结构吸波材料中纤维的电性能和吸波性能.doc

结构吸波材料中纤维的电性能和吸波性能 随着高分辨率、高可靠性先进探测技术的发展和精确制导武器的出现，作为现代战争标志的各类作战飞机、导弹等武器的生存能力受到严重威胁，突防能力受到限制，为此，美国50年代就开始研究隐身技术，力图降低武器在使用过程中的目标特性，即降低目标可探测性。1988年11月22日，美国空军首次公开展示了多年来一直鲜为人知的B-2隐身轰炸机。1991年爆发的海湾战争中，美军使用F-117A隐身战斗机，出动1000多架次无一受损1，取得了很好的战绩，引起世界各军事发达国家的高度重视，并竞相积极研制和开发具有隐身性能的战斗武器。隐身武器的出现和应用不仅是对各种探测和武器系统的严重挑战，而且使作战的战略、战术发生巨大变革，对未来战争产生极为深远的影响。隐身能力已成为当今作战飞机必备的重要性能之一。战斗机的隐身能力可以通过改变飞机的外形和使用吸波材料来实现。第一种方法虽然效果较好，但技术难度较大，而采用吸波材料则相对简单易行，且可以在现役飞机上使用。吸波材料按其应用形式可以分为两类：涂敷型吸波材料和结构型吸波材料。涂敷型吸波材料施工方便，成本低，适应于复杂外形，缺点是耐候性差，粘结性差，不能经受高温。结构吸波材料具有承载和减小雷达反射截面的双重功能，既能减轻结构重量，又能提高有效载荷，因而成为吸波材料研究的重点。纤维不仅决定着复合材料的力学性能，而且对吸波性能也有重要影响。各种纤维的力学性能已有大量的文献进行了详尽的论述，因此本文主要讨论结构吸波材料中纤维的电性能和吸波性能。1常见结构吸波材料的种类1.1蜂窝夹芯吸波材料为Nomex纤维或玻璃纤维增强的树脂基复合材料。在其中加入碳粉、金属粉、铁氧体粉或导电纤维，即可成为结构吸波材料。这种材料不仅能够保持高比强度，而且能够使雷达波在其中产生多次反射，从而提高吸收率。该材料用于飞机的机头、机身和机翼边缘1，2。1.2碳纤维/树脂基结构吸波材料碳纤维体积分数在30%70范围，最好为编织体，树脂为不饱和聚酯、聚酰亚胺、尼龙、聚乙烯等热固性或热塑性树脂，但环氧树脂与碳纤维的结合更好。该材料在某些特定条件下具有很好的宽频吸收曲线3。1.3混杂纤维结构吸波材料玻璃纤维、Kevlar-49纤维具有良好的透波性能，与碳纤维制成混杂纤维复合材料，通过调节各种纤维的相对体积分数，可以得到具有隐身性能的结构吸波材料4。1.4碳化硅纤维、碳化硅碳纤维复合材料碳化硅纤维具有耐高温、密度小、强度高等特点，是发展很快的吸波材料之一。但碳化硅纤维的高电阻率限制了它的吸波性能，必须对其进行改变。将碳、碳化硅以不同比例，通过人工设计的方法控制其电阻率，可以制得耐高温、抗氧化、具有优异力学性能和吸波性能的SiC-C纤维5。2结构吸波材料中纤维的电性能结构吸波材料不仅能够吸收雷达波，而且能够作为结构部件使用，这就要求其在具有吸波性能的同时还要具备良好的力学性能。结构吸波材料的力学性能主要依赖于纤维的力学性能，电性能则是其中的各组员共同作用的结果。基体电性能、吸收剂电性能对材料的吸波性能有影响，而且对起增强作用的纤维也有影响，甚至有显著的影响。结构吸波材料中常用的纤维有玻璃纤维、Kevlar纤维、碳纤维和碳化硅纤维。玻璃纤维和Kevlar纤维不吸收雷达波，是理想的透波材料用纤维，用于制作雷达罩等。如用Kevlar-49纤维增强环氧树脂复合材料的电性能见表1。表 1Kevlar-49/环氧树脂复合材料电性能6Table 1Electric properties of Kevlar-49/epoxy resin composite纤维体积分数纤维方向频率介电常数损耗角正切58垂直9.31063.70.0158平行9.21093.70.01348垂直1064.10.024从表1看出，该复合材料是良好的透波材料。碳纤维和碳化硅纤维与雷达波的相互作用较为复杂，以下主要介绍这两种纤维的电性能。2.1碳纤维的电性能碳纤维是由聚丙烯腈纤维在高温下处理得到的。随着处理温度的升高，纤维的石墨化程度提高，相应地纤维的电导率也提高。随着热处理温度的不同，碳纤维对雷达波表现出不同的性质。高温石墨化处理的碳纤维，电导率逐步接近导体，是雷达波的强反射材料。未经石墨化处理的碳纤维，吸波性能与入射电场的方向有关。入射电场方向与纤维平行时，产生强反射，其特性接近于金属；当入射电场方向与纤维垂直时，碳纤维是雷达波的损耗介质(表2)7。用碳纤维制备的复合材料具有高强、高模、轻质的特点，作为结构吸波材料在B-2等隐身飞机中得到了应用1。 表 2碳纤维的介电常数Table 2Permittivities of carbon fiber频率/GHz8.29101112.4（平行）1j2496.061j2269.631j2042.671j1856.971j1647.31（垂直）18.98j11.5918.65j12.7719.19j11.1118.18j9.3920.37j6.352.2碳化硅纤维的电性能碳化硅纤维不仅具有很好的热稳定性、高温抗氧化、耐化学腐蚀能力，而且具有良好的雷达波吸收性能。用碳化硅纤维可以制得具有宽频带吸收的结构吸波材料。美国已研制出了SiC纤维增强的玻璃陶瓷基复合材料，即使在较高温度下该材料也具有吸波性能8。碳化硅纤维的电阻率较高。当碳化硅纤维的电阻率在101103*cm时，吸收雷达波的性能最好，可以通过对纤维的热处理来达到此目的。图1显示了碳化硅纤维的电阻率随热处理温度、时间的变化而变化，表明随着热处理时间的延长和热处理温度的升高，纤维的电阻率降低9。Nicalon-SiC纤维是由聚碳硅烷通过纺丝、高温处理制得的，主要有C、Si、O组成，此外尚有少量的N。研究表明，Nicalon-SiC纤维的SiOC314，C有一定的过剩1013。三种元素以SiO2，SiC，C的形式存在。SiC约占65，SiO2约15，其余为自由碳。在低于1200的热处理温度下，碳化硅纤维为非晶物质，选区电子衍射为非常模糊的宽圆环。SiO2为玻璃态，均匀分布于纤维中，C以2nm左右的团状物质存在。由于存在SiC和C，所以纤维具有一定的电导率，且随着热处理温度的升高，纤维的电导率升高。表3是几种Nicalon-SiC纤维的电性能14。 图 1电阻率和热处理时间的关系Fig.1Relationship between resistivityand heat treatment time表 3Nicalon-SiC纤维的电性能Table 3Electric properties of Nicalon-SiC fibers通用级NL200HVR级NL400LVR级NL500碳涂层NL607比电阻.cm1031041061070.550.8介电常数/10GHz96.5203012另一种常见的SiC纤维是Tyranno-SiC纤维，与Nicalon-SiC纤维具有类似的结构，不同之处在于加入了23的Ti14。Ti的加入有助于抑制纤维在高温下的结晶和晶粒长大，从而使纤维具有较好的高温抗蠕变性能。作为雷达波吸收剂，与Nicalon-SiC纤维相比，Ti的加入使 Tyranno-SiC纤维具有更好的吸波性能。本文作者研究了Hi-Nicalon SiC纤维的电性能，并用CVI法在Nicalon-SiC纤维表面沉积碳层，沉积厚度2.5um，它们的介电常数见表4。这些结果表明，Hi-Nicalon SiC纤维是制备结构吸波材料的理想材料。 表 4Hi-Nicalon SiC纤维和具有碳涂层的Nicalon SiC纤维的介电常数Table 4Permittivities of Hi-Nicalon SiC fiber andcarbon-coated Nicalon SiC fiber9.375GHz10GHztantanHi-Nicalon SiC3.423.330.9742.432.290.94具碳涂层Nicalon SiC53.752.880.053653.977.070.131用SiC纤维制备陶瓷基结构吸波材料的另一个突出特征是，SiC纤维与玻璃陶瓷基体在热压复合时，纤维与基体间会发生化学反应，生成富碳界面层1417；当基体中有Ti、Nb、Ta等金属氧化物时，除了生成上述的富碳层外，还生成上述金属的碳化物层。与纤维、玻璃陶瓷基体相比，富碳层、金属碳化物层均为高导电相，有利于吸收雷达波。MOCHON，COLOMBAN对生成富碳层的情况进行了研究18。所用纤维为Nicalon NLM202SiC，基体为Nasicon (Na2.9Zr2Si1.9P1.1O1.2)。500时纤维表面的保护层开始脱除，1200N2中热处理时，纤维中的碳开始在纤维表面沉积。从900热压的复合材料中取出的纤维的电导率与1200 N2中热处理的纤维的电导率相同。而从1035热压复合材料中取出的纤维电导率比900热压复合材料中取出的纤维的高。这是由于900热压时，纤维表面没有生成富碳层，1035热压时纤维的表面生成了富碳界面层，提高了纤维的电导率。见图2的直流电导率值（d.c）。Nicalon NLM202SiCf/Nasicon复合材料的电导率随频率变化情况见图2（a.c），随着频率升高，复合材料的电导率降低。热压过程中形成的富碳界面层使复合材料具备了吸收雷达波的能力，材料介电常数见表5。 图 2碳化硅纤维的电导率与复合材料制备温度的关系N2中热处理；热压复合材料Fig.2Relationship between conductivity of SiCfiber and fabrication temperatures of the composite heat treatment in nitrogen besed atmosphere; hot pressed composite表 5SiCf/Nasicon复合材料的介电常数Table 5Permittivities of SiCf/Nasicon composite材料热压温度/，保温时间/min开孔率/纤维体积分数/10GHzNasicon 基体1000，300.515.34.0SiCf/Nasicon 11035，458.0444050SiCf/Nasicon 21035，4514.0331650纯Nasicon基体的介电损耗较小，而复合材料1、2的介电损耗则较大。这种差异显然应归结于复合材料中引入的SiC纤维。热压过程中碳化硅纤维表面形成的富碳层，使纤维的电导率比基体的至少大2个数量级。复合材料1、2间的差异是由于纤维体积分数、致密度的不同所致。 由此看出，对于高温制备的SiC纤维增强的结构吸波材料，纤维的体积分数和材料制备条件对吸波材料的电性能都有很大的影响。在SiC纤维中添加金属纳米粉也可以提高纤维吸收雷达波的能力14。王军研究表明，随着纳米金属含量的增大，纤维的电阻率降低，对雷达波的损耗增大。 3结论（1） 玻璃纤维、Kevlar纤维是良好的透波纤维。（2） 碳纤维与雷达波的作用较为复杂。经高温石墨化处理的碳纤维是雷达波的强反射材料；当电场方向与纤维方向平行时，碳纤维是雷达波的反射材料；当电场方向与纤维方向垂直时，碳纤维是雷达波的吸收材料。(3) SiC纤维可以制备成很好的吸波材料。SiC纤维的吸波性能与热处理温度、纤维的化学成分有关。在高温制备的结构吸波材料中，材料的电损耗与SiC纤维的体积分数、材料制备条件有关，尤其是与纤维表面形成的富碳界面层有关。对于在碳化硅纤维表面形成富碳层和金属碳化物层的的复合材料的电性能尚需研究。基金项目：得到航空基金的资助作者简介：罗发(1963-)，男，现为西北工业大学凝固技术国家重点实验室博士生，研究方向为陶瓷基复合材料，主要从事高温吸波材料研究工作。联系地址：西北工业大学凝固技术国家重点实验(710072)参考文献1Roger A.Stonier,SAMPLE Journal,1991,27(4).92172美国Cuming公司的雷达吸波材料，国外隐身机身动态，1993，23结构吸波材料及其应用前景，国外隐身技术动态，1994，14碳纤维在结构隐身材料中的应用研究，国外隐身技术动态，1994，135赵东林，周万诚.兵器材料科学与工程，1997，6：546赵云峰.宇航材料工艺，1989，(4-5)，108-1137高正平，饶克谨，王晓红.单向碳纤维铺层的雷达反射特性J，隐身技术，1998，58裘镜蓉.宇航材料工艺，1990，第4期，9吴晓光，车晔华.国外微波吸收材料M，国防科技大学出版社，1992，15310TAI-IL MAH，and MADAN G.MENDIRATTA etc. Recent Development in Fiber-reinforced High Temperature Ceramic Composites, Ceramic Bulletin,1987，66(2)11张玉峰，郭景坤，诸培南，杨涵美，马利泰.SiC纤维补强微晶玻璃基复合材料的界面J，无机材料学报，1994（4），9：1212A. 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