隐身材料(中文版)

1、高温雷达吸波材料研究现状与展望高温雷达吸波材料研究现状与展望报告人：龙华倩期刊：无机材料学报 2014年5月 第29卷第5期：461-469作者：丁东海，罗发，周万成，史毅敏，周亮目录目录1. 研究背景研究背景2. 高温吸波材料设计准则高温吸波材料设计准则3. C、SiC、ZnO 高温吸收剂研究现状高温吸收剂研究现状4. 涂覆型与结构型高温吸波材料涂覆型与结构型高温吸波材料研究背景研究背景1 1）吸波材料：可以将电磁波能量转化为热能而衰减雷达波，吸波材料：可以将电磁波能量转化为热能而衰减雷达波， 是实现雷达隐身的重要手段。是实现雷达隐身的重要手段。2 2）吸波材料必须具备的条件：）吸波材料必须

2、具备的条件： 厚度薄、质量轻、吸收频率宽、吸收能力强厚度薄、质量轻、吸收频率宽、吸收能力强 耐高温耐高温 抗氧化抗氧化 高强度高强度 高韧性高韧性 低密度低密度吸波基本原理吸波基本原理 吸波材料能吸收或衰减入射的电磁波，使吸波材料能吸收或衰减入射的电磁波，使其因干涉而消失或其电磁能转换为其他形式的其因干涉而消失或其电磁能转换为其他形式的能量。其基本原理包括干涉作用和吸收作用。能量。其基本原理包括干涉作用和吸收作用。1. 1. 干涉作用干涉作用 干涉作用是将入射的电磁波分成两部分，一部分从吸干涉作用是将入射的电磁波分成两部分，一部分从吸波层表面反射，另一部分透过吸波层后经底层反射后再波层表面反射

3、，另一部分透过吸波层后经底层反射后再穿过吸波层射出来。若经底层反射的波与吸波层表面反穿过吸波层射出来。若经底层反射的波与吸波层表面反射的波相位正好相反，两段波便可发生干涉而减弱。射的波相位正好相反，两段波便可发生干涉而减弱。2. 2. 吸收作用吸收作用 材料对电磁波产生吸收作用有两个条件材料对电磁波产生吸收作用有两个条件：(1)(1)电磁波入射到材料上时能最大限度地进入到材料内部，电磁波入射到材料上时能最大限度地进入到材料内部， 即电磁匹配要好即电磁匹配要好( (匹配特性匹配特性) )；(2)(2)进入材料内部的电磁波能迅速地被衰减掉，即电磁损进入材料内部的电磁波能迅速地被衰减掉，即电磁损 耗

4、要大耗要大( (衰减特性衰减特性) )。吸波基本原理吸波基本原理衰减特性：衰减特性：电磁波在材料内产生电损耗或磁损耗，使电磁电磁波在材料内产生电损耗或磁损耗，使电磁 波的电磁性能转为其他形式的能量散失掉，达波的电磁性能转为其他形式的能量散失掉，达 到减少反射的目的。到减少反射的目的。吸波基本原理吸波基本原理 电损耗机理：电损耗机理：依靠电介质的极化机理吸收、衰减电磁波。依靠电介质的极化机理吸收、衰减电磁波。 极化的基本形式包括位移式极化和松弛极化。极化的基本形式包括位移式极化和松弛极化。 弹性，瞬时完成，其弹性，瞬时完成，其极化过程不消耗能量，一极化过程不消耗能量，一般发生在物质结构紧密、般发

5、生在物质结构紧密、规则的地方。规则的地方。 与热运动有关，非与热运动有关，非弹性，需一定时间，需弹性，需一定时间，需消耗一定的能量。消耗一定的能量。 电损耗介质的吸波机理主要是松弛极化。松弛极化与电电损耗介质的吸波机理主要是松弛极化。松弛极化与电场作用和热运动有关。热运动的作用力图使材料中的质点场作用和热运动有关。热运动的作用力图使材料中的质点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最终分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最终结果是使质点按电场规律分布，然而在质点移动过程中克结果是使质点按电场规律分布，然而在质点移动过程中克服了一定的势垒，时间较长，需吸收一定能量。服了一定的势

6、垒，时间较长，需吸收一定能量。高温吸波材料设计准则高温吸波材料设计准则1 1）自由空间与材料表面的阻抗匹配以减少电磁波的反射自由空间与材料表面的阻抗匹配以减少电磁波的反射, 要要 求材料的求材料的复介电常数与复磁导率接近复介电常数与复磁导率接近；2 2）进入材料内部的电磁波可以被尽可能多的损耗进入材料内部的电磁波可以被尽可能多的损耗, 要求材料要求材料 有足够大的电损耗或者磁损耗有足够大的电损耗或者磁损耗, 即即足够高的复介电常数或足够高的复介电常数或 者复磁导率者复磁导率。吸波能力方程吸波能力方程(1)(2) RL 表示反射率；Zin表示入射波在自由空间与材料界面处的阻抗；Z0 为入射波在自

7、由空间的阻抗；r 与 r 分别表示材料相对复磁导率与复介电常数；c 为光速；t 为材料厚度；f 为电磁波频率。吸波能力方程吸波能力方程 常温下, 吸波材料 RL 是 r 、 r 、 f 、 t 的函数。 材料电磁参数与环境温度密切相关, 高温下材料失去磁性, 复磁导率等于 1, 复介电常数随温度不同而变化。高温下, 吸波材料 RL 是 r(T) 、f 、t 、T的函数 。高温吸收剂高温吸收剂 高温吸波材料的高温吸波材料的传统设计思路传统设计思路是是将高温吸收剂填入将高温吸收剂填入陶瓷或者玻璃基体陶瓷或者玻璃基体, 通过调整吸收剂种类、含量、尺寸、通过调整吸收剂种类、含量、尺寸、形貌、分布状态等

8、实现材料吸波性能的优化形貌、分布状态等实现材料吸波性能的优化。因此。因此, 制备制备综合性能优良的吸收剂是高温吸波材料研制首要解决的综合性能优良的吸收剂是高温吸波材料研制首要解决的问题。问题。密度较大的磁性吸收剂在居里温度以上转变为顺密度较大的磁性吸收剂在居里温度以上转变为顺磁体磁体, 失去磁性失去磁性, 不适合作为高温吸收剂不适合作为高温吸收剂。高温吸收剂。高温吸收剂以以电损耗为主电损耗为主, 研究较多的主要是研究较多的主要是 C、SiC、ZnO 吸收剂。吸收剂。高温吸收剂高温吸收剂CharactersC 吸收剂吸收剂SiC 吸收剂吸收剂ZnO 吸收剂吸收剂CharactersCharact

9、ers 密度低密度低(质轻质轻)惰性气氛耐高温惰性气氛耐高温电性能可调电性能可调来源广泛来源广泛电导率较高电导率较高高温易氧化高温易氧化 高温稳定性优越高温稳定性优越介电性能可调介电性能可调 纯纯ZnO介电损耗较低介电损耗较低 高温稳定性优越高温稳定性优越介电性能可调介电性能可调 纯纯SiC介电损耗较低介电损耗较低碳吸收剂碳吸收剂Disadvantage:抗氧化能力低抗氧化能力低通过涂覆抗氧化涂层来通过涂覆抗氧化涂层来防止含氧气体接触扩散，防止含氧气体接触扩散，从而改善了材料的抗氧从而改善了材料的抗氧化能力化能力电导率较高电导率较高自由空间阻抗失配自由空间阻抗失配导致电磁波反射较强导致电磁波反

10、射较强改善阻抗匹配，减少电磁波反射改善阻抗匹配，减少电磁波反射OneTwo热解工艺优化热解工艺优化 碳材料的碳材料的电性能电性能主要决定于主要决定于石墨化程度石墨化程度, 如果如果石石墨化程度过低墨化程度过低, 损耗能力较弱损耗能力较弱; 如果如果石墨化程度过高石墨化程度过高, 则电导率较高则电导率较高, 阻抗匹配变差阻抗匹配变差。因此。因此, 可以通过优化可以通过优化碳材料制备工艺碳材料制备工艺, 控制石墨化度控制石墨化度, 改善阻抗匹配特性。改善阻抗匹配特性。图图1 苯分子的离域苯分子的离域键键中空多孔炭纤维吸收剂中空多孔炭纤维吸收剂(a)1/min/min(b)2/min/min(c)3

11、/min/min(d)4/min/min图图2 不同预氧化升温速率、同一碳化条件下获得不同预氧化升温速率、同一碳化条件下获得的的HPCFs截面截面SEM形貌图形貌图图图3 HPCFs体电导率随预氧化升温速率的变化关系曲线体电导率随预氧化升温速率的变化关系曲线中空多孔炭纤维吸收剂中空多孔炭纤维吸收剂图图4 HPCFs体电导率随碳化升温速率的变化关系曲线体电导率随碳化升温速率的变化关系曲线中空多孔炭纤维吸收剂中空多孔炭纤维吸收剂小结小结1. 升温速率升温速率 不利于不利于HPCFs微孔的形成与保持微孔的形成与保持2. 热处理升温速率热处理升温速率 体电导率体电导率 介电常数介电常数 注意：预氧化升

12、温速率较炭化升温速率变化幅度大！注意：预氧化升温速率较炭化升温速率变化幅度大！表面涂覆表面涂覆 在碳吸收剂表面制备电导率较低的陶瓷涂层在碳吸收剂表面制备电导率较低的陶瓷涂层, 不不仅可以改善阻抗匹配特性仅可以改善阻抗匹配特性, 减少电磁波的反射减少电磁波的反射, 而且可而且可以提高其抗氧化性能。以提高其抗氧化性能。 SiO2 壳层壳层 BNC/SiOC/SiO2 21 1、方法：静电纺丝、方法：静电纺丝2 2、厚度：、厚度：20nm20nm 介电常数与介电损耗都介电常数与介电损耗都较 低 ， 起 始 氧 化 温 度 超 过较 低 ， 起 始 氧 化 温 度 超 过800, 800, 可以形成致

13、密的可以形成致密的B B2 2O O3 3保保护膜护膜Disadvantage: Low dielectric loss SiC absorberHow to improve the ability of dielectric loss？On the one hand，Lattice doped ；On the other hand，SiC fiber absorbent。1 1、控制自由碳含量及石墨化度；、控制自由碳含量及石墨化度；2 2、引入异质金属元素；、引入异质金属元素；3 3、改变纤维截面形状。、改变纤维截面形状。Change the fiber cross section shap

14、e(a) Swirl shape(b) “T” shapeFig.2 Microwave absorbing silicon carbide fibers with non-circular section (c) “C” shape(d) Cross shape异型截面纤维的叶片顶端的曲率明显大于圆截面纤维异型截面纤维的叶片顶端的曲率明显大于圆截面纤维, , 叶片顶端可以富集电荷而产生偶极子叶片顶端可以富集电荷而产生偶极子, , 在电磁波作用在电磁波作用下产生振荡下产生振荡, , 异型截面纤维吸波机理的理解还不够深异型截面纤维吸波机理的理解还不够深入入, , 还有待于进一步研究。还有待于进一

15、步研究。Disadvantage: Pure ZnO have low Electrical conductivityHow to enhance the Electrical conductivity？On the one hand，Lattice doped ；On the other hand，Morphology control。ZnO absorber涂覆型吸波材料涂覆型吸波材料吸波涂层吸波涂层磁性吸波涂层磁性吸波涂层介电吸波涂层介电吸波涂层添加剂性质添加剂性质填充比例填充比例涂层厚度涂层厚度提高提高磁导率磁导率添加剂和吸添加剂和吸波剂设计波剂设计提高提高吸波性能吸波性能提高提高吸波

16、性能吸波性能阻抗匹配阻抗匹配吸波涂层一般由吸波涂层一般由吸波剂吸波剂和和粘结剂粘结剂组成；组成；吸波剂是涂层的关键，决定了吸波涂层对入射电磁波的损耗能力；吸波剂是涂层的关键，决定了吸波涂层对入射电磁波的损耗能力；粘结剂是涂层的粘结剂是涂层的成膜物质成膜物质，可以使涂层牢固附着于被涂敷物体表面，可以使涂层牢固附着于被涂敷物体表面，形成连续膜。粘结剂必须是，形成连续膜。粘结剂必须是透波材料透波材料。优点优点：吸波涂层对目标的外形适应能力强；：吸波涂层对目标的外形适应能力强； 对装备的改动比较小，特别适用于现有装备的隐身；对装备的改动比较小，特别适用于现有装备的隐身； 吸波涂层施工方便，对武器装备的

17、机动、火力等影响较小。吸波涂层施工方便，对武器装备的机动、火力等影响较小。缺点缺点：频段窄，一般只适用于某一：频段窄，一般只适用于某一固定频段固定频段； 粘结性差，易脱落，受外界粘结性差，易脱落，受外界环境因素环境因素影响大；影响大； 密度大，影响飞机、导弹等的密度大，影响飞机、导弹等的飞行性能飞行性能。涂覆型吸波材料涂覆型吸波材料F-35全称全称“联合攻击战斗机联合攻击战斗机(JSF)”代号代号“Lightning” ，2006年年12月月首飞，成本首飞，成本1.2亿美元，采用波音亿美元，采用波音公司的公司的“幽灵工厂幽灵工厂”生产的隐身涂生产的隐身涂层层美国美国F-35隐身战斗机隐身战斗机

18、美国美国F-22隐身战斗机隐身战斗机F-22沿用了沿用了F-35使用的隐使用的隐身涂层材料，但改善了材身涂层材料，但改善了材料的耐久性能，节约了维料的耐久性能，节约了维护时间和成本。护时间和成本。吸波涂层吸波涂层ConvenienceFlexibleTechnology SimpleWave absorption performance is easy to controlAdvantage隐形战机隐形战机歼歼10b10b高温吸波涂层高温吸波涂层基体：环氧改性有机硅树脂基体：环氧改性有机硅树脂无机填料：云母粉和玻璃粉无机填料：云母粉和玻璃粉吸收剂：短切碳纤维吸收剂：短切碳纤维涂层可在涂层可在600600短时短时间使用间使用 传统热压法传统热压法可以在金属表面制备结合强度高、抗热可以在金属表面制备结合强度高、抗热应力性能好的玻璃或者陶瓷基吸波涂层应力性能好的玻璃或者陶瓷基吸波涂层, , 但是该工艺仅能但是该工艺仅能应用于平板金属应用于平板金属, , 不适用于异型表面不适用于