高溫吸波材料研究應(yīng)用現(xiàn)狀

1、高溫吸波材料研究應(yīng)用現(xiàn)狀（轉(zhuǎn)帖）咼溫，轉(zhuǎn)帖，應(yīng)用，研究隱身技術(shù)是通過控制和降低武器系統(tǒng)的特征信號(hào)，使英難以被探測(cè)、識(shí)別、跟蹤和攻擊的技 術(shù)?，F(xiàn)代及未來戰(zhàn)爭(zhēng)中，宙達(dá)是探測(cè)目標(biāo)最可靠的手段，隱身技術(shù)的研究以雷達(dá)隱身為重點(diǎn)1。武器系統(tǒng)的隱身能力可以通過外形設(shè)計(jì)和使用隱身材料來實(shí)現(xiàn)，但對(duì)外形的過多要求 會(huì)引起空氣動(dòng)力性能的f降，并導(dǎo)致裝容空間的減小和具他損失，所以開展吸波材料的研究 成為隱身技術(shù)的關(guān)鍵。按照吸波材料的結(jié)構(gòu)形式，可將它分為涂料型吸波材料、貼片空吸波材料、吸波膩?zhàn)?、吸?復(fù)合材料等2。對(duì)于吸波/承載一體化吸波材料即結(jié)構(gòu)吸波材料，兼顧了承載和吸波雙重功 能，不額外增加重雖:，且材料本身在力學(xué)

2、性能和吸波性能上具有較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，從而具有 較強(qiáng)的實(shí)川價(jià)值。按照吸波機(jī)理町以將吸波材料分為磁損耗型吸波材料、介電損耗型吸波材 料和“雙復(fù)”型吸波材料3類 在0機(jī)的尾噴管等高溫部位，其工作溫度往往在700°c以上, 大部分磁性吸收劑山于居里溫度較低而失去吸波性能，致使高溫吸波材料僅依靠電損耗機(jī)制 來吸收雷達(dá)波。國(guó)外對(duì)耐高溫吸波材料雖然已進(jìn)行了較多的研究，但由于涉及軍事應(yīng)用，沒 有詳細(xì)報(bào)道。從文獻(xiàn)分析可以發(fā)現(xiàn)，陶瓷基復(fù)合材料是國(guó)外研制高溫吸波材料的主要方向。 本文簡(jiǎn)述了國(guó)外高溫結(jié)構(gòu)吸波材料基休和吸收劑的研究應(yīng)川進(jìn)展，并展望了高溫吸波材料的 發(fā)展方向。高溫吸波材料基體為滿足低反射、高吸收

3、以及寬頻帶吸收的要求，吸波材料往往被設(shè)計(jì)成雙層或多層結(jié)構(gòu)，即 吸波材料由阻抗變換層和吸收層組成，并通過優(yōu)化設(shè)計(jì)使其具有較好的吸波性能。優(yōu)化設(shè)計(jì) 結(jié)果表明，阻抗變換層具有較低的介電常數(shù)時(shí)，有利于雷達(dá)波進(jìn)入吸波材料內(nèi)部，從而表現(xiàn) 出較好的吸波性能。另外，吸收層中吸收劑的介電常數(shù)往往較大，為了使吸收層介電常數(shù)不 致太人，基體的介電常數(shù)不能太人。作為高溫結(jié)構(gòu)吸波材料的基體，還應(yīng)具有較強(qiáng)的承載能 力和易燒結(jié)制備性。由于材料在高溫和常溫下工作，基體述應(yīng)具有較低的熱膨脹系數(shù)及較強(qiáng) 的耐熱沖擊性，此外，述應(yīng)考慮到基體為吸收劑的匹配問題。當(dāng)前研究較多的高溫吸波材料基體町分為兩類：（1）陶瓷基體，如si3n4、a

4、1203、a1n、莫 來石、堇青石等；（2）耐高溫玻璃基體，如las玻璃、磷酸鹽玻璃、mas玻璃等。其性能如 表1所示310 o高溫吸波材料用吸收劑高溫吸波材料主要靠吸收劑對(duì)電磁波進(jìn)行吸收。性能優(yōu)良的吸收劑要求高效吸收、寬帶吸收 且密度較小。對(duì)于耐高溫吸收劑來說，控制具介電常'數(shù)和損耗是關(guān)鍵。日前，國(guó)內(nèi)外研究和 應(yīng)用較多的耐高溫吸收劑主要冇以下兒類。1碳化硅碳化硅是當(dāng)前國(guó)外研究最為廣泛的耐高溫吸收劑，其突出優(yōu)點(diǎn)是具有優(yōu)良的力學(xué)性能、高強(qiáng) 度和良好的電性能。另外，碳化硅具有極其優(yōu)界的耐高溫性能，這是普通吸收劑所不具備的。作為高溫吸收劑的碳化硅應(yīng)該是b-sic,其性能優(yōu)于a-sico碳化硅

5、作為高溫吸波材料用吸收劑主要有粉體和纖維兩種形式。由于碳化硅纖維具有和碳纖 維接近的強(qiáng)度和模量，故將其作為吸收劑的同時(shí)還起到了強(qiáng)化力學(xué)性能的作用。碳化硅纖維 的制備一般采用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法，該法制備的纖維具有良好的力學(xué)性能和高溫抗氧化性能，是 金屬基、陶瓷基和樹脂基復(fù)合材料常用的高性能增強(qiáng)纖維11。一般制備的闘形截面碳化硅 的電阻率約為106q - cm,在x波段的e rz為35, £工”基本為012,對(duì)電磁波的吸收 效率并不高，須對(duì)其進(jìn)行改性以提高其吸收效率。據(jù)報(bào)道，當(dāng)sic纖維的電阻率調(diào)整為100 103 qcm時(shí)，對(duì)x波段的雷達(dá)波具有最佳吸收效果13-14。常見的碳化硅纖維改性方法

6、 有：(1) 高溫處理法：nicalon sic纖維在經(jīng)過髙溫處理后，會(huì)析出大量游離碳粒子，使纖維的電阻率降低、介電損耗增加，從而具冇一定的吸波性能。但在高溫處理過程中，纖維內(nèi)部的0會(huì)與c、si等元素反應(yīng)，生成c02、si02等物質(zhì)，使纖維質(zhì)量下降，力學(xué)性能大幅降低。(2) 表面處理法：通過在碳化硅纖維表面沉積或涂敷其他物質(zhì)以改善纖維電磁性能。常川的沉積物質(zhì)冇碳15 16、磁性金屬17-18 頓鐵氧體等。但對(duì)于磁性沉積物，在高溫下會(huì)失去磁性而導(dǎo)致碳化硅纖維吸波性能下降。(3) 摻雜異元素法：通過在sic纖維內(nèi)摻雜一些具有良好導(dǎo)電性的元索或物相以調(diào)節(jié)sic纖維的介電耗和吸波能力。摻雜的 方法主要

7、冇物理摻雜法20和化學(xué)摻雜法21 兩種°(4) 改變纖維截而形狀法：將碳化硅纖維制備成三葉形、c形或屮空等截曲形狀后，其吸波性能得到不同程度的改善。 另外，與圓形截面碳化硅纖維相比，界形截而碳化硅纖維的力學(xué)性能、纖維與基體間的復(fù)合 性能等都有較人改善22-23 o碳化硅粉體的制備方法包括acheson法24、溶膠-凝膠(sol-ge 1)法25、cvd法26 -28 等。碳化硅粉體同樣需要經(jīng)過摻朵改性才能制備岀性能優(yōu)良的高溫吸收劑。碳化硅粉體和纖維作為高溫吸收劑已經(jīng)有了較多的應(yīng)用。法國(guó)ade公司研制的alkard sc陶瓷吸收體是一種以sic為主體的摻朵體系，其最高使用溫度為1000

8、°c,并對(duì)機(jī)械加工，在35ghz頻帶內(nèi)反射率從-10db線性卜降29:法國(guó)sep公司制造的c/sic復(fù)合材料噴瓣、尾噴管調(diào)節(jié)片已用在rafel戰(zhàn)斗機(jī)的m88snema發(fā)動(dòng)機(jī)和mirage2000戰(zhàn)斗機(jī)的m53發(fā)動(dòng)機(jī)上30；洛克希德公司在f-117隱身e機(jī)的研制中，采用陶瓷基材料制備的結(jié)構(gòu)吸波材料，加在尾噴管的后沿可承受高達(dá)1093°c的高溫31；法國(guó)馬特拉防御公司開發(fā)的兩人系列隱身材料2，主要是應(yīng)用于1000°cm溫的陶瓷基材料，町以用作亞音速導(dǎo)彈某些部位的面層,如噴管或進(jìn)氣道，這種材料已制成多層的磚塊形狀，可用來包覆導(dǎo)彈上承受強(qiáng)烈熱應(yīng)力的尾部殼體32。2碳纖維、

9、碳納米管碳纖維屬于電損耗型吸收劑。但由于碳纖維電阻率較低，會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生強(qiáng)反射，故必須對(duì)其進(jìn)行化學(xué)摻雜或表面改性處 理。隨著納米科技的發(fā)展，對(duì)納米級(jí)碳纖維的研究也越來越多。常見的納米碳纖維的生產(chǎn)方 法有：基體法33-35、噴淋法36、氣相流動(dòng)催化法37等。納米級(jí)的碳纖維不僅表現(xiàn)出 對(duì)雷達(dá)波的電損耗特性，同時(shí)也具冇一定的磁損耗特性。螺旋形碳纖維是一類手性吸波材料, 具有普通碳纖維所不具備的特殊性能，能夠在電磁波作用下產(chǎn)牛:感應(yīng)電流，感應(yīng)電流除部分 轉(zhuǎn)化為熱能外還可通過螺旋碳纖維形成次級(jí)電磁波，并與原電磁波相互干涉，進(jìn)一步將電磁 波能量轉(zhuǎn)化為其他形式能量。通過調(diào)節(jié)螺旋碳纖維的螺徑、螺距等參數(shù)，對(duì)以

10、使吸波材料具 有優(yōu)良的性能。研究表明38,螺旋形碳纖維手性參數(shù)e対提高吸波性能的影響大于相對(duì) 介電常數(shù)£ r對(duì)它的影響。同顆粒型吸收劑相比，碳纖維對(duì)吸波復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)化的貢獻(xiàn)更大。另外，碳纖維的密 度只有-1.72.0g/cm3,易制得輕質(zhì)復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)吸波材料的高效吸收、寬帶吸收的要求。 碳纖維微晶在生長(zhǎng)過程中沿軸向擇優(yōu)取向，故對(duì)于電磁波的吸收表現(xiàn)出明顯的各向異性，通 過對(duì)碳纖維在基體小排布方式的設(shè)計(jì)，也可以達(dá)到優(yōu)化材料吸波性能的目的。碳纖維復(fù)合吸波材料已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)川。美國(guó)f-117隱形戰(zhàn)機(jī)在其發(fā)動(dòng)機(jī)四周、主翼前緣、 垂直尾翼及両部機(jī)身等部位大量采用了碳纖維和反射率很小的硼

11、纖維復(fù)合材料。b-2戰(zhàn)略轟 炸機(jī)也在中翼盒段、中后段及外翼段人量采用碳纖維結(jié)構(gòu)吸波材料，減輕了機(jī)身重最°yf-22、 yf-23、f-22等戰(zhàn)機(jī)以及先進(jìn)巡航導(dǎo)彈上都大量采用了碳纖維、碳/芳綸或碳/玻璃纖維混雜 作為增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)吸波材料39。法國(guó)的“幻(mirage)f-1"戰(zhàn)斗機(jī)副翼蒙皮采用碳纖 維結(jié)構(gòu)的吸波材料40； “幻影2000”戰(zhàn)斗機(jī)垂尾的大部分和方向舵的全部蒙皮也川吸波 的硼/環(huán)氧樹脂/碳復(fù)合材料制造;法國(guó)海軍戰(zhàn)斗機(jī)“陣風(fēng)(rafale)"的機(jī)翼和兩段式全翼升 降副翼用碳纖維復(fù)合材料制造，機(jī)身采用50%碳纖維復(fù)合材料，起落架艙門及發(fā)動(dòng)機(jī)艙門為 碳纖維復(fù)

12、合材料；英、德、意、西班牙4國(guó)合作研制的新型ef2000的機(jī)身大量釆用碳纖維 復(fù)合材料；美國(guó)空軍戰(zhàn)斗機(jī)f-16 "戰(zhàn)隼(fightingfalcon)”機(jī)身釆用翼身融合技術(shù)，尾翼 的垂直安定面蒙皮采用碳纖維復(fù)合材料，平尾也部分地采川碳纖維復(fù)合材料；前蘇聯(lián)戰(zhàn)斗機(jī) 米格-29的機(jī)翼翼尖、襟翼和副翼采用碳纖維蜂窩結(jié)構(gòu)，垂尾采用碳纖維復(fù)合材料。碳納米管(cnt)是由口木nec公司的電鏡專家s. iijima411991年首次發(fā)現(xiàn)的。它具有高溫 抗氧化、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)42,適合作為高溫吸波材料的吸收劑。對(duì)于碳納米管產(chǎn)生雷達(dá)波 損耗的原因，一般認(rèn)為，納米材料比表面積人，人量懸掛鍵的存在容易導(dǎo)致界

13、而極化，而高 的比表面積會(huì)造成多重散射；另外，量了尺寸效應(yīng)使納米離了的電了能級(jí)分裂，增加了對(duì)電 磁波的吸收43 o有研究表明44,作為偶極子，碳納米管在電磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生耗散電流，在周用基體作 用下，耗散電流被衰減，從而使電磁波能量轉(zhuǎn)換為其他形式的能量，主耍為熱能，這是含碳 納米管材料微波損耗的主要機(jī)理。對(duì)于螺旋形的碳納米管吸收劑，其結(jié)構(gòu)因素也對(duì)電磁波的 損耗起到了重要作川。碳納米管結(jié)構(gòu)對(duì)其介電性能影響很人。碳納米管品化程度越好，介電常數(shù)降低幅度和磁導(dǎo)率 實(shí)部增人幅度越人。非晶碳的存在使碳納米管的和在某些頻段偏高45。多壁 碳納米管的£2、£r比單壁碳納米管的大許多，其電

14、損耗、磁損耗增加比較明顯；陣 列多壁碳納米管與聚團(tuán)多壁碳納米管相比，其電損耗、磁損耗均增加。研究表明，碳納米管 具有較強(qiáng)的壓阻效應(yīng)46,當(dāng)形變量從0增加到3. 2%時(shí)，碳納米管的電導(dǎo)率從10-5scm-1 下降到10-7s-cm-l,且變化可逆。通過對(duì)碳納米管結(jié)構(gòu)、排列方式及外應(yīng)力的改變，可以 達(dá)到控制吸收劑介電性能的目的。除改變碳納米管結(jié)構(gòu)和排列方式外，也可對(duì)碳納米管進(jìn)行改性。常用的改性方法有填充 47-48和表面鍍層49。最常用的填充和表面鍍層物質(zhì)是磁性金屬,如fe50、co51、ni52等。通過碳納米管與其他耐高溫材料復(fù)合，可以制備出性能優(yōu)良的吸波復(fù)合材料53-54o3石墨及炭黑炭黑屬于

15、電損耗型吸收劑，是目前應(yīng)用最廣泛的填料，其體積電阻率為0.110q“，將 其分散到基體中，依靠介質(zhì)內(nèi)部的極化易形成導(dǎo)電鏈或局部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，以此可有效控制復(fù)合 材料的電性能，達(dá)到對(duì)雷達(dá)波吸收的目的。特別當(dāng)基體材料電導(dǎo)率處于半導(dǎo)體范圍時(shí)，對(duì)電 流產(chǎn)生耗散作丿1,吸波性能得到加強(qiáng)。炭黑密度較低，故常被填充在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中。石黑已經(jīng)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)吸波材料55,美國(guó)在 石墨/熱鴉性基復(fù)合材料和石墨/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的研究方面取得了很人進(jìn)展，這些復(fù)合 材料在低溫(-53°c)卜-仍然保持韌性，只是對(duì)高溫和高濕度環(huán)境比金屬稍微皺感。另外，石 墨和炭黑也被用在摻雜高損物吸波涂料屮，這類吸波涂料由導(dǎo)電纖維與高損物(如炭黑、陶 瓷和粘土等)和樹脂組成，其中導(dǎo)電纖維的長(zhǎng)度是雷達(dá)波波長(zhǎng)的一半，高損物的厚度最好是 雷達(dá)波波長(zhǎng)1/4的奇數(shù)倍56 o由于炭黑粒徑在納米級(jí)，不僅能吸收電磁波，還能啟效抑制紅外輻射。但作為高溫吸波材料吸收劑，石墨和炭黑的缺點(diǎn)是耐高溫性不如sic