高性能雷達(dá)吸波涂層的制備及其損傷行為

程宗輝 ， 段本方 ， 陳云鵬 ， 王景坡

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007）

0 引言

隱身涂層具有隱身效果好、施工工藝簡(jiǎn)單、不受機(jī)體外形限制等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最好、最為有效的隱身技術(shù)手段之一[1-2]。雷達(dá)吸波涂層作為隱身涂層體系的重要組成部分，是飛機(jī)實(shí)現(xiàn)隱身的關(guān)鍵[3-4]。雷達(dá)吸波涂層通過吸收、衰減入射的電磁波，降低目標(biāo)的回波強(qiáng)度，從而達(dá)到隱身的目的[5-8]。

雷達(dá)吸波涂層作為一種復(fù)雜功能性涂層，主要由吸收劑與膠黏劑組成。其中，鐵磁性吸收劑由于具有高的飽和磁化強(qiáng)度、居里溫度、兼具磁損耗和介電損耗，同時(shí)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)，被廣泛用作雷達(dá)吸波[9-13]。此外，戰(zhàn)機(jī)在長(zhǎng)期服役過程中由于受到自然環(huán)境的影響以及自身特性的作用，其表面所涂覆的雷達(dá)吸波涂層常面臨各種損傷失效問題，特別是飛機(jī)關(guān)鍵部位（如進(jìn)氣道）的涂層脫落，不僅影響飛機(jī)整體隱身性能，甚至嚴(yán)重威脅戰(zhàn)機(jī)飛行安全[14-16]。因此，為了提高戰(zhàn)機(jī)戰(zhàn)場(chǎng)生存和防御能力，不僅要求其所裝備的雷達(dá)吸波涂層具有優(yōu)異的吸波性能，同時(shí)對(duì)其力學(xué)性能提出了更為苛刻的要求。

目前為止，對(duì)于雷達(dá)吸波涂層的研究主要集中在如何提高其吸波性能以及環(huán)境適應(yīng)性能，而對(duì)不同失效模式產(chǎn)生機(jī)制以及不同失效模式對(duì)其吸波性能的影響的研究較少[17-20]。本研究為了探究雷達(dá)吸波涂層損傷脫落、分層粘脫對(duì)其吸波性能的影響，以羰基鐵粉為吸收劑，聚氨酯為膠黏劑，制備具有高效吸波性能的雷達(dá)吸波涂層，并對(duì)其在不同厚度、入射角度以及極化方式下的吸波性能進(jìn)行探究，并基于電磁仿真軟件Ansoft HFSS 和弓形框測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其吸波性能進(jìn)行模擬和測(cè)試。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 樣品制備

將一定質(zhì)量的羰基鐵粉與聚氨酯混合，用超聲波法分散均勻，然后將分散好的混合溶液進(jìn)行流延涂覆。待樣品干燥后壓制成外徑為7.00 mm，內(nèi)徑為3.04 mm，厚度為0.80～1.00 mm 的環(huán)形試樣。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在1～18 GHz 的電磁參數(shù)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

1.2 理論基礎(chǔ)

雷達(dá)吸波涂層的吸波性能一般使用反射損耗（RL）進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)傳輸線理論，當(dāng)電磁波垂直入射到背靠金屬板的雷達(dá)吸波涂層時(shí)，RL計(jì)算公式為：

對(duì)于雷達(dá)吸波涂層在斜入射條件下的吸波性能，可以通過傳輸線理論進(jìn)行計(jì)算。其中，當(dāng)電場(chǎng)與入射電磁波平面垂直時(shí)產(chǎn)生水平極化（TE），當(dāng)電場(chǎng)與入射波平面水平時(shí)產(chǎn)生垂直極化（TM），示意圖見圖1[2]。

圖1 水平極化和垂直極化示意圖Fig.1 Schematic diagram of horizontal polarization and vertical polarization

當(dāng)電磁波斜入射在背靠金屬板的雷達(dá)吸波涂層時(shí)，其反射損耗可以根據(jù)式（3）計(jì)算得出。

式（3）中，水平極化和垂直極化模式下的特征阻抗分別為：

1.3 模型搭建

為了探究不同失效模式對(duì)雷達(dá)吸波涂層吸波性能的影響，分別模擬脫落損傷和分層脫粘對(duì)其吸波性能的影響。圖2a、圖2b 分別為雷達(dá)涂層損傷脫落模型的俯視圖和主視圖，其中，完整雷達(dá)吸波涂層為邊長(zhǎng)a的正方形，厚度T=0.8 mm；損傷雷達(dá)吸波涂層區(qū)域?yàn)檫呴L(zhǎng)ba（b=0.1,0.2,…,1）的正方形，損傷面積占整個(gè)圖層面積的b2；脫落厚度為T-t。圖2c 為雷達(dá)吸波涂層分層脫粘主視圖，其中分層脫粘高度t2=0.05 mm，產(chǎn)生分層脫粘的位置高度為t。通過電磁仿真軟件Ansoft HFSS，利用有限元方法對(duì)不同失效模式的雷達(dá)吸波涂層進(jìn)行數(shù)值模擬。雷達(dá)吸波涂層在HFSS 中的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2d。其中，電場(chǎng)E的方向沿+X方向，磁場(chǎng)H的方向沿+Y方向，同時(shí)電磁波沿-Z方向垂直射向雷達(dá)吸波涂層，在X、Y方向上分別為單位單元設(shè)置主從邊界條件進(jìn)行電磁仿真模擬，數(shù)值模型以實(shí)際結(jié)構(gòu)單元為基礎(chǔ)。

圖2 雷達(dá)吸波涂層損傷脫落模型示意圖Fig.2 Schematic diagrams of damage and shedding model for rader absorbing coating

2 結(jié)果分析與討論

2.1 電磁特性

圖3 為所制備的羰基鐵/聚氨酯雷達(dá)吸波涂層在1～18 GHz 條件下的電磁參數(shù)。可以看出，羰基鐵/聚氨酯雷達(dá)吸波涂層具有高的磁導(dǎo)率和較為匹配的介電常數(shù)，介電常數(shù)實(shí)部?′、虛部ε″在1 GHz 時(shí)分別達(dá)到27.0、2.7，磁導(dǎo)率實(shí)部μ′、虛部μ″在1 GHz時(shí)分別達(dá)到6.2、1.4。鐵磁性雷達(dá)吸波涂層兼具磁損耗和介電損耗，同時(shí)具有與磁導(dǎo)率相匹配的介電常數(shù)，這些因素都有助于雷達(dá)吸波涂層實(shí)現(xiàn)薄層高效吸收。此外，羰基鐵/聚氨酯雷達(dá)吸波涂層的介電常數(shù)實(shí)部和虛部在整個(gè)頻段范圍內(nèi)基本保持不變，這主要是由于羰基鐵具有相對(duì)大的電導(dǎo)率，自由電子很容易在其內(nèi)部形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并且隨著頻率的變化產(chǎn)生電子極化。由于自由電子移動(dòng)周期很短，不會(huì)出現(xiàn)高頻極化弛豫現(xiàn)象，因此介電常數(shù)基本保持不變。相比于介電常數(shù)，羰基鐵/聚氨酯雷達(dá)吸波涂層的磁導(dǎo)率出現(xiàn)明顯的弛豫現(xiàn)象，這主要是由于磁性粉體在高頻下產(chǎn)生磁共振，自然共振是GHz 范圍內(nèi)一種常見的共振形式。在自然共振頻率附近，材料內(nèi)部的磁矩偏轉(zhuǎn)角達(dá)到最大，對(duì)微波場(chǎng)的能量吸收也達(dá)到最大，磁導(dǎo)率實(shí)部會(huì)出現(xiàn)突然降低。

圖3 羰基鐵/聚氨酯雷達(dá)吸波涂層在1～18 GHz 頻段范圍內(nèi)的電磁參數(shù)Fig.3 Electromagnetic parameters of carbonyl iron/polyurethane radar absorbing coating in the range of 1～18 GHz

2.2 垂直入射條件下的吸波性能

圖4 為羰基鐵/聚氨酯雷達(dá)吸波涂層在不同厚度下的吸波性能?？梢钥闯?，隨著雷達(dá)吸波涂層厚度的增加，其反射損耗峰強(qiáng)度先增加后降低；同時(shí)，隨著厚度的增加，其反射損耗峰往低頻移動(dòng)，這種現(xiàn)象已經(jīng)被1/4 波長(zhǎng)相消成功解釋[9]。在雷達(dá)吸波涂層厚度為0.8 mm 時(shí)，其反射損耗峰在9 GHz 達(dá)到-10 dB；在厚度為2.5 mm 時(shí)，其反射損耗峰在2.5 GHz 達(dá)到-35 dB，實(shí)現(xiàn)電磁波99.95%的高效吸收。涂層不僅在高頻段具有優(yōu)異吸波性能，同時(shí)在低頻段（尤其是S 波段）也實(shí)現(xiàn)高效吸收。當(dāng)涂層厚度為0.8 mm 時(shí)，其反射損耗峰在7.2～12.8 GHz 范圍內(nèi)均達(dá)到-8 dB（圖4b），在整個(gè)火控雷達(dá)波段均實(shí)現(xiàn)80%的高效吸收，對(duì)于提高戰(zhàn)機(jī)在火控雷達(dá)波段的戰(zhàn)場(chǎng)生存和防御能力提供了行之有效的解決辦法。

圖4 雷達(dá)吸波涂層在不同厚度下以及厚度為0.8 mm 時(shí)的吸波性能Fig.4 Absorption performance of radar absorbing coating at different thickness

2.3 斜入射條件下的吸波性能

隨著近場(chǎng)電磁波吸收需求的增加，斜入射條件下電磁波的吸收研究也逐漸得到重視，人們希望雷達(dá)吸波涂層不僅在垂直入射情況下具有優(yōu)異的微波吸收性能，同時(shí)在斜入射條件下也可以獲得理想的吸收效果。因此，對(duì)雷達(dá)吸波涂層在斜入射條件下的吸波性能進(jìn)行研究。

圖5 為雷達(dá)吸波涂層在不同厚度、不同入射角度TE 模式下的吸波性能?？梢悦黠@看出，在同一入射角度下，反射損耗峰強(qiáng)度隨著雷達(dá)吸波涂層厚度的增加而增加；當(dāng)厚度保持不變時(shí)，其反射損耗峰強(qiáng)度隨著入射角度增加而降低。在雷達(dá)吸波涂層厚度為0.8 mm、入射角度為40°時(shí)，其反射損耗峰在4.5～18 GHz 時(shí)均達(dá)到了-4 dB；在厚度為2.5 mm、入射角度為40°時(shí)，其反射損耗在1～18 GHz 時(shí)均達(dá)到-4 dB。

圖5 雷達(dá)吸波涂層在TE 極化模式不同厚度下的吸波性能Fig.5 Absorption performance of radar absorbing coating in TE polarization mode with different thickness

圖6 為雷達(dá)吸波涂層在不同厚度、不同入射角度TM 模式下的吸波性能?？梢钥闯觯啾扔赥E 極化模式，羰基鐵/聚氨酯雷達(dá)吸波涂層在TM 極化模式下具有極其優(yōu)異的吸波性能。在涂層厚度保持不變時(shí)，其反射損耗強(qiáng)度隨著入射角度的增加先增加后降低，在厚度為0.8 mm、入射角度為60°時(shí)，其反射損耗峰在5.5～18 GHz 范圍內(nèi)均達(dá)到-10 dB，有效工作帶寬達(dá)到-12.5 GHz。特別的是，在8～12 GHz 范圍內(nèi)，其反射損耗峰強(qiáng)度均低于-20 dB，意味著99%電磁波被高效吸收。當(dāng)入射角度增大到80°時(shí)，反射損耗峰強(qiáng)度急劇降低，這是由于當(dāng)入射角增大時(shí)，入射雷達(dá)波在雷達(dá)吸波涂層中的傳播距離遠(yuǎn)大于1/4 波長(zhǎng)，阻抗失配，導(dǎo)致吸收性能變差[20,23-24]。以上結(jié)果說明，所制備的羰基鐵/聚氨酯雷達(dá)吸波涂層在垂直入射和斜入射條件下均具有優(yōu)異的吸收性能，滿足寬頻、薄層、寬入射角度和高效吸收的應(yīng)用要求，為解決當(dāng)前新型航空裝備所急需的高效雷達(dá)吸波涂層提供了完美的解決方案。

圖6 雷達(dá)吸波涂層在TM 極化模式下不同入射厚度下的吸波性能Fig.6 Absorption performance of radar absorbing coating under different thickness in TM polarization mode

2.4 雷達(dá)吸波涂層脫落對(duì)其吸波性能的影響

為了探究雷達(dá)吸波涂層損傷失效對(duì)其吸波性能的影響，分別對(duì)不同損傷面積的雷達(dá)吸波涂層全部脫落以及部分脫落的吸波性能進(jìn)行研究（圖7）。

圖7a 為損傷區(qū)域雷達(dá)吸波涂層全部脫落（即脫落厚度為0.8 mm）下的吸波性能，可以看出，隨著損傷面積的增加，雷達(dá)吸波涂層的吸收強(qiáng)度（尤其是X 波段）明顯降低，且最小反射損耗峰往高頻移動(dòng)。當(dāng)b=0.2，即損傷面積為4%時(shí)，其吸波性能基本上不發(fā)生變化；當(dāng)b=0.6，即損傷面積為36%時(shí)，在9 GHz 時(shí)其反射損耗峰由-10 dB 減小為-5.5 dB，吸波性能明顯降低；當(dāng)b=0.9，即損傷面積為81%時(shí)，其吸波性能大幅度降低，吸波性能基本喪失。

圖7 雷達(dá)吸波涂層在不同損傷面積與脫落厚度下的反射損耗Fig.7 Reflection loss of radar absorbing coating under different damage areas and shedding thickness respectively

圖7b～圖7d 為損傷區(qū)域雷達(dá)吸波涂層部分脫落對(duì)其吸波性能的影響?？梢钥闯觯趽p傷面積不變的情況下，隨著雷達(dá)吸波涂層脫落厚度的增加，其吸波性能同步降低，且吸波性能與損傷面積與脫落厚度的大小成正比。當(dāng)損傷面積為9%（b=0.3）、脫落厚度t由0 增加到0.7 mm 時(shí)，其反射損耗峰強(qiáng)度由-10 dB 降低到-8 dB，其吸波性能微弱降低；當(dāng)損傷面積為36%（b=0.6）、脫落厚度t由0 增加到0.7 mm 時(shí)，其反射損耗峰強(qiáng)度由-10 dB 降低到-6 dB，吸波性能降低幅度增加；當(dāng)損傷區(qū)域面積為81%（b=0.9）、脫落厚度由0 增加到0.7 mm 時(shí)，其反射損耗峰強(qiáng)度由-10 dB 降低到-3 dB，其吸波性能大幅降低。

2.5 雷達(dá)吸波涂層分層脫粘對(duì)其吸波性能的影響

圖8 為雷達(dá)吸波涂層在不同分層脫粘高度以及分層脫粘面積下的吸波性能?？梢钥闯觯?dāng)某一厚度下雷達(dá)吸波涂層分層脫粘高度不變時(shí)，其吸波性能不變；隨著分層脫粘面積的增加，其吸波性能微弱降低。因此，通過對(duì)比分析不同失效模式對(duì)其吸波性能的影響，可以得出，相比于失效模式如分層脫粘，雷達(dá)吸波涂層損傷脫落對(duì)其吸波性能影響比較大。隨著脫落面積以及脫落厚度的增加，其吸波性能降低；而雷達(dá)吸波涂層分層脫粘對(duì)其吸波性能基本無影響。

圖8 雷達(dá)吸波涂層在不同分層脫粘高度以及分層脫粘面積下的吸波性能Fig.8 Absorption performance of radar absorbing coating under different delamination height and delamination area

圖9 為吸波涂層在不同分層脫粘高度、面積下吸波性能模擬和測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯觯瑹o脫落和60%脫落損傷的涂層吸波性能模擬值和測(cè)試值基本一致，僅存在稍許偏差，說明仿真模型的可靠性。對(duì)于偏差的產(chǎn)生原因，可能是由于測(cè)試誤差或者涂層厚度均勻性控制問題導(dǎo)致。因此，基于電磁仿真軟件HFSS 可以快速高效地對(duì)雷達(dá)吸波涂層的吸收特性進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，極大提高研發(fā)效率。

圖9 雷達(dá)吸波涂層在不同失效情況下的吸波性能模擬值和測(cè)試值Fig.9 Simulation and test results of radar absorbing coating under different failure conditions

3 結(jié)論

1）雷達(dá)吸波涂層在厚度為0.8 mm 時(shí)，其反射損耗峰在9 GHz 達(dá)到-10 dB，在7.2～12.8 GHz 時(shí)均小于-8 dB，在整個(gè)X 波段實(shí)現(xiàn)薄層高效吸收。

2）雷達(dá)吸波涂層斜入射條件下具有極其優(yōu)異的吸波性能。在厚度為0.8 mm、入射角度為60°時(shí)，其反射損耗峰強(qiáng)度在5.5～18 GHz 時(shí)均達(dá)到-10 dB，有效吸收帶寬達(dá)到-12.5 GHz，實(shí)現(xiàn)寬帶、薄層、寬入射角度的高效吸收。

3）相比于雷達(dá)吸波涂層分層脫粘的失效模式，損傷脫落對(duì)其吸波性能的影響更為明顯。隨著損傷面積的增加，雷達(dá)吸波涂層的吸收強(qiáng)度明顯降低，且最小反射損耗峰向高頻移動(dòng)。

4）在雷達(dá)吸波涂層損傷面積為36%時(shí)，其反射損耗峰在9 GHz 條件下由-10 dB 降低為-5.5 dB，吸波性能明顯降低；當(dāng)損傷面積達(dá)到81%時(shí)，其吸波性能基本喪失。