宽频轻质吸波涂料研究与应用

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1.引言

雷达隐身技术主要是指对工作在3MHz～300GHz范围内雷达的隐身技术，其中厘米波段(2～18GHz)是非常重要的雷达探测波段，也是现阶段世界各国力求突破的超宽频带雷达隐身技术研究的重点。随着雷达探测技术的发展，以及目标外形技术越来越受到战术指标的限制，原有的雷达隐身材料存在频带窄、效率低、密度大等缺点，应用范围受到一定限制，迫切需要开发新型吸波材料和相应的隐身技术。目前，国内外在进一步提高与改进传统隐身材料性能的同时正致力于多种新材料的探索，碳纳米管材料、导电聚合物材料、纳米材料等逐步应用到雷达波隐身材料中，从而满足对新一代雷达隐身材料吸收强、频带宽、质量轻、厚度薄的要求。

2.导电高聚物吸波材料

导电纤维掺混于常规粉体吸收剂中，可以较大幅度地提高材料的吸波性能。导电纤维的掺混量有一个最佳值。通过适当的匹配，可以制得宽频雷达吸波材料。但是，得到的材料在低频波段的吸波效果很差，如何解决低频波段材料的雷达吸波性能，仍应进一步探讨和验证。由于导电高聚物密度小、中低温性能良好，近年来得到广泛的研究和应用。Krishadham等人研究了以碘经过化学或离子注人法掺杂的聚苯乙炔、聚乙炔和对苯撑-苯并双噻吩导电高分子吸波材料，经掺杂制得的聚合物单层吸波涂层的反射衰减为-15dB，吸收带宽可达3GHz。Oldedo等研究的聚吡咯、聚苯胺、聚-3-辛基噻吩在3cm波段内均有8dB以上的吸收率。TruongVT等研究了厚度为2.5mm、含2%聚吡咯的吸波材料，其在12~18GHz的反射率小于-10dB。孔德明等用盐酸掺杂聚苯胺(PAn)和FeCl3。掺杂H2SO4-PAn按一定比例混合，在8～14GHz频段内测试，发现该吸波材料在频宽3.66GHz内的平均衰减为13.37dB，最大衰减为26.70dB。

3.磁性粒子类吸波材料

磁性粒子类吸波材料大都具有较高的磁损耗正切角，主要依靠磁滞损耗、畴壁共振和后效损耗等极化衰减来吸收电磁波，常见的有铁氧体、金属微粉、多晶铁纤维等。铁氧体是发展最早较为成熟的吸波材料，主要有镍锌铁氧体、锰锌铁氧体和钡系铁氧体等，其吸波机理是磁畴自然共振。铁氧体分为尖晶石型、石榴石型和磁铅石型，其中以六角晶系片状磁铅石型的吸波性能最好，因六角晶系片状磁铅石型铁氧体具有较高的磁性各向异性等效场，其自然共振频率较高，表现出优良的高频吸波性能。MeshramMR等制备的六角晶型铁氧体吸波材料在8～12GHz的频段内，最大吸收为16.5dB，最小吸收为8dB。张永详等制备了厚为2mm、面密度为5kg/m2的铁氧体吸波材料，其在8～18GHz频带范围内的吸收率均大于10dB。此外，由于纳米铁氧体的粒子比表面积大，表面原子能带结构不同于体内，有较高的矫顽力，可引起磁滞损耗、界面极化和多重散射等吸波机制;同时纳米粒子的尺寸远小于电磁波的波长，其电磁波的透过率也远高于一般吸波材料。Ruan等研究发现，粒径为5μm的铁氧体样品的最大反射率为-17dB，反射率小于-10dB的带宽为3.5GHz，而粒径为65nm的铁氧体样品最大反射率为-28.5dB，反射率小于-10dB的带宽达5GHz。黄婉霞等人研究了在1～1000MHz频率范围内Fe3O4 的粒度对电磁波吸收效能的影响，结果表明，纳米级Fe3O4的粒度越小，其吸波效能越高。磁性金属微粉是一类兼有自由电子吸波和磁损耗的吸波材料，主要有钴、镍、钴-镍合金、铁-镍合金、铝-镍合金及各种有机改性金属等微粉，著名的F/A-18c/D“大黄蜂”隐身飞机使用的就是羰基铁微粉吸波材料。磁性金属微粉磁导率较高、温度稳定性好，但其抗老化、耐酸碱能力、频谱特性等性能差。多晶铁纤维有较强的涡流损耗、磁滞损耗及介电损耗。作为良导体的多晶铁纤维，当有外界交变电场作用时，纤维内的自由电子发生振荡运动，产生振荡电流，将部分电磁波能量转变为热能。美国3M公司研制的多晶铁纤维吸波涂层，在 5～16GHz频段内可以衰减30dB。导电高聚物与磁性粒子复合兼顾了介电与磁损耗吸波特征，虽然已经取得了一定的进展，但也存在一些不足。要开发出轻质、强吸收、宽频、电磁参数可调并综合性能好的导电高聚物/磁性粒子复合吸波材料，就需要在下面几个方面作进一步的研究：①宏观与微观相结合探讨导电高聚物/磁性粒子复合的吸波机理;②材料的尺寸与种类的选择、优化;③复合吸波材料的制备工艺与技术。

4.宽频轻质导电高分子吸收材料

导电高分子材料(PA、PAn、PPy、PTh、PPV等)具有分子结构可设计、成本低、易合成、加工方便，同时又具有对不同频率的微波产生吸收，且吸收频段宽、密度小(1.0~2.0g/cm3)、热稳定性好等特点，有望发展成为新型宽频有机吸波材料。理论分析表明，控制材料颗料的尺寸在纳米到亚微米之间(7nm～3μm)，且具有片状或管状微观形貌是改善雷达吸波材料的有效途径，这就为导电高分子吸波材料的研制和发展带来新的机遇。目前，通过选择不同的合成方法和反应条件可制备出各种结构与形貌特点的纳米-亚微米导电高分子材料(如纳米粒子、纳米线、纳米捧、纳米纤维、纳米自组装薄膜、纳米层状薄膜等)，从而获得轻质、宽频的吸波性能[2]。MarcDiarmid研究发现2mm厚的导电聚乙炔(PA)薄膜对-35GHz的微波吸收率可达90%;法国LaurentOlmedo研究了聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PAn)、聚(3-辛基-噻吩)在0～20GHz内的微波吸收性能，发现吸波性能随频率的变化而变化，反射率平均值为-8dB，最大衰减可达到-48.5dB(-13.7GHz)，且频宽达到5.64GHz，而密度只有 2.5kg/m3;同样对聚(辛基-3-噻吩)研究发现，涂层厚度变大2～8mm，吸波反射率系数变小，且向低频波段移动;Biscaro采用(PU/PAn)共混复合形成的涂料，涂覆在铝板(120mm×120mm)上形成膜厚为1.8～2.1mm的涂层，然后测试吸波性能，最大的反射率R为 -23.3dB，且随掺杂剂CSA物质的量的不同，PAn含量不同，吸收峰和反射率R也不同。Faez用(PAn/EPDM)复合共混物压制成橡胶吸波贴片，测试其吸波性能。试验发现，掺杂剂、PAn与DBSA的物质的量的配比、PAn与EPDM的质量配比都会影响反射率R;在8～12GHz测试，厚度增大1～3mm，反射率R(-10GHz)由-28dB增大到-35dB;I~PAn-(DBSA)的质量分数不同(厚度为1.0mm)，为30%、 50%、80%，则其反射率R分别为-25dB(-8GHz)、-27dB(-9.5GHz)、-32dB(-10GHz);当共混加工时间增加时，反射率R也增大(-25dB，10min，-37dB，35min);同样，共混加工时间相同，配比不同，则反射率R也不相同，这说明PAn含量及分布、掺杂剂含量及共混加工时间和工艺条件等都会显著影响导电高分子橡胶贴片材料的吸波性能。采用热压成型技术制备(PAn/EPDM)复合共混物橡胶吸波贴片，弓形法测试(航天一院621研究所)表明，在2～18GHz频段可设计制作轻质、宽频导电高__分子聚苯胺吸波贴片，平均吸收可达到-10dB，且具有明显的宽频效应。同时，采用原位共混复合技术可制备无机导电高分子纳米复合微波吸收材料，将具有金属磁性损耗的超细羰基铁颗粒(纳米-亚微米)与导电高分子材料复合而形成一种新型轻质、宽频、强吸收、涂层薄的涂层吸波材料使用。导电高分子磁性纳米复合吸波材料由于集功能性导电高分子材料的特性与纳米磁性粒子的特性于一身，具有性质多样、应用面广等特点，而成为吸波材料领域一个重要的研究方向。因此，不同掺杂态的导电高分子微波吸收材料可作为智能型宽频雷达吸收剂材料在民用吸波材料和军事隐身材料中获得广泛和重要的应用。