吸波涂料在雷達隱身領(lǐng)域的應(yīng)用

胡嘉龍，卞美琴，崔 炎，范夢恒，喬鵬翔，張 帥

（中國船舶集團有限公司第七二四研究所，江蘇 南京 211153）

雷達能夠通過不同頻段的電磁波散射來實現(xiàn)對目標(biāo)的空間定位，如何利用有效的偽裝手段來最大限度地弱化電磁波的反射、發(fā)射和特征，從而提升雷達隱身能力，已成為眾多研究者關(guān)注的課題［1-2］。判定目標(biāo)的隱身性能可通過目標(biāo)的雷達散射面積（Radar Cross Section，RCS）來衡量［3］。RCS是目標(biāo)大小、形狀和制造材料的一種屬性，是入射和反射功率的比率。通過計算可以直觀得出RCS對于雷達探測能力的影響，對于同一部雷達而言雷達探測威力與雷達1/4散射面積呈正比［4］。

減少RCS的方法主要包括：吸波整形、主動加載、被動加載和分布式加載。吸波整形是通過改變裝備結(jié)構(gòu)，以減少反射電磁波的方法，其通過鏡面反射重新定向輻射，因此增加了雙站雷達的探測概率。主動和被動裝載的目的是針對熱點區(qū)域的散射減弱。主動材料設(shè)計的依據(jù)是檢測入射輻射，并發(fā)射同等幅度和相反相位的信號來抵消信號，而設(shè)計被動材料的目的是為了改變表面阻抗，以抵消散射信號。分布式裝載則是依靠吸波涂料覆蓋在裝備外結(jié)構(gòu)，這種材料與輻射的電場或磁場特性耦合，能夠產(chǎn)生諧振效應(yīng)從而消除、減弱或進行能量轉(zhuǎn)化，從而降低裝備的RCS，以實現(xiàn)雷達隱身效果［5］。吸波涂料成分復(fù)雜，各類選材、搭配、工藝對吸波效能的影響規(guī)律需要進一步研究，本文概述了吸波涂料的工作機理和主要組成，并總結(jié)歸納了目前新型吸波涂料研究進展，指出了吸波涂料未來主要發(fā)展方向。

1 吸波涂料的作用機理

吸波涂料主要由黏結(jié)劑、吸收劑組成［6］，黏結(jié)劑作為基體為吸波涂料提供結(jié)構(gòu)強度、環(huán)境穩(wěn)定性和耐久性，通常為有機聚合物或無機膠黏劑；吸收劑受基體黏結(jié)并起到吸收、減弱電磁波的作用［7］，一般為短纖維、手性物質(zhì)或部分具有吸波能力的粉末。由于武器裝備在追求隱身性能的同時，還必須兼顧剛度、散熱性、環(huán)境耐受性等能力，因此要求吸波材料在密度和厚度都受到嚴格控制情況下，面對多入射角多頻段的電磁波，盡可能降低其反射能量。吸收效能衡量一般以有效吸波帶寬Δf和最小反射損耗體現(xiàn)，有效吸波帶寬Δf為反射損耗超過-10 dB的區(qū)域，Δf越大意味著涂料能夠在更多的頻率上實現(xiàn)有效吸波；而最小反射損耗決定了涂料針對該頻率電磁波的吸收能力。

常見的基體包括氯磺化聚乙烯、環(huán)氧樹脂和聚氨酯。良好的基體應(yīng)當(dāng)弱化在吸波涂料中的比重，具備一定結(jié)構(gòu)強度、環(huán)境耐受性以及與吸收劑相匹配的介電常數(shù)，并能夠納入盡可能多的吸收劑。

圖1 吸波效能關(guān)系圖Fig.1 Relationship diagram of absorption efficiency

2 主要吸收劑種類

2.1 磁損耗型吸收劑

磁損耗型吸收劑以鐵氧體吸收劑、羰基鐵吸收劑為主。鐵氧體是一大類具有顯著磁性的氧化物，是從赤鐵礦（Fe2O3）或磁鐵礦（Fe3O4）中提煉而得。鐵氧體應(yīng)用范圍包括從毫米波集成電路到功率處理、簡單的永磁體和磁記錄等各種應(yīng)用。這些應(yīng)用基于鐵氧體的基本特性：顯著的飽和磁化、高電阻率、低電損耗和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。民用領(lǐng)域電腦的電源線及信號線上，用鐵氧體制作的磁珠，可以避免高頻的電磁噪聲（電磁干擾）進入設(shè)備或從設(shè)備中傳出。鐵氧體顆?？勺鳛殡[形飛機使用的雷達波吸收涂層，用來吸收電磁波，避免反射。鐵氧體在米波至厘米波范圍內(nèi)反射損耗可達-20 dB，是通過磁滯效應(yīng)、渦流效應(yīng)、磁后效損耗（低頻段）、自然共振損耗、疇壁共振損耗、尺寸共振損耗（高頻段）等來實現(xiàn)吸波特性［8］。

羰基鐵即金屬鐵和一氧化碳反應(yīng)生成氣態(tài)羰基鐵，再經(jīng)分解生成的金屬鐵粉體［9］，羰基鐵吸收劑是目前最為常用的雷達波吸收劑之一，它是一種典型的磁損耗型吸收劑，電磁損耗可達40 dB左右，與高分子黏結(jié)劑復(fù)合成的吸波涂料具有吸收能力強、應(yīng)用方便等優(yōu)點［10］。

2.2 電損耗型吸收劑

電損耗型吸收劑包含陶瓷類吸收劑、導(dǎo)電聚合物吸收劑等。此類材料具有高復(fù)介電常數(shù)和介電損耗角，通過介質(zhì)的電子極化和界面衰減來吸收電磁波［11］。陶瓷類吸收劑主要有SiC、Ti3SiC2等，其中SiC憑借其優(yōu)異的抗氧化性、高溫強度保持性、高耐磨性、高熱傳導(dǎo)性和良好的抗熱震性等優(yōu)點，被認為是一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。國防科技大學(xué)研制的隱身/承載/防熱一體化功能的SiCf/SiC陶瓷基吸波材料，能夠在6.5～16.0GHz實現(xiàn)有效吸收［12］。

導(dǎo)電聚合物是一種具導(dǎo)電性的高分子聚合物，又稱導(dǎo)電塑料。最簡單的例子是聚乙炔。這樣的化合物可以具有金屬導(dǎo)電性或者可以是半導(dǎo)體，導(dǎo)電聚合物的共軛大π體系使得可通過摻雜改變其導(dǎo)電率來減少電磁波的反射［13］。導(dǎo)電聚合物通常不是熱塑性塑料，但是，與絕緣聚合物一樣，它們是有機材料，其最大的優(yōu)點是可加工性。

3 吸波材料研究狀況

隨著材料科技水平的發(fā)展，涌現(xiàn)出更多種類的新型吸波材料，如手性吸收劑和納米吸收劑。手性吸波材料具有吸波頻帶更寬，且手性參數(shù)可根據(jù)實際需求進行調(diào)整的優(yōu)勢，使得吸波效果更具有針對性，但手性材料現(xiàn)階段推廣成本相對較高。納米材料是由直徑在1~100 nm的超細顆粒組成的固體材料［14］，納米吸收劑能夠轉(zhuǎn)化電磁能量，以起到減弱反射的作用。其中碳納米管（CNTs）吸收劑受到熱門關(guān)注，其質(zhì)量輕、有效頻帶寬，屬于磁損耗型［15］，但是其應(yīng)用需要與其他材料進行復(fù)合才能達到實際要求［16］。

采用不同吸收劑的吸波涂料在有效吸收帶寬、吸波性、結(jié)構(gòu)強度、重量、環(huán)境耐受性、經(jīng)濟性上各有優(yōu)勢。想要進一步提升吸波效能，做到優(yōu)勢互補，還需要通過結(jié)構(gòu)整合、比例調(diào)配、多材料組合等手段開展復(fù)合吸波涂料的研究。

納米陶瓷吸收劑是利用納米材料對現(xiàn)有陶瓷類吸收劑進行優(yōu)化而制備的一類吸收劑。Xu J等［17］通過在碳化硅纖維上復(fù)合CNTs，實現(xiàn)在CNTs 0.72 wt.%、填充劑20 %的比例下，4 mm厚的CNTs/SiCf復(fù)合涂料最小反射損耗達到了-62.5 dB，有效吸收帶寬達到了8.8 GHz，此外，可通過改變CNT的占比和厚度來調(diào)整涂料的吸波性能，具備了更強的應(yīng)用靈活性。Ma L等［18］在聚偏氟乙烯（PVDF）基體中開發(fā)了碳化硅-納米線（SiCnw）/MXene的異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)。二維MXene納米片和一維SiCnw的協(xié)同作用與結(jié)構(gòu)中的許多堆疊斷層在聚合物基體中產(chǎn)生了許多異質(zhì)界面，聚合物基體中獨特的納米結(jié)構(gòu)帶來了卓越的電磁波吸收性能。經(jīng)實驗對比，在SiCnw/MXene比例為7∶1且濃度為20 wt.%、材料厚度為1.45~1.50 mm時，能夠?qū)崿F(xiàn)Ku波段5.0 GHz的有效吸收帶寬，最小反射損耗為-75.8 dB。

除納米陶瓷吸收劑外，CNTs、碳納米纖維（CNFs）等納米材料與其他類型吸收劑復(fù)合也能產(chǎn)生良好的吸波效能，Huang B等［19］對功能化的CNFs在微波吸收方面的應(yīng)用進行了研究。采用了直流磁控濺射的方法，研究了新復(fù)合材料FeCo/CNFs的微觀結(jié)構(gòu)、磁性能和電磁波吸收能力。對于厚度為4 mm的樣品，可以觀察到位于3.81~4.36 GHz和14.03~16.35 GHz范圍內(nèi)的兩個吸收峰。最小反射損耗在14.88 GHz為-24.05 dB，與原始CNFs相比，F(xiàn)eCo/CNFs表現(xiàn)出更強的吸收和更寬的吸收帶，這是因為涂料中引入了FeCo涂層以及FeCo和CNFs之間存在破壞性干擾，該方法將為開發(fā)基于CNF的電磁波吸收材料鋪平一條新路。Fu X等［20］通過凍干技術(shù)制造出三維碳納米管/尼龍66（3D CNT/PA66），其中CNT被涂在PA66上。同時，CNT/PA66氣凝膠可以在低CNTs負載下形成一個連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)。因此，CNT/PA66氣凝膠具有良好的電磁波吸收特性，在13.9 GHz時最小反射損耗為-44.3 dB，有效吸收帶寬為3.5 GHz。Zhao J等［21］通過水熱法、熱處理和溶液澆注法獲得了二氧化錫和多壁碳納米管（MWCNT）復(fù)合的SnO2@MWCNT/硅橡膠吸波復(fù)合吸收劑。實驗分析得出，當(dāng)SnO2@MWCNT的質(zhì)量分數(shù)為7.5 wt.%，樣品厚度為2.6 mm時，SnO2@MWCNT/硅橡膠吸波復(fù)合材料的最小反射損耗為-56.9 dB，有效吸收帶寬為3.1 GHz。之后，Zhao J等［22］將二氧化錫和無定形碳同時引入到MWCNT的表面，然后進行熱處理，最終得到具有三元異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-SnO2-MWCNT吸收劑。隨后，制備了C-SnO2-MWCNT/硅橡膠吸波復(fù)合材料。實驗表明：當(dāng)C-SnO2-MWCNT的質(zhì)量分數(shù)為30 wt.%，厚度為2.65 mm時，其最小反射損耗和有效吸收帶寬可以分別達到-53.5 dB和3.16 GHz。

考慮到部分納米吸收劑環(huán)境耐受性不足，例如石墨烯在高溫和氧氣環(huán)境下容易被氧化，Luo C等［23］通過聚合物先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷（PDC）法制造出石墨烯@Fe3O4/碳氮化硅硼（SiBCN）納米復(fù)合物，該復(fù)合物具有分層的A/B/C結(jié)構(gòu)，其中SiBCN作為“盾牌”保護石墨烯@Fe3O4免受高溫氧化。這些納米復(fù)合物即使在1100~1400 ℃的氬氣或空氣環(huán)境中也很穩(wěn)定。它們的最小反射損耗和有效吸收帶寬在環(huán)境溫度下分別為-43.78 dB和3.4 GHz。在600 ℃氧化后，它們表現(xiàn)出更好的電磁波吸收性能，在600 ℃的高溫下，其有效吸收帶寬為3.93 GHz，覆蓋了X波段的93.6 %的范圍。與以前的石墨烯工作能力相比，這些納米復(fù)合物的有效吸收帶寬或最小反射損耗在高溫和氧化下都很出色。這種新型的納米材料技術(shù)將有助于提升吸波涂料在惡劣環(huán)境下的工作能力。

當(dāng)然，非納米材料的復(fù)合也依然具備研究潛力，Wei D等［24］通過一鍋水熱法合成了具有電磁波吸收功能的C/ZnO復(fù)合涂料。結(jié)果表明，在乙酸鋅與葡萄糖的摩爾比為1∶8，樣品厚度為1.16 mm時，電磁波的有效吸收帶寬可達3.52 GHz，最小反射損耗在15.77 GHz時達到-50.43 dB。

復(fù)合涂料的另一大優(yōu)勢是可以通過調(diào)節(jié)涂層厚度、濃度比例來實現(xiàn)多波段吸收效果。Guan Z J等［25］設(shè)計了納米組裝的CoFe-CoFe2O4@C復(fù)合顆粒，這種獨特的材料在不同的頻段上表現(xiàn)出優(yōu)異的分段電磁特性。在3.4 mm涂層中，觀察到4.78 GHz的最小反射損耗為-71.73 dB。當(dāng)涂層厚度縮減至1.56 mm，則觀察到13 GHz的最小反射損耗也超過了-60 dB，這一現(xiàn)象為設(shè)計多波段吸收提供了新的途徑。Feng A等［26］合成了一種新型的CF@NiFe2O4與植酸摻雜的聚苯胺復(fù)合涂料CF@NiFe2O4@p-PANI。首先，通過溶劑熱法得到CF@NiFe2O4復(fù)合材料，然后在CF@NiFe2O4復(fù)合材料的表面原位生長植酸摻雜的聚苯胺。分析得出當(dāng)樣品厚度為2.9 mm時，其最小反射損耗為-46 dB，而當(dāng)樣品厚度為1.5 mm時，其有效吸收帶寬為5 GHz。

結(jié)合研究成果，從最小反射損耗和有效吸收帶寬這兩大核心指標(biāo)進行分析，可以發(fā)現(xiàn)納米吸波涂料在最小反射損耗上相較于其他材料具有明顯優(yōu)勢，以C/ZnO和SiCnw/MXene為例，在相近的最佳吸波頻率，SiCnw/MXene的最小反射損耗明顯優(yōu)于C/ZnO。有效吸收帶寬方面也是納米復(fù)合涂料CNTs/SiCf覆蓋頻段更多，達到了8.8 GHz。值得一提的是，F(xiàn)eCo/CNFs材料具有非連續(xù)雙頻段吸收峰，也為吸波涂料的多頻段兼顧性研究開辟了新的思路。

4 結(jié) 語

在科技發(fā)展、裝備升級的時代背景下，吸波涂料作為降低裝備RCS、提升裝備隱身能力的有效手段，必將受到更多關(guān)注。通過對目前吸波材料存在的問題進行分析，其未來發(fā)展方向主要有以下幾個方面：

（1）提升環(huán)境耐受性；面對高溫/極寒、高濕/干燥等極端復(fù)雜環(huán)境，吸波涂料由于長期與空氣接觸，需要具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐熱性、高黏附性和韌性，其環(huán)境耐受性將直接影響裝備可靠性。

（2）加強輕量化研究；在保證涂料結(jié)構(gòu)強度的前提下，采取優(yōu)化結(jié)構(gòu)、精細化處理、多材料復(fù)合等手段進行輕量化設(shè)計，有助于提升裝備的適裝性、控制穩(wěn)定性和機動效能。

（3）拓展多頻兼容能力；隨著雷達技術(shù)的發(fā)展，多頻段綜合射頻系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，隱身裝備需要應(yīng)對更為復(fù)雜的電磁環(huán)境，吸波涂料的有效吸收帶寬將直接決定裝備的戰(zhàn)場生存能力。

（4）引入新型材料技術(shù)；納米吸收劑具有反射損耗大、有效帶寬覆蓋廣等優(yōu)勢，是未來主流發(fā)展方向，但其環(huán)境耐受性和經(jīng)濟性上還有待提升，在后續(xù)工程化應(yīng)用中，還應(yīng)加強相關(guān)研究和實驗。