熱解碳基泡沫結構應用于熱真空吸波箱技術研究

李處森，秦家勇，林立海*，許衛(wèi)剛，杜春林，張勁松

（1.中國科學院 金屬研究所，沈陽 110016； 2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

近年來，隨著我國導航系統(tǒng)和空間站的加速建設，以及探月和行星探測等深空探索工程的逐步推進，針對航天器天線及通信系統(tǒng)在空間模擬環(huán)境下的驗證考核的重要性更加突出。該驗證考核需要使用極低電磁雜波反射的熱真空吸波箱裝置，而研制適用于該裝置高真空和高低溫循環(huán)運行環(huán)境的輕質、高效結構吸波材料尤為必要。

常規(guī)結構吸波材料主要采用各種顆?；蚨汤w維類吸波劑，包括超細碳粉[1]、碳納米管[2]、石墨烯[3]、短切碳纖維、碳化硅粉、短切碳化硅纖維、羰基鐵粉、片狀鐵硅鋁粉、鋇鐵氧體粉和鍶鐵氧體粉等；通常以各種樹脂、橡膠等高分子材料作為基體，將各種吸波劑與助劑分散于基體中，固化成形為不同結構、不同電磁特性的結構吸波材料[4-8]。以高分子材料作為基體的常規(guī)結構吸波材料具有易于加工成形、力學性能好、電磁調控自由度高、吸收頻帶寬的優(yōu)勢，得以在軍民兩用領域廣泛應用[9-10]；但高分子材料作為基體不利于材料傳熱與散熱、不利于材料耐受超低溫、高溫差和高真空環(huán)境，不利于實現(xiàn)輕載化，這使得常規(guī)結構吸波材料應用于熱真空吸波箱有一定局限性。

為解決結構吸波材料在熱真空吸波箱環(huán)境中適用性問題，應避開高分子材料作為基體，而是選用無機吸波材料。目前已經使用碳化硅基吸波材料作為熱真空吸波箱用暗室材料，雖然該材料能夠滿足空間熱真空模擬環(huán)境要求[11-12]，但其電磁頻響差、損耗能力低，不得不采取很高的尖錐尺度才能滿足吸波性能要求；并且該材料比重較大（3.2 g/cm3）致使吸波箱很重，極大增加了衛(wèi)星通信考核的操作危險性，因此急需研發(fā)新的無機吸波材料加以替代。

21 世紀初，中國科學院金屬研究所科研團隊采用前驅體法、通過熱解工藝制備了以熱解碳為基體的三維連通泡沫結構吸波材料，系統(tǒng)研究了該材料電導率、孔徑大小和體積分數(shù)與電磁性能的相關性[13]，并在微波器件中得以應用。作為一種無機吸波材料，熱解碳基泡沫吸波材料比重小，介電損耗大，有望替代碳化硅基吸波材料應用于熱真空吸波箱。

本文將從熱解碳基泡沫吸波材料的制備、熱真空環(huán)境適應性考核、電磁特性分析和吸波結構仿真設計幾方面闡述該材料在熱真空吸波箱的應用技術研究工作。

1 材料的制備與試驗測試項目

1.1 材料制備

將氨酚醛樹脂、碳化硅粉、對甲苯磺酸和無水乙醇按100:20:6:100 的比例倒入混料球磨機中，以200 r/min 混料20 min 配制漿料，然后以聚氨酯泡沫為前驅體，重復浸掛漿料→離心→固化步驟，直到樣品的比重達到0.5 g/cm3的要求。

將完成前驅體掛料的樣品放入熱分解爐中，通氮氣保護氣，按1 ℃/min 升溫速度升至650 ℃，保溫1 h 后停止加熱，自然降溫至室溫后取出樣品，完成熱解碳基泡沫吸波材料制備。

熱解碳基泡沫吸波材料形貌見圖1，其為三維連通一體化開孔泡沫結構，三維連接的筋表面致密，無斷裂。該材料比重0.45 g/cm3，為輕質吸波材料，有利于實現(xiàn)吸波箱的輕載化應用。

圖1 熱解碳基泡沫吸波材料形貌Fig.1 Morphology of pyrolytic carbon-based foam absorbing material

1.2 材料性能測試項目

1）超低溫-高溫循環(huán)試驗

將熱解碳基泡沫吸波材料放入100 ℃烘箱中保溫1 h，然后取出迅速放入-196 ℃的液氮中，1 h后取出，再放入100 ℃烘箱中；循環(huán)5 次后，觀察試驗前后材料形貌變化。

2）電磁仿真試驗

采用商業(yè)仿真軟件，基于熱解碳基泡沫吸波材料不同溫度的介電常數(shù)，仿真計算材料相應溫度的吸波性能，迭代優(yōu)化設計吸波結構。

3）換熱性能測試

在中國航天科技集團公司航天器環(huán)境可靠性試驗中心，依據(jù)GJB 9001B—2009 測試標準，分別采用IR/Solar Reflectometer TESA2000 紅外發(fā)射率測量儀和Hot Disk 熱常數(shù)測試儀進行熱解碳基泡沫吸波材料的半球紅外發(fā)射率及熱導率測試。

4）真空質損測試

評價材料在熱真空環(huán)境下排氣情況的兩個重要參數(shù)分別是材料的總質量損失（TML）和收集的揮發(fā)性可凝結物（CVCM）[14-15]。在中國航天科技集團公司航天器環(huán)境可靠性試驗中心，采用恒溫恒濕試驗箱（H-SH-241）和電子天平（XP205）對熱解碳基泡沫吸波材料的總質量損失和可凝揮發(fā)物進行了測試。

5）介電常數(shù)測試

使用矢量網絡分析儀N5230A PNA-L 和附帶的材料電磁參數(shù)測量軟件，采用波導法測試熱解碳基泡沫吸波材料室溫下的寬頻介電常數(shù)。

通過控制液氮流量實現(xiàn)波導制冷控溫[16]，并通入高純氬氣避免波導腔內水蒸氣結霜或凝露，測試熱解碳基泡沫吸波材料-100 ℃低溫介電常數(shù)。通過硅油加熱循環(huán)實現(xiàn)波導制熱控溫，測試熱解碳基泡沫吸波材料100 ℃高溫介電常數(shù)。

6）吸波性能測試

熱解碳基泡沫吸波材料的吸波性能測試在北京無線電測量研究所進行，采用國軍標GJB 2038A—2011 中的RCS 法測試材料的電磁波反射率。

2 材料的熱真空環(huán)境適應性及電磁特性

2.1 熱真空環(huán)境適應性

2.1.1 溫度適用性

超低溫-高溫循環(huán)試驗前后熱解碳基泡沫吸波材料的形貌如圖2 所示，可以看出，試驗后材料沒有明顯的損傷。熱真空吸波箱的高低溫冷熱循環(huán)過程不如超低溫-高溫循環(huán)試驗那樣劇烈，因此該材料在熱真空吸波箱中使用可以保持結構完整性。

圖2 熱解碳基泡沫吸波材料高低溫循環(huán)試驗前后形貌Fig.2 Morphology of pyrolytic carbon-based foam absorbing material before and after high and low temperature cycling

為滿足高低溫循環(huán)中吸波箱體內外的精確溫控要求，吸波材料需要具備優(yōu)異的換熱性能。高真空環(huán)境下沒有對流換熱，只需要考慮材料的熱輻射和導熱能力，其重要評價指標分別是紅外發(fā)射率和熱導率。測得熱解碳基泡沫吸波材料的半球紅外發(fā)射率為0.896，導熱系數(shù)為0.453 W/(K·m)。盡管該材料導熱性能一般，但其具有高熱輻射能力，可實現(xiàn)在吸波箱內的高效換熱。

2.1.2 真空適用性

熱解碳基泡沫吸波材料在真空條件下的揮發(fā)性測試結果為總質量損失1.1%、可凝揮發(fā)物0.01%。這是因為該材料經高溫熱解工藝制備而成，殘余的可凝揮發(fā)物已極少，低可凝揮發(fā)物含量確保其在真空下的低揮發(fā)性。總質量損失相對較大是因為該材料具有一定的親水性，吸收空氣中水分所致，可采取前期真空升溫除水處理，不影響PIM 暗室箱正常使用。

綜上，熱解碳基泡沫吸波材料能夠適用于熱真空吸波箱環(huán)境。

2.2 電磁特性

2.2.1 寬頻帶電磁特性

熱解碳基泡沫吸波材料為介電損耗型吸波材料。圖3(a)為該材料寬頻介電常數(shù)變化曲線，可見：其介電常數(shù)實部（ε′）與虛部（ε′′）值均隨頻率改變；具有1.5～18 GHz 寬帶頻響電磁特性，因而具備實現(xiàn)寬頻高效吸波的能力，可適用于不同波段的吸波箱。該材料還具有高介電損耗（損耗角正切值ε′′/ε′在0.6 以上，見圖3(b)）的電磁特性，通過材料結構設計可更有利于其充分發(fā)揮高介電損耗電磁特性的優(yōu)勢。

圖3 熱解碳基泡沫吸波材料的寬頻帶介電常數(shù)Fig.3 Wide frequency band permittivity of pyrolytic carbonbased foam absorbing material

尖錐吸波結構是暗室吸波材料的經典結構設計，在電磁波進入材料過程中該吸波結構能高效兼顧阻抗匹配和強損耗，大幅提高吸波能力。熱解碳基泡沫吸波材料不僅比重小而且其寬帶頻響和高介電損耗電磁特性也顯著優(yōu)于碳化硅基吸波材料，具備研發(fā)尖錐結構寬頻帶暗室材料的優(yōu)勢[17]。

2.2.2 寬溫域電磁特性

針對高低溫循環(huán)變化的熱真空吸波箱使用環(huán)境，有必要掌握熱解碳基泡沫吸波材料在不同溫度下的介電常數(shù)，圖4(a)為該材料分別在-100 ℃、室溫和100 ℃下的介電常數(shù)隨頻率（1.8～2.5 GHz）的變化曲線。相比室溫，-100 ℃下該材料的介電常數(shù)實部與虛部均明顯下降，虛部下降幅度更大；100 ℃下該材料的介電常數(shù)實部與虛部均明顯升高，虛部升高幅度更大。如圖4(b)所示，盡管熱解碳基泡沫吸波材料的介電常數(shù)隨溫度改變而改變，但在-100～100 ℃的寬溫域范圍內仍能保持高介電損耗能力（損耗角正切值ε′′/ε′不低于0.8）。這說明該材料仍適合于具有高效吸波能力的尖錐結構設計，同時必須兼顧寬溫域吸波性能。

圖4 熱解碳基泡沫吸波材料的寬溫域介電常數(shù)Fig.4 Wide temperature range permittivity of pyrolytic carbon-based foam absorbing material

綜上，熱解碳基泡沫吸波材料具有寬頻帶、寬溫域（-100～100 ℃）高介電損耗的電磁特性，具有研發(fā)多種波段熱真空吸波箱用尖錐結構暗室材料的優(yōu)勢；而該材料的介電常數(shù)隨頻率和溫度改變而改變，在進行吸波箱內尖錐結構材料設計時需要全面考慮。

3 熱解碳基泡沫吸波材料在熱真空吸波箱中的結構設計

以無源互調（passive intermodulation, PIM）[18-19]吸波箱的研制為例。PIM 作為一種非線性電磁干擾現(xiàn)象，是衛(wèi)星通信設計時面臨的共性問題。為了從整星角度系統(tǒng)解決無源互調問題[20]，迫切需要研制PIM 吸波箱，要求其中的結構吸波材料能在高低溫循環(huán)、高真空的熱真空環(huán)境下高效吸收衛(wèi)星天線發(fā)射出的雙載波電磁信號，進而大幅弱化雙載波電磁信號之間的耦合作用，實現(xiàn)低PIM 的等效空間電磁暗室環(huán)境，以保證準確評價衛(wèi)星整體載荷設計產生的PIM 問題[21]。

通過兩天線收發(fā)信號進行吸波箱低PIM 性能考核，其中：天線1 發(fā)射在中心頻率約2.1 GHz 時無PIM 信號的2×70 W（48.45 dBm）雙載波；天線2接收PIM 信號。PIM 信號功率小于-150 dBm 即可滿足吸波箱的低PIM 使用要求。依據(jù)發(fā)射天線輸出電磁波的功率、接收天線所關注的高階數(shù)PIM信號的階數(shù)就可以計算出所產生PIM 信號的功率值[22-23]，進而得出箱內結構吸波材料對天線1 發(fā)射電磁波的損耗吸收，只要保證從天線1 到天線2 的電磁信號反射率＜-25 dB，就能滿足耦合疊加產生的高階數(shù)PIM 信號＜-150 dBm 的性能要求。

目前，國軍標GJB 2038A—2011 是國內第三方測試考核結構材料吸波性能的唯一標準，在該標準中以遠場平面波照射材料的反射率來表征吸波性能。然而，一方面吸波箱中天線發(fā)射的電磁波不能大面積展開，不能以遠場平面波方式而是以近場球面波方式照射吸波材料，平面波與球面波分別照射同一目標時的反射信號大小和頻響特性是有差異的；另一方面吸波箱的結構吸波材料涉及寬溫域吸波問題，不僅僅局限于室溫吸波：因此，僅通過國軍標中室溫遠場平面波照射材料的反射率來表征材料在吸波箱內的寬溫域吸波性能是不全面的。

為此，開展熱解碳基泡沫吸波材料在熱真空吸波箱中吸波結構設計工作應兼顧兩個方面：1）針對電磁波室溫遠場平面波照射目標的國軍標測試方法，建立平面波照射材料仿真模型，基于材料室溫介電常數(shù)開展電磁仿真計算；2）建立吸波箱仿真模型，基于材料的寬溫域介電常數(shù)開展電磁仿真計算。綜合考慮這兩方面仿真結果，確定既保證吸波箱內的近場吸波性能達到使用要求，又滿足第三方遠場實測（依國軍標測試）性能考核要求的熱解碳泡沫吸波結構。

3.1 遠場吸波結構仿真

基于有限元法采用商業(yè)軟件建立遠場仿真模型（如圖5 所示）。

圖5 熱解碳基泡沫吸波結構的遠場仿真Fig.5 Far-field simulation of pyrolytic carbon-based foam absorbing structure

模型側面建立周期邊界條件，頂部設定平面波激勵，材料屬性中引入熱解碳基泡沫吸波材料的室溫介電常數(shù)，仿真頻段為1.8～2.5 GHz。從實現(xiàn)高效吸波和避免產生新的PIM 問題兩方面考慮，采用泡沫尖錐+底板的一體化吸波結構：前置泡沫吸波材料尖錐結構有利于把電磁波高效引進來并消耗掉；后置泡沫底板一方面要與泡沫尖錐形成很好阻抗匹配，有利于低頻電磁波的吸收損耗，另一方面要有效阻止電磁波與吸波箱金屬框架接觸，避免產生新的PIM 問題。模型中設置熱解碳基泡沫吸波材料底板厚度變量，尖錐高度變量和上底、下底邊長變量，以反射率值＜-25 dB 為目標，盡量減小尖錐+底板結構總高度，不斷調整這些變量數(shù)值，開展遠場模型迭代仿真計算。

3.2 近場吸波結構仿真

采用商業(yè)仿真軟件建立與實物尺寸一致的吸波箱仿真模型如圖6(a)所示：由內腔底部尺寸700 mm×700 mm、高1100 mm 鋁板圍成吸波箱箱體，內腔壁上裝配尖錐+底板一體化結構的熱解碳基泡沫吸波材料；在吸波箱外側建立輻射邊界條件；在箱口放置2 個結構尺寸一樣的螺旋天線，天線模型中設置了收發(fā)電磁波信號的集中端口激勵和理想導體地平面邊界條件，螺旋天線1 為發(fā)射天線，螺旋天線2 為接收天線，兩螺旋天線底部與箱口齊平，中心相距250 mm，對稱于箱口中心放置；兩天線適用于1.8～2.5 GHz 頻段，中心發(fā)射頻率為2.1 GHz（S11 參數(shù)曲線見圖6(b)）。

圖6 吸波箱近場仿真模型Fig.6 Near-field simulation model of the absorbing box

材料屬性中引入熱解碳基泡沫吸波材料-100 ℃、室溫和100 ℃下的介電常數(shù)，開展吸波箱內1.8～2.5 GHz 頻段電磁波近場仿真計算。同樣采用泡沫尖錐+底板的一體化吸波結構，模型中設置熱解碳基泡沫吸波材料底板厚度變量，尖錐高度變量和上底、下底邊長變量，以從螺旋天線1 到螺旋天線2 的反射率值＜-25 dB 為目標，盡量減小尖錐+底板結構總高度，不斷調整這些變量數(shù)值，開展近場模型迭代仿真計算。

3.3 仿真結果與驗證

綜合考慮遠場吸波結構和近場吸波結構仿真結果，最終明確了滿足高效吸波性能要求的熱解碳基泡沫吸波材料尖錐+底板一體化結構具體尺寸：泡沫底板14 mm 厚，泡沫尖錐70 mm 高，錐頂尺寸5 mm×5 mm，錐底尺寸50 mm×50 mm。該泡沫吸波材料尖錐+底板結構總高度84 mm，面密度＜20 kg/m2。遠場仿真得到該吸波結構1.8～2.5 GHz頻段的反射率值＜-25 dB（見圖7(a)）；近場仿真得到該吸波結構在-100 ℃、室溫和100 ℃三個溫度點從天線1 到天線2 的反射率（S21）曲線相近，曲線大部分在-55～-38 dB 之間（見圖7(b)），這能夠保證-100～100 ℃寬溫區(qū)內耦合疊加產生的高階數(shù)PIM 信號＜-150 dBm 的性能要求。

圖7 吸波性能仿真結果Fig.7 Simulation results of absorbing performance

依據(jù)仿真結果加工制備了尺寸500 mm×500 mm的尖錐+底板一體化結構熱解碳基泡沫吸波材料板（見圖8(a)），其面密度＜20 kg/m2。在第三方依照GJB 2038A—2011 中RCS 遠場法[24]實測了其吸波性能，如圖8(b)所示，實測結果滿足1.8～2.5 GHz頻段反射率值＜-25 dB 吸波性能考核要求，并且實測與仿真的吸波性能曲線整體接近；略有不同之處在于2 GHz 以下實測吸波性能略差于仿真結果，而2 GHz 以上實測吸波性能略優(yōu)于仿真結果。究其原因可能是：在圖5 的仿真模型中碳泡沫被等效為相同介電常數(shù)的均質材料，而實測中碳泡沫試樣需要通過機加工完成制備，機加工過程中碳泡沫錐尖“材料欠缺”不可避免，材料欠缺的泡沫尖錐實際大小尺寸小于仿真模型中的均質材料，這有利于改善阻抗匹配，使得2 GHz 以上高頻區(qū)實測吸波性能略優(yōu)于仿真結果，同時材料欠缺也會導致諧振峰向高頻頻漂；而材料欠缺雖然可改善阻抗匹配，但也會降低電磁損耗吸收能力，而后者對低頻電磁波影響更大，使得2 GHz 以下低頻區(qū)實測吸波性能略差于仿真結果。

圖8 依照國軍標考核要求尖錐+底板結構熱解碳基泡沫吸波性能的實測結果Fig.8 Measured results of absorbing performance of pyrolytic carbon-based foam with sharp cone + bottom plate structure according to the assessment requirements of the national military standard of China

4 結論及建議

本文針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)考核用熱真空吸波箱對結構吸波材料的需求，制備了熱解碳基輕質泡沫吸波材料，開展了其熱真空環(huán)境適應性和寬頻帶、寬溫域電磁性能研究，以及電磁仿真結構設計和實測驗證工作，得出如下結論：

1）熱解碳基輕質泡沫吸波材料能夠適應高真空和高低溫循環(huán)的熱真空環(huán)境，具有寬頻帶、寬溫域高介電損耗的電磁特性，適合尖錐型高效吸波結構設計，適用于熱真空吸波箱的暗室材料。

2）熱解碳基泡沫吸波材料在熱真空吸波箱中的結構設計既要滿足依照國軍標進行的基于電磁波遠場平面波照射方式的實測性能考核要求，也要根據(jù)實際使用情況保證該材料吸波結構在吸波箱內的近場吸波性能滿足使用要求。

3）在保障吸波性能的前提下，熱解碳基泡沫吸波材料的結構設計需要兼顧可應用性，包括利于導熱、方便裝配、易于維修、輕載化和低成本等。

后續(xù)將進一步優(yōu)化和細化吸波箱內近場吸波仿真過程，并開展熱真空吸波箱PIM 性能實測驗證。