吸波材料研究现状和发展趋势
摘 要:主要介绍了传统型和新型吸波材料吸波原理、材料种类及其特点以及应用现状,指出了吸波材料的发展趋势。
关键词:隐身吸波材料新型吸波剂
中图分类号:TB3文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)06(b)-0064-01
随着雷达探测技术的迅猛发展,世界各国的军事防御体系及飞行器被敌方探测、跟踪和攻击的可能性越来越大,军事目标的生存能力受到了严重的威胁。为此,发展隐身技术就成了军事技术发展的重要方向。而作为隐身技术的最重要组成部分—吸波材料的研究成为各军事强国角逐军事高科技的热点之一。吸波材料按不同研究时期划分,可分为传统和新型吸波材料。
1 传统吸波材料
1.1 导电碳黑,石墨,碳纤维
石墨很早就被用来填充在飞机蒙皮的夹层中,吸收雷达波,美国用纳米石墨做吸波剂制成石墨-热塑性复合材料和石墨环氧树脂复合材料称为“超黑粉”纳米吸波材料[2],对雷达波吸收率大于99%,低温下保持很好韧性。有研究表明,在透波材料中掺入炭黑,可使材料的介电常数增大,且可以减小电磁波吸收厚度,从而减轻电磁波吸收体的质量。
碳纤维是结构隐身材料最常用的一种增强纤维,并经过实战考验。现有的很多国外隐身飞机都部分地采用了碳纤维吸波材料,有的碳纤维或其复合材料在机身中用量达30%～50%。隐身用的特种纤维截面不是圆的,而是三角形,四方形或多边形。碳纤维的缺点是抗氧性差,在空气中难以承受较高的使用温度。
1.2 铁氧体
磁性材料中的铁氧体既是透波材料又是吸波材料,具有透波和吸收双重功能,这种磁性吸波涂层频段相对比较宽,是对厚度要求严格的隐身材料中不可缺少的材料。
单一铁氧体吸收剂工作频带窄,一般最大只有2～3GHz,为了拓宽频宽一般加入其他磁性材料。如用于厘米波段的锂-镉铁氧体,用于毫米波段的镍-锌铁氧体和用于加宽频段的锂-锌铁氧体[1]。还有在钡铁氧体中加入Co,形成c面各向异性的Ba3Co2Fe24O41,被广泛研究,在微波范围也体现较好的性能。Ti、Ni、Mg等均有报道[3～4]。
铁氧体作为吸波剂应用时,主要存在比重大的问题。近年来,一些国家正研制新组成的铁氧体粉末,具有频带宽、质量轻、厚度薄及吸附力能力强等特点。一是把铁氧体制成超细粉末,大大降低其密度,改变其磁电光等物理性能,提高铁氧体的吸波性能;二是制造含有大量游离电子的铁氧体或在铁其内加入少量放射性物质,在雷达波的作用下,游离电子作急剧循环运动,消耗电磁能,使其吸波性能提高。三是研究新型“铁球”吸波涂层,在空心玻璃微球表面涂上铁氧体粉,或制成空心微球。除此以外,将立方晶体、六方晶体和反铁氧体通过改变化学成分、粒径、分布、表面处理技术等也取得了较大进展。日本研制出一种由阻抗变换层和低阻抗谐振层组成的双层结构宽频高效吸波涂料,可吸收1～2GHz的雷达波,吸收率约为20dB。目前国内铁氧体吸波材料的水平在8～18GHz范围内,全频段吸收率为10dB,面密度5kg/m2,厚度约为2mm。
2 新型的吸波剂
2.1 等离子体隐身
等离子体研究始于20世纪中叶,等离子体吸收主要是20GHz以内的厘米波,对米波和毫米波基本上没有吸收。目前已由早期的自由态等离子体隐身技术逐渐发展到目前的内封闭等离子体隐身技术[5]。自由态等离子体是通过在目标上涂敷放射性物质或安装等离子体发生器在武器表面形成等离子体气团,从而达到吸收、折射敌方雷达波的目的。内封闭等离子体隐身技术是将目标的重点部分的单层结构改成双层结构,最外层采用玻璃钢等高强度的透波材料,将等离子体或惰性气体充于双层蒙皮之间,主要是实现目标的重点强反射部位隐身。
2.2 纳米隐身
由于纳米材料具有一系列特殊的结构,使其在光电磁等物理性质方面发生质的变化,具有的特殊效应,不仅磁损耗增大,而且兼具吸波、透波偏振等多种功能。
金属钠米粉对高频至光波频率范围内的电磁波具有优良的衰减性能,但吸收机制还不太明确。采用多相复合的方式制成纳米金属与合金吸收剂,其吸收性能优于单向纳米金属粉体,影响吸收的主要因素是复合体中的各组元的比例、粒径。陈利民等研究了平均粒径大小为10nm的γ-(Fe,Ni)合金的微观结构和微波吸收特性[6],该材料在厘米波段和毫米波段均具有优异的微波吸收性能,最高吸收率可达99.95%。同时,金属AL、Co、Ti、Cr、Nd、Mo等的超细粉作为微波吸收剂的也有报道。
2.3 导电高聚物
导电高聚物是指某些共轭的高聚物经过化学或电化学掺杂,使其电导率由绝缘体转变为导体的一类高聚物的统称,主要是聚吡咯、聚苯胺、聚已炔和噻吩。其不仅具有高聚物的高分子设计和合成、结构多样化、密度小和易复合加工的特点,还具有半导体和金属的特性。
目前改善导电高聚物的磁损耗的方法有:使导电高聚物纳米化、形貌管状化、制备导电高聚物以及使高聚物智能化等方法。Faez.R等[7]研制了掺杂的EPDM/PANI,在8～12GHz范围的微波衰减达到15dB。
3 结语
(1)对现有的炭黑,铁氧体等传统的吸波剂,继续优化吸收剂的粒度(纳米化),形貌和组成,通过表面或空心处理等多种手段使其性能进一步提高。
(2)为了拓宽吸收频宽,保持吸波基体的连续性和传输通道的网络化;将吸波基体中的吸波剂孤岛化,区域化,使得电磁波能够充分进入吸波体中得到衰减。
(3)加强多频谱吸收剂研制即多功能隐身材料的开发,将不同性能的吸收剂通过复合,充分发挥各自优点,拓宽对电磁波的吸收频段。
参考文献
[1]刘顺华,刘军民等电磁波屏蔽及吸波材料[M]北京化工工业出版社,2006.9.
[2]张卫东,吴伶芝,冯晓云,等.纳米雷达隐身材料研究进展[J].宇航材料工艺,2001,(3)1-3.
[3]陈世钗,贾利军,罗俊等,NiCuZn铁氧体的组成对PZT/NiCuZn材料性能的影响[J].2009.vol.28 No.10:7-11电子元件与材料.
[4]ZhangYi, Wang Kai. Ren Zhiyuan,Structure and m agnetic properties of Zn ferrite nanoparticles ,Journal of Southeast, University (Eglish Edition) [J].Vol 25No.3,408- 412 Sept 2009.
[5]韦萍兰,何立萍。等离子体隐身技术的发展现状.导弹与航天运载技术[J].No.5 2009:22-25.
[6]陈利民,斤家钟,朱雪琴.纳米Y-(Fe,Ni)合金颗粒的微观结构及其微波吸收特性[J].兵器材料科学与工程,1999,22(4):3-6.
[7] Faez R.Martin I M. et al. Synthetic Metals,2001.119(1-3):435.