雷達(dá)吸波復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀分析和制備方法.總結(jié)

1、隱身復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀分析和制備方法摘要 ：本文介紹了隱身復(fù)合材料的產(chǎn)生背景、發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景。分析了雷達(dá)隱身復(fù)合材料發(fā)展的必然性及其在隱身技術(shù)中的重要地位，較詳細(xì)介紹了材料的隱身原理，以及當(dāng)前涂敷型結(jié)構(gòu)型隱身復(fù)合材料的組成、結(jié)構(gòu)和特性。通過(guò)材料體系配方設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).探討了不同吸收劑、不同結(jié)構(gòu)形式對(duì)材料樣板性能的影響.最終優(yōu)化結(jié)果表明，特定濃度的某種吸收劑通過(guò)一定方式加入材料體系內(nèi)部后.所成型的復(fù)合材料樣板吸波性能良好，其力學(xué)性能滿足通用工程材料的使用要求。說(shuō)明了發(fā)展隱身復(fù)合材料的重要意義。關(guān)鍵詞 :隱身；復(fù)合材料；雷達(dá)吸波材料；吸收劑乃至整個(gè)隱身技術(shù)的未來(lái)2。0 前言當(dāng)今的戰(zhàn)爭(zhēng)是技術(shù)的戰(zhàn)

2、爭(zhēng)， 是電子的戰(zhàn)爭(zhēng)，像以前那樣短兵相接、拼刺刀的時(shí)代應(yīng)經(jīng)過(guò)去了?；趶?fù)合材料優(yōu)良的綜合性能，在現(xiàn)代隱身武器中隱身復(fù)合材料得到了廣泛的應(yīng)用，并使隱身武器的性能大大提高。在實(shí)戰(zhàn)中， 雷達(dá)以及紅外探測(cè)器應(yīng)用比例最大。雷達(dá)、紅外探測(cè)器住海、陸、空戰(zhàn)都有應(yīng)用，聲納及磁異常探測(cè)器主要用于海戰(zhàn)。因此隱身技術(shù)的最主要研究對(duì)象是針對(duì)雷達(dá)波及紅外輻射的隱身技術(shù)， 而雷達(dá)隱身材料是最早采用的隱身技術(shù)。 它能夠使入射的雷達(dá)波發(fā)生衰減， 吸收并轉(zhuǎn)變成其他能量形式的材料， 即雷達(dá)波吸收材料 （ RAM ：radarabsorbing materials） 1 。隱身復(fù)合材料與先期發(fā)展的雷達(dá)吸波涂層相比， 除了其具有吸波與

3、承載雙重功能外，還有其他明顯特點(diǎn)。例如，不增加飛行器額外重量， 有利于拓寬吸波頻帶等， 因而它有逐步取代吸波涂層的趨勢(shì)。 吸波復(fù)合材料正經(jīng)歷由玻璃纖維增強(qiáng)到碳纖維及其混雜纖維增強(qiáng)、由熱固性樹脂到熱塑性樹脂、由次承力件到主承力件的發(fā)展過(guò)程。 隨著先進(jìn)復(fù)合材料在飛行器上應(yīng)用的擴(kuò)大， 采用隱身復(fù)合材料已成為新一代軍用飛行器材料革命的重要方向。 例如， 在 F-117、, B-2、 F-22 隱身飛機(jī)上復(fù)合材料用量分別為10%、>50%, >70% ?？梢哉f(shuō)， 隱身復(fù)合材料的發(fā)展在很大程度上影響著雷達(dá)吸波材料1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀隱身復(fù)合材料是融合了隱身性能、結(jié)構(gòu)承載、抗彈等多種功能于一身的先

4、進(jìn)復(fù)合材料，能夠有效降低武器裝備的被發(fā)現(xiàn)概率，降低車輛的總重，提高車輛的機(jī)動(dòng)性，提高其生存能力。國(guó)內(nèi)隱身復(fù)合材料技術(shù)主要應(yīng)用于軍事裝備。國(guó)內(nèi)開展吸波材料研究已有 10 余年歷史，在材料研制與應(yīng)用方面取得了一定進(jìn)展。其中，對(duì)以玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu) RAM 進(jìn)行了較深入研究，對(duì)這類材料的微觀吸機(jī)制以及宏觀電磁性能 (P 等 ) 之間的關(guān)系、材料的rrCAD方法有一定的研究。另外，對(duì)夾層結(jié)構(gòu)型吸波材料進(jìn)行了大量基礎(chǔ)性研究， 對(duì)影響夾層結(jié)構(gòu)吸波特性的一系列因素進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了規(guī)律性總結(jié)。 一種多層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波材料比較常見。 近年來(lái)對(duì)碳纖維及其混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的微波電磁性能

5、進(jìn)行了探索研究， 研究了纖維本身的微波電磁特性、 纖維編織方式、 材料成型工藝等對(duì)復(fù)合材料反射性能的影響， 得到了一些基本規(guī)律。 在近 10 年的隱身復(fù)合材料研制中，也開展了一些吸波結(jié)構(gòu)典型件的研制，并取得了一些應(yīng)用成果， 對(duì)推動(dòng)隱身復(fù)合材料的發(fā)展具有重要意義 3 。目前國(guó)內(nèi)外主要進(jìn)展表現(xiàn)在幾方面：1.熱塑性混雜紗吸波復(fù)合材料研制并用于機(jī) (彈 )翼、蒙皮及耐高溫部位。2.運(yùn)用 CAD方法，采用自動(dòng)鋪層、數(shù)控纏繞、多維編織等新技術(shù)制造多層(夾層 )結(jié)構(gòu)隱身材料。3.陶瓷結(jié)構(gòu)吸波材料得到開發(fā)，其中以SiC 纖維吸波材料發(fā)展最快。4.碳一碳吸波材料的發(fā)展并已用于遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、火箭噴管及頭錐等部位2 。

6、國(guó)外飛行器、 導(dǎo)彈、 艦船用結(jié)構(gòu)隱身復(fù)合材料己進(jìn)入應(yīng)用階段.美國(guó)的 F-117、 B-2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；法國(guó)“幻影 ”系列戰(zhàn)斗機(jī)、俄羅斯米格一29 部分采用碳纖維結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料; 法國(guó) “拉斐特 ”護(hù)衛(wèi)艦、瑞典的 “斯米蓋 ”、美國(guó)的 “阿利·伯克 ”級(jí)宙斯盾驅(qū)逐艦、英國(guó)的 “?；?”號(hào)都采用了各種類型的隱身復(fù)合材料。陸軍裝備用隱身復(fù)合材料技術(shù)， 典型的為美國(guó)的 M113 和 X12 布雷德利的車體， M1A1 的負(fù)重輪等。 20 世紀(jì) 90 年代中期，美國(guó)陸軍研制出復(fù)合材料裝甲車輛先進(jìn)技術(shù)演示車， 上下車身采用相同的工序

7、把降低信號(hào)特征的材料與其它結(jié)構(gòu)合為一體， 可防雷達(dá)、熱成像儀的偵察。 1997 年，英國(guó)的 GKN 防御公司展示了一種履帶式隱身技術(shù)演示偵察樣車， 吸波材料被包含在裝甲結(jié)構(gòu)內(nèi)，隱身性能超過(guò)布雷得利戰(zhàn)車。 英國(guó)的 “武士 2000”步兵戰(zhàn)車、美國(guó)的 Abrams 和俄羅斯的 T-95 均采用了外形融合的隱身結(jié)構(gòu)，以降低雷達(dá)特征信號(hào)。 陸軍裝備用結(jié)構(gòu)隱身復(fù)合材料更多地處于實(shí)驗(yàn)和演示驗(yàn)證階段。美國(guó) “未來(lái)作戰(zhàn)系統(tǒng) ”武器發(fā)展和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的批準(zhǔn)， 意味著隱身復(fù)合材料將被大量應(yīng)用于陸軍武器裝備，以實(shí)現(xiàn)其高機(jī)動(dòng)性、全隱身、小尺寸、超信息控制能力的集合。而隱身復(fù)合材料本身將在具備隱身、結(jié)構(gòu)、承載等性能的基礎(chǔ)上

8、， 能夠自我感應(yīng)、 自我調(diào)節(jié)、適時(shí)適地自我調(diào)控，向功能集成化、智能化方向發(fā)展。 利用復(fù)合材料設(shè)計(jì)自由的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)隱身復(fù)合材料將與外形設(shè)計(jì)完美結(jié)合 4。2 材料隱身的機(jī)理與途徑吸波材料吸收雷達(dá)波的基本原理是將雷達(dá)波轉(zhuǎn)換成其它形式的能量 (如熱能 )消耗掉。在創(chuàng)造高效吸收材料時(shí)， 必須遵循物理(電動(dòng)力學(xué) )概念、配合尋求最佳混合物的物理化學(xué)途徑。 分析表明采用不均勻的兩組分和多組分材料是最有前途的， 而材料的組成可根據(jù)導(dǎo)體、 半導(dǎo)體和介質(zhì)的電磁性能、物理化學(xué)性能來(lái)確定。 至于材料吸收的電磁能值，則取決于材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。所謂隱身即為不暴露 .目前各國(guó)探測(cè)目標(biāo)的手段主要為微波雷達(dá)， 它利用電磁

9、波在傳播過(guò)程中遇見介質(zhì)變化時(shí)將在界面感應(yīng)電磁流， 并向四周輻射電磁能的原理， 通過(guò)分析雷達(dá)接收天線截獲 (或感應(yīng) )的輻射電磁能，便可判斷目標(biāo)的距離、方位、大小、類型等等 .隱身的宗旨就是避免接收天線截獲到此輻射能 .首先應(yīng)避免的是產(chǎn)生感應(yīng)電流，這主要靠材料設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)； 其次是避免天線接收到電磁能的輻射， 它主要靠外形設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) .假設(shè)雷達(dá)發(fā)射的功率為Pt ，接收的輻射功率為 Pr，則有關(guān)系式 :PrPt G 2 2（ 434（ 1）R式中： G 一一天線增益 (最大輻射方向的功率與平均值的比值)；一一電磁波波長(zhǎng);R-目標(biāo)距離 ;一一雷達(dá)散射截面.這里取決 干 目標(biāo)特性的只有雷達(dá)散射截面，它與目標(biāo)

10、的大小、 電磁特征參數(shù) （與形狀，波長(zhǎng)相關(guān) )及反射系數(shù)有關(guān)，而反射系數(shù)取決于界面材料的電性能及雷達(dá)波的波長(zhǎng)、人射角和人射極化(電場(chǎng)與人射面的關(guān)系 ).對(duì)于平面界面，當(dāng)人射角垂直界面時(shí)，垂直極化與平行極化的反射系數(shù)相等，即有Z2-Z1RZ1Z2（2）Z1、 Z2 為兩種介質(zhì)的本征阻抗，由介質(zhì)的電特性 (介電常數(shù) )和 ( 導(dǎo)磁率 )確定，即Z11/1或Z22/2由( 2)式可得不反射條件為Z1Z2 或12(3)1 2由此可見，從目標(biāo)結(jié)構(gòu)選材方面縮減RCS( ）的途徑為避免兩種介質(zhì)阻抗的劇烈變化， 確保阻抗?jié)u變或匹配，它可通過(guò)材料的特殊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)， 即將材料設(shè)計(jì)成表面阻抗接近自由空間阻抗， 隨厚度

11、增加，阻抗?jié)u小 . 其方法有二 :一為采用具有上述電的大小、電磁特征參數(shù) (與特征的層板結(jié)構(gòu) ;另一方法為在主體材料中加具有相反電特征的物質(zhì)微粒一一導(dǎo)體加陶瓷等絕緣微粒， 而絕緣體加金屬微粒， 且隨厚度不同， 微粒的密度不同 .另外從能量守恒角度看， 電磁波反射減小。折射必增大，如果不將其損耗，當(dāng)其遇到其它界面 (如蒙皮內(nèi)面或內(nèi)部結(jié)構(gòu) )時(shí)還將反射，損耗的方法為將其轉(zhuǎn)變成其它(如熱 )能這也得通過(guò)特殊材料的特殊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)5 。制得的樣板吸波效果不同。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， A 類吸收劑濃度變化對(duì)吸波效果的影響不明顯 (表 1)， B 類吸收劑的濃度對(duì)吸波性能影響較大 (表 2)。利用 A 類吸收劑制作的

12、樣板性能穩(wěn)定 (表 3) ，利用 B 類吸收劑制作的樣板性能不穩(wěn)定 (表 4)。同時(shí) A 類吸收劑易于在纖維布層間分散， 其濃度和分散方式可設(shè)計(jì)性強(qiáng)， 能較大范圍地調(diào)節(jié)材料體系的電磁參數(shù)。 而 B 類吸收劑的吸波效果、 分散工藝、 可控性差。 利用 A 類吸收劑制取復(fù)合材料體系樣板的力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表5。3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程一、原料環(huán)氧樹脂 (E-51 ，無(wú)錫樹脂廠；潛伏固化劑 (594)，無(wú)錫樹脂廠；丙酮，燕山石化；酒精，燕山石化； 碳纖維；日本東麗公司； 玻纖布，南京玻纖院；吸收劑 A 、吸收劑 B，自制。二、實(shí)驗(yàn)隱身復(fù)合材料體系采用高性能樹脂基體浸潤(rùn)玻纖增強(qiáng)體，形成連續(xù)相 ;吸收劑按照設(shè)計(jì)要求，

13、以一定的濃度和方式分散于玻纖增強(qiáng)體與樹脂基體之間，形成非連續(xù)相，利用平板硫化機(jī)進(jìn)行模壓制樣， 對(duì)多種類型吸收介質(zhì)的吸波效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，主要通過(guò)控制吸收劑的分散狀態(tài)和加入量來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁參數(shù)的調(diào)節(jié)， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)波的入射、散射、損耗等。不同濃度吸收劑通過(guò)設(shè)計(jì)復(fù)合材料的表層結(jié)構(gòu)，雷達(dá)波的入射率得到有效提高:在材料內(nèi)部通過(guò)改變吸收劑的加入量的變化，使入射到材料體系內(nèi)部的雷達(dá)波逐漸被損耗，實(shí)現(xiàn)不同層次的吸收功能、 反射功能和散射功能，從總體上提高了復(fù)合材料的吸波效果，且性能穩(wěn)定 ;其力學(xué)性能達(dá)到了通用材料的使用要求。三、結(jié)果與討論根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果，在材料體系和成型工藝條件不變的前

14、提下， 對(duì)所制取樣板進(jìn)行 8 毫米波、 厘米波吸波效果測(cè)試 (圖 1、圖 2）?？梢钥闯?， 在 8 毫米波段隱身復(fù)合材料體系具有良好的吸波效果，在厘米波段2GHz-8GHz范圍吸波效果OdB-8dB ， 8GHz-18GHz范圍吸波效果 8dB-12dB 。這主要與與吸收劑的加入方式有關(guān)。 由圖中還可以看出， 曲線兩端均趨于水平， 這說(shuō)明在頻帶范圍之外材料體系仍然具有較好的吸波性能 ;這對(duì)拓展其工作頻帶具有重要意義。四、評(píng)價(jià)指標(biāo) 6五、結(jié)論隱身復(fù)合材料板具有良好的雷達(dá)波隱身效果， 在毫米波段和厘米波段均具有較高的吸波性能 .復(fù)合材料樣板具有較高的強(qiáng)度和模量， 具有一定的抗彈性能，與金屬材料相比

15、有很好的減重效果， 可以作為結(jié)構(gòu)件材料使用 4 。4 展望吸波復(fù)合材料的研究是國(guó)內(nèi)外隱身技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。不管是涂敷型吸波復(fù)合材料，還是結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料，均是針對(duì)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)研制開發(fā)的隱身復(fù)合材料， 這些吸波復(fù)合材料主要吸收雷達(dá)電磁波。 傳統(tǒng)的吸波材料主要以強(qiáng)吸收為目標(biāo)， 但存在頻帶窄、效率低、密度大等缺點(diǎn)，應(yīng)用范圍受到一定的限制。新型的吸波材料要求滿足“薄、輕、寬、強(qiáng) ”，還滿足多頻譜兼容、耐高溫、耐海洋氣候、抗輻射等更高要求。結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料既能承載， 又能吸波， 并具有寬頻帶、 高效率的優(yōu)點(diǎn)， 是今后研究的重點(diǎn)。同時(shí)反隱身技術(shù)的發(fā)展促使新興隱身手段的探索和研究， 兼容性吸波復(fù)合材料

16、和等離子體隱身技術(shù)得到了重視。 隨著多功能復(fù)合吸波材料研究的深入，納米無(wú)機(jī)物 / 聚合物復(fù)合體作為一種新型的優(yōu)秀吸波功能7材料必將有更大的發(fā)展和應(yīng)用前景。1 董杰濤 . 隱身復(fù)合材料的研究與展望J. 中國(guó)科技財(cái)富,2011,19:121.2 劉俊能 . 隱身復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用 A. 中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)儀表材料學(xué)會(huì)、八六三計(jì)劃新材料領(lǐng)域功能材料專家組、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì) （CMRS ）、中國(guó)電子學(xué)會(huì)電子材料學(xué)學(xué)會(huì)、中國(guó)金屬學(xué)會(huì)材料科學(xué)學(xué)會(huì)、中國(guó)物理學(xué)會(huì)發(fā)光分會(huì)、中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)光學(xué)材料專業(yè)委員會(huì)、 機(jī)電部重慶儀表材料研究所、功能材料編輯部 .首屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集 C.中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)

17、儀表材料學(xué)會(huì)、 八六三計(jì)劃新材料領(lǐng)域功能材料專家組、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)（ CMRS）、中國(guó)電子學(xué)會(huì)電子材料學(xué)學(xué)會(huì)、中國(guó)金屬學(xué)會(huì)材料科學(xué)學(xué)會(huì)、中國(guó)物理學(xué)會(huì)發(fā)光分會(huì)、中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)光學(xué)材料專業(yè)委員會(huì)、機(jī)電部重慶儀表材料研究所、 功能材料編輯部 :,1992:2.3 邢麗英 ,劉俊能 . 隱身復(fù)合材料的研究與發(fā)展 J. 航空制造工程 ,1995,12:3-5+8.4 趙立軍 ,于名訊 . 先進(jìn)隱身復(fù)合材料技術(shù)研究 A. 中國(guó)化學(xué)會(huì) .中國(guó)化學(xué)會(huì)第二屆隱身功能材料學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集C.中國(guó)化學(xué)會(huì) :,2004:4.5 李萍 ,陳紹杰 ,朱珊 ,鞠樹生 . 隱身復(fù)合材料的研究和發(fā)展 J.飛機(jī)設(shè)計(jì) ,1994,01:29-34+51.6 陳亮 ,張倫武 ,鄧愛明 ,魏文政 ,譚延江 . 軍用大飛機(jī)隱身復(fù)合材料設(shè)計(jì)技術(shù)研究 A. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、 河南省人民政府 .第十屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)論文集（三）C. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、 河南省人民政府 :,2008:5.7 劉獻(xiàn)明 ,付紹云 ,張以河 ,孫正濱 ,李廣濤 . 雷達(dá)隱身復(fù)合材料的研究進(jìn)展 J. 材料導(dǎo)報(bào) ,2004,05:8-11.書是我們時(shí)代的生命 別林斯基