(shí)現(xiàn)較好的隱身效果。

吸波材料是由吸收劑、粘結(jié)劑及各種助劑構(gòu)成，其吸波性能主要由吸波材料的電磁參數(shù)和厚度決定[3]。吸波材料是指涂在裝備或建筑表面的一類材料，通過能量轉(zhuǎn)換耗散掉電磁波或使電磁波因干涉而消失。吸波材料的分類方法有多種，根據(jù)電磁波的損耗機(jī)制，吸波材料分為電阻型、電介質(zhì)型和磁損耗型；根據(jù)成型工藝和承載能力，分為涂覆型和結(jié)構(gòu)型；根據(jù)吸波原理，分為吸收型和干涉型[4]。

受制于火箭發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的高溫尾焰，采用傳統(tǒng)涂層吸波的隱身方法受限，發(fā)射裝置隱身效果不佳。因此，需要研制一種耐高溫沖蝕的隱身材料，以適應(yīng)發(fā)射裝置高溫尾焰工作環(huán)境。

1 高溫吸波材料研究

由于大多數(shù)磁性吸收劑居里溫度低，通常情況下只能應(yīng)用于武器裝備的常溫部位的隱身，在高溫環(huán)境下容易因氧化失效而失去吸波性能。因此，在高溫環(huán)境下武器裝備的隱身需要采用高溫吸波材料。

碳化硅（SiC）作為高溫吸波材料的主要成分，有密度小、耐高溫和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，因而在高溫吸波材料中具有良好的應(yīng)用前景。但常規(guī)制備的碳化硅的吸波性比較差，可通過提高碳化硅的純度和可控?fù)诫s來改善碳化硅的吸波性能。日本的研究人員通過提高碳化硅的純度方法，制備出高純度的碳化硅粉體并具有優(yōu)異的吸波效果，但缺點(diǎn)是難以獲得制備碳化硅粉體的高純度原料，且生產(chǎn)成本較高，所以這種方法不適合用于大規(guī)模生產(chǎn)。

通過對(duì)SiC有控制的摻雜來有效調(diào)控SiC的電導(dǎo)率，是提高SiC在高溫下吸波性能的主要方法。DOU等[5]對(duì)SiC微粉進(jìn)行N元素的摻雜，在N元素的摻雜下使材料的介電常數(shù)虛部隨溫度的升高變化趨勢(shì)加快，在高溫環(huán)境下具有較大的介電損耗能力，因而該材料在高溫下具有較強(qiáng)的吸波性能。CHEN等[6]把B摻雜在SiC納米線上，發(fā)現(xiàn)其電導(dǎo)率升高進(jìn)而提高吸波性能，并且拓寬吸波材料的吸收頻帶。也有研究人員通過對(duì) SiC材料進(jìn)行Fe元素?fù)诫s，改善SiC納米線的介電損耗能力和吸波性能，同時(shí)因?yàn)閾诫sFe元素使SiC具有一定量的磁性，增加了材料的磁損耗進(jìn)而提高了材料的吸波性能。

當(dāng)前，一些研究人員也采用其他的技術(shù)制備出耐高溫吸波材料，并取得很好的成果。PING等[7]采用靜電紡絲方法制出聚脲硅氮烷/聚苯乙烯（PUS/PS）復(fù)合納米纖維，發(fā)現(xiàn)包含多級(jí)納米結(jié)構(gòu)的碳化硅纖維具有良好的吸波性能。

2 吸波涂層理論研究

隱身材料是一種色散介質(zhì)，其電磁參數(shù)ε和μ隨著頻率變化而變化。

介電常數(shù)的實(shí)部和虛部存在一定的內(nèi)在關(guān)系Kramers–Kroning 關(guān)系：

式中：ω'為復(fù)頻率；ω為ω'的某一實(shí)正值。

Kramers–Kroning關(guān)系指出了色散介質(zhì)（ε'與頻率有關(guān)）一定有損耗，其介電常數(shù)的實(shí)部和虛部又相互制約。根據(jù)Kramers–Kroning關(guān)系，只有理想的真空狀態(tài)才是無耗介質(zhì)。隱身涂層的電磁參數(shù)隨著頻率的變化而變化，因此這是一種典型的色散介質(zhì)。由此，在2～18 GHz的寬頻內(nèi)，電磁波會(huì)發(fā)生色散效應(yīng)[3]。

在鐵磁性物質(zhì)中，由于Snoek’s原則使得磁導(dǎo)率和頻率相互限制。對(duì)于一定的材料，式子右邊是常量。在一定的頻率范圍內(nèi)，右邊的值越大，材料的磁導(dǎo)率虛部越大。由此，要使得在一定頻率范圍內(nèi)磁導(dǎo)率虛部較大的話，就要求材料有較高的飽和磁化強(qiáng)度，Snoek’s 原則如下式：

對(duì)于吸波材料而言，磁導(dǎo)率虛部代表了磁損耗性能。由上式可知，材料的飽和磁化強(qiáng)度越大，磁導(dǎo)率虛部越大[8]。

吸波復(fù)合材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率通常表達(dá)了復(fù)合材料的電磁性能。為了進(jìn)一步研究納米粒子的本征電磁性能，根據(jù) Bruggman有效媒質(zhì)理論，由下式可得納米粒子的本征介電常數(shù)εi和磁導(dǎo)率μi。

式中：ε、μ為石蠟基復(fù)合材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率；εm、μm為樹脂基體的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，其數(shù)值分別為2和1[9-10]。

3 仿真理論模型

建立單層吸波涂層模型（圖1），分析電磁波在涂層中的衰減。由于涂層的厚度遠(yuǎn)小于雷達(dá)波波長，所以可以用傳輸線理論對(duì)其阻抗和反射率進(jìn)行理論分析預(yù)測(cè)。

圖1 單層吸波材料示意圖Fig.1 Schematic diagram of monolayer wave-absorbing materials

利用網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀測(cè)定吸波材料的動(dòng)態(tài)相對(duì)介電常數(shù)εr和磁導(dǎo)率μr。根據(jù)傳輸線理論，計(jì)算得到涂層的阻抗Z。

涂層的傳輸系數(shù)γ為

由此得到涂層的阻抗為

由涂層的阻抗值可得到涂層的反射率：

涂層的衰減因子如下：

式中c表示真空中的光速。

衰減因子是依賴于材料的復(fù)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的參數(shù)，其表示電磁波在涂層中的衰減。

為了滿足最小的反射率，在設(shè)計(jì)涂層時(shí)要盡量達(dá)到匹配條件：

4 仿真計(jì)算結(jié)果

在研究過程中，選用高磁導(dǎo)率納米金屬吸波材料和高頻金屬氧化物磁性吸波材料作為 2種典型的吸波隱身材料。根據(jù)以上的傳輸線理論通過計(jì)算機(jī)模擬得到耐高溫吸波材料的反射率。采用CST軟件和MATLAB語言編寫程序模擬得到吸波涂層的反射率圖。以涂層的厚度和電磁波的頻率為變量，研究吸波涂層厚度在1～2 mm時(shí)對(duì)1～18 GHz雷達(dá)波的反射率變化。在反射率圖中，反射率越小代表材料對(duì)雷達(dá)波的吸收和損耗越大，其吸波性能也越好。

圖2 納米金屬吸波材料反射率仿真圖Fig.2 Simulation diagram of nanometer metal wave-absorbing materials reflectivity

5 結(jié)束語

針對(duì)深彈發(fā)射裝置既滿足熱流沖蝕的耐高溫，又滿足在高頻的隱身要求。采用經(jīng)典的納米金屬和納米金屬氧化物吸波劑，采取熱等離子噴涂的方法做吸波涂層。通過仿真研究發(fā)現(xiàn)，納米金屬吸波材料在1～2 mm區(qū)間，吸收頻段主要集中在3～8 GHz，而納米金屬氧化物的吸收頻段主要集中在10～18 GHz，可以通過厚度的變化調(diào)控吸收頻率。由于等離子噴涂的涂層表面和結(jié)構(gòu)都很均一，因此其對(duì)電磁波的散射都較均勻，不存在極化方向的問題。