中國新型涂料網(wǎng)訊：
隨著世界各國軍事技術(shù)的不斷發(fā)展，雷達(dá)、紅外、激光等現(xiàn)代探測和制導(dǎo)技術(shù)大量應(yīng)用于武器系統(tǒng)中，使陸軍武器系統(tǒng)的生存受到極大的威脅。吸波隱身技術(shù)作為提高武器系統(tǒng)生存、突防以及縱深打擊能力的有效手段，各國給予了高度重視。其中雷達(dá)隱身占60%以上，因而隱身的重點(diǎn)在于雷達(dá)隱身。近年來，世界各軍事強(qiáng)國竟相研究雷達(dá)吸波隱身材料和隱身技術(shù)，傳統(tǒng)的吸波材料，如鐵氧體、金屬超細(xì)粉末等由于在密度、吸收頻段等方面的原因，已很難滿足隱身材料“薄、輕、寬、強(qiáng)”的要求，因此，新型雷達(dá)吸波材料的開發(fā)成為主要的研究方向。
吸波材料一般由基體材料(或粘結(jié)劑)與吸收介質(zhì)(吸收劑)復(fù)合而成�，F(xiàn)有的雷達(dá)吸波涂料，由于存在耐候性差、附著力低、環(huán)境適應(yīng)性不好等問題，這需要開發(fā)新型的涂料，以滿足陸軍裝備表面的需求。
目前，國內(nèi)外在進(jìn)一步提高與改進(jìn)傳統(tǒng)吸波材料性能的同時(shí)，一方面正致力于多種新材料的探索，例如碳納米管材料、空心微珠材料、導(dǎo)電聚合物、納米材料等逐步應(yīng)用到雷達(dá)隱身材料中，另一方面正致力于解決吸波涂料在工程化應(yīng)用中的優(yōu)化配方體系和施工技術(shù)等問題，力求使吸波涂層牢固地粘附于被涂物表面并連續(xù)成膜，耐候性好，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
空心微珠是一種很有潛力的吸波用材料，由于其本征特性包括外形、組分、結(jié)構(gòu)以及壁厚等都能夠直接影響本身介電常數(shù)與磁導(dǎo)率的波動(dòng)，進(jìn)而控制吸波性能的好壞，因此，在電磁波等特殊領(lǐng)域，空心微珠也得到了廣泛研究與應(yīng)用。
1·吸波涂料研究概況
1.1國外研究情況
吸波涂料研究始于第二次世界大戰(zhàn)期間，起源在德國，發(fā)展在美國并擴(kuò)展到英、法、俄羅斯及日本等發(fā)達(dá)國家。所研制的吸波涂料已成功應(yīng)用于飛機(jī)、艦艇以及地面裝甲車輛等軍事裝備。陸軍裝備如俄羅斯的T-80主戰(zhàn)坦克、美國的M113裝甲輸送車等以及其它隱身武器，如英國和美國研制的隱身汽車、隱身導(dǎo)彈發(fā)射車等。目前國外有關(guān)雷達(dá)吸波涂料方面的研究主要是圍繞鐵氧體吸波涂料、羰基鐵吸波涂料、金屬超細(xì)粉末或金屬氧化物磁性超細(xì)粉末吸波涂料、陶瓷吸波涂料、納米吸波涂料、放射性同位素吸波涂料、導(dǎo)電高分子吸波涂料、視黃基席夫堿鹽類吸波涂料、手征性吸波涂料、摻雜高損物吸波涂料、稀土元素吸波涂料等方面開展研究。
在研制鐵氧體方面日本處于世界領(lǐng)先地位，研制出一種由阻抗變換層和低阻抗諧振層組成的雙層結(jié)構(gòu)高效寬頻吸波涂料，可吸收1~2GHz的雷達(dá)波，反射率為-20dB，是目前最好的吸波吸收劑。Singh等研究了在8~12.4GHz頻率內(nèi)CoTi摻雜M型鈣鐵氧體La(CoTi)xFe12-2xO19復(fù)合氧化鑭和NiTi摻雜M型鈣鐵氧體La(NiTi)xFe12-2xO19復(fù)合氧化鑭吸波材料的電磁及吸波性能，隨量的增大，介電損耗不斷增大，磁損耗基本不變，共振頻率移向低頻，匹配厚度不斷增大。
Shen等通過溶膠-凝膠法合成了W型BaCo2Fe16O27鐵氧體和BaO·7LaO·3Co2Fe16O27鐵氧體，在12.4~18GHz用傳輸線理論計(jì)算反射率，結(jié)果顯示：摻雜La鐵氧體的反射損耗要比未摻雜的鐵氧體大，通過設(shè)計(jì)摻雜鐵氧體和短切碳纖維的雙層結(jié)構(gòu)，得到在12.4~18GHz內(nèi)反射損耗小于-10dB的有效帶寬達(dá)5.2GHz的寬頻吸收效果。鐵氧體吸波材料不足之處是相對(duì)密度大，使部件增重，以至影響部件的整體性能，高頻效應(yīng)也不太理想。
羰基鐵吸收劑是一種典型的磁損耗型吸波材料，磁損耗角可達(dá)400左右，但是由于羰基鐵吸收劑存在著比重大，在涂料中體積占空比一般都大于40%，因此導(dǎo)致這種吸波涂料仍存在面密度大的缺點(diǎn)。近期歐洲GAMMA公司研制了一種新型吸波涂料，這種吸波涂料采用以羰基鐵單絲為主的多晶鐵纖維作為吸收劑，可在很寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)高吸收率，由于這種吸收劑體積占空比為25%，因此重量可減輕40%~60%。
目前，該吸波涂料已應(yīng)用于法國國家戰(zhàn)略防御部隊(duì)的導(dǎo)彈和飛行器。
用于高速飛行器組件上的雷達(dá)吸波材料要承受長時(shí)間高溫工作的特點(diǎn)，而陶瓷材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能和熱物理性能，特別是耐高溫、強(qiáng)度高、蠕變低、膨脹系數(shù)小、耐腐蝕性強(qiáng)和化學(xué)穩(wěn)定性好，同時(shí)又具有吸波功能，能滿足隱身的要求，因此已被廣泛用作吸收劑。陶瓷吸波材料主要代表有碳化硅吸波材料、碳化硅復(fù)合吸波材料。法國Alcole公司采用陶瓷復(fù)合纖維制造出了無人駕駛隱身飛機(jī)，這種陶瓷復(fù)合纖維由玻璃纖維、碳纖維和芳酰胺纖維組成，加入TiO2后可耐1200℃高溫。Sung-SooKima等用化學(xué)鍍工藝在空心陶瓷基體上沉積Co、Co-Fe薄膜，制備的吸波劑具有低的密度和強(qiáng)的吸波能力，通過調(diào)整薄膜中Co的含量可以改變吸波劑的吸收峰和頻譜效應(yīng)，當(dāng)涂層的厚度為1.5mm時(shí)，其吸收能力可達(dá)-20dB，厚度為2.5mm時(shí)，吸收能力可達(dá)-25dB。
由于納米材料在具有良好吸波特性的同時(shí)還具有頻帶寬、兼容性好、面密度低、涂層薄的特點(diǎn)，美、俄、法、德、日等國都把納米材料作為新一代隱身材料加以研究和探索。目前，美國研制的被稱作“超黑粉”納米吸波材料，所吸收的雷達(dá)波可達(dá)99%。法國研制出一種寬頻微波吸收涂層，這種吸收涂層由膠粘劑及納米級(jí)微粒填充材料組成。這種由多層薄膜疊合而成的結(jié)構(gòu)具有很好的磁導(dǎo)率，50MHz至50GHz內(nèi)具有良好的吸波性能。
導(dǎo)電高分子吸波涂料是利用某些高聚物所具有共軛π電子的線形或平面形構(gòu)型與高分子電荷轉(zhuǎn)移給絡(luò)合物的作用，設(shè)計(jì)高聚物的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和電磁損耗。美國信號(hào)產(chǎn)品公司(Signature Products Company)開發(fā)了一種可用來適應(yīng)5~200GHz雷達(dá)的吸波涂料，它以具有噴涂功能的高分子聚合物為基體，用具有極好的吸收雷達(dá)波特性的氰酸酯晶須和導(dǎo)電高聚物聚苯胺的復(fù)合物作吸收劑。但由于用于這類吸波涂料的導(dǎo)電高聚物的合成研究剛剛開始，是新開展的高分子材料研究領(lǐng)域，有待于進(jìn)行深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究。
視黃基席夫堿鹽是一種含有碳-氮雙鍵結(jié)構(gòu)的有機(jī)高分子聚合物，具有很強(qiáng)的極性，雷達(dá)波被這種材料吸收時(shí)，能量可迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌�。美國Carnegie-Mel-lon大學(xué)用視黃基席夫堿鹽制成的吸波涂層可使目標(biāo)的RCS減縮80%，而比重只有鐵氧體的10%。
手征性吸波涂料是一種新型的吸波涂料，眾多的研究結(jié)果表明，手征材料能夠減少入射電磁波的反射并能吸收電磁波。1990年，國外首次公開報(bào)道了手征材料的吸波效果，結(jié)果表明手征吸波材料具有吸波頻率高和吸收占帶寬的特點(diǎn)。但手征性吸波涂料的研究還處于起步階段，還有許多問題有待解決。
1.2國內(nèi)研究情況
國內(nèi)開展吸波涂料的研究工作從“七五”開始，經(jīng)過十多年發(fā)展，形成了以高校和地方研究院所的基礎(chǔ)研究與國防研究所的應(yīng)用研究相結(jié)合的科技格局，且已進(jìn)入了從原理基礎(chǔ)材料的預(yù)研向裝備應(yīng)用過渡的新階段。
隨著我國“863”計(jì)劃的實(shí)施，也開始大力發(fā)展吸波材料的研究。例如，國防科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、航空航天材料研究院等高校和科研單位目前正在進(jìn)行吸波材料，尤其是結(jié)構(gòu)型吸波材料的研究，以航空材料研究所為代表，研究碳纖維或碳化硅纖維增強(qiáng)塑料作為飛行器結(jié)構(gòu)件，兼具吸波特性。西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已研制成功了一種主要由固溶N的SiC微晶組成的新型耐高溫吸收劑。
目前國內(nèi)有關(guān)雷達(dá)吸波涂料的研究主要是圍繞鐵氧體系列吸波涂料、羰基金屬微粉吸波涂料、納米吸波涂料、導(dǎo)電高聚物吸波涂料、多晶鐵纖維吸波涂料等，但是由于這些雷達(dá)吸波涂料存在抗氧化、耐酸堿能力差、低頻段吸收性能較差、密度較大、吸收劑體積大等缺點(diǎn)，因而沒有大規(guī)模的應(yīng)用于我軍的裝備。
在陶瓷吸波材料中，碳化硅是制作多波段吸波材料的主要組分，有實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)、薄層、寬頻帶和多頻段吸收的可能，應(yīng)用前景廣闊。王軍等運(yùn)用超聲將平均粒徑30nm的超細(xì)金屬鈷粉均勻分散到聚碳硅烷中，通過熔融紡絲、燒結(jié)等處理，制備出具有良好力學(xué)性能、電阻率連續(xù)可調(diào)的摻混型磁性碳化硅陶瓷纖維。將這種纖維正交鋪排，與環(huán)氧樹脂復(fù)合制備的3層結(jié)構(gòu)吸波材料具有良好的微波吸收特性，在8.0~12.4GHz范圍內(nèi)其反射衰減達(dá)-12dB以上，最大可達(dá)-16.3dB，其中小于-15dB的帶寬約1.2GHz;孫晶晶等研究了Al的摻雜量對(duì)nmSiC粉末介電性能的影響，在8.2~12.4GHz范圍內(nèi)，β-SiC(未摻雜Al)的相對(duì)介電常數(shù)和介電損耗正切值高于摻鋁樣品，且這兩個(gè)參數(shù)隨鋁含量的增加而降低。
2·基于陶瓷空心微珠的吸波涂料
筆者的課題組在充分分析各種吸收劑優(yōu)缺點(diǎn)的同時(shí)，結(jié)合自身技術(shù)優(yōu)勢，研發(fā)了一種以自蔓延高溫合成技術(shù)為基礎(chǔ)，采用自反應(yīng)淬熄法和噴射法制備出具有優(yōu)良電磁特性的空心陶瓷微珠，該方法具有制備低成本、產(chǎn)量高、工藝簡單、易控制等特點(diǎn)。
陶瓷空心微珠表現(xiàn)出具有優(yōu)良吸波特性的潛質(zhì)：對(duì)于Al-TiO2體系，其最低反射率可達(dá)-26dB，對(duì)應(yīng)的頻率為14.4GHz，小于-10dB的吸收帶寬為4GHz，頻段為12.5-16.5GHz;對(duì)于Al-Cr2O3體系，在18GHz頻段以上，小于-10dB的反射率呈不斷增大趨勢;對(duì)于Al-CuO體系，其最低反射率可達(dá)-28dB，對(duì)應(yīng)的頻率為11.1GHz，小于-10dB的吸收帶寬為2GHz，頻段為10.4~12.4GHz。
基于筆者課題組前期研究的空心陶瓷微珠吸波材料為吸收劑，選擇常溫固化的有機(jī)高分子材料為粘結(jié)劑，然后加入其他的添加劑對(duì)其改性，使其能夠和空心陶瓷微珠吸波材料相容性較好，并且在陸軍裝備例如火炮、坦克、裝甲等表面，形成涂層后不影響其吸波性能;從而制備出附著力強(qiáng)，柔韌性、耐沖擊性、耐溫度變化、耐介質(zhì)性能等物理性能和機(jī)械性能良好的吸波涂料。
3·結(jié)束語
目前研制的雷達(dá)吸波涂料大多只能在某一頻帶范圍內(nèi)起作用，并且還存在面密度高、柔韌性差、耐候性差、附著力不穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性不好等問題，限制了吸波涂料的推廣應(yīng)用。因此，研究高性能、寬頻帶的雷達(dá)吸波涂料以展寬有效頻帶、實(shí)現(xiàn)多頻譜隱身效果，這是吸波涂料未來發(fā)展的一個(gè)主要方向。同時(shí)，研究各種新的吸收劑，探討新的吸波機(jī)理，以滿足吸波涂層所追求的“薄、輕、寬、強(qiáng)”的目標(biāo)。此外，提高吸波涂層的維修性與耐腐蝕性，增加可維護(hù)性和使用壽命也是未來吸波涂層發(fā)展中需要解決的問題。雷達(dá)吸波涂層存在這些缺點(diǎn)都迫切需要開發(fā)新型吸波材料和相應(yīng)的陸軍武器裝備表面涂層應(yīng)用技術(shù)，以滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭條件對(duì)吸波材料技術(shù)的苛刻要求。從筆者的課題組研究的空心陶瓷微珠材料和涂料相結(jié)合，制作成以空心陶瓷微珠為基礎(chǔ)的吸波涂料將具有很大的軍事意義，具有廣泛的應(yīng)用前景。
